В нетоксичном, экологически чистом процессе, не содержащем растворителей, сначала используется недорогой катализатор для разрушения связей в полиэтилентерефталате (ПЭТ), наиболее распространенном пластике семейства полиэфирных. Затем исследователи просто подвергают осколки воздействию окружающего воздуха. Используя незначительное количество влаги в воздухе, измельченный ПЭТ превращается в мономеры - важнейшие строительные блоки для пластмасс. Исследователи предполагают, что после этого мономеры могут быть переработаны в новые продукты для домашних животных или другие, более ценные материалы.

Более безопасная, чистая, дешевая и экологичная, чем существующие методы переработки пластика, новая технология открывает многообещающий путь к созданию экономики замкнутого цикла для пластмасс.

Исследование было недавно опубликовано в журнале Green Chemistry, издаваемом Королевским химическим обществом.

"США являются загрязнителем пластика номер один на душу населения, и мы перерабатываем только 5% этого пластика", - сказал Йоси Кратиш из Northwestern, соавтор исследования. "Существует острая потребность в более совершенных технологиях, которые могли бы перерабатывать различные виды пластиковых отходов. Большинство технологий, которыми мы располагаем сегодня, переплавляют пластиковые бутылки и перерабатывают их в продукцию более низкого качества. Что особенно интересно в нашем исследовании, так это то, что мы использовали влагу из воздуха для разрушения пластмасс, добиваясь исключительно чистого и избирательного процесса. Извлекая мономеры, которые являются основными строительными блоками ПЭТ, мы можем перерабатывать их в более ценные материалы".

"Наше исследование предлагает устойчивое и эффективное решение одной из самых насущных экологических проблем в мире: пластиковых отходов", - сказал Навин Малик, первый автор исследования. "В отличие от традиционных методов переработки, которые часто приводят к образованию вредных побочных продуктов, таких как соли отходов, и требуют значительных затрат энергии или химических веществ, наш подход использует процесс без растворителей, который основан на следах влаги из окружающего воздуха. Это делает его не только экологически чистым, но и очень практичным для применения в реальных условиях".

Эксперт по переработке пластмасс, Кратиш является доцентом-исследователем химии в Северо-Западном Вайнбергском колледже искусств и наук. Кратиш совместно руководил исследованием с Тобином Дж. Марксом, профессором химии Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон в Вайнберге и профессором материаловедения и инженерии в Северо-Западной инженерной школе Маккормика. На момент проведения исследования Малик был постдокторантом в лаборатории Маркса; сейчас он является доцентом-исследователем в Институте науки и технологий SRM в Индии.

Проблема пластика

ПЭТ-пластик, широко используемый в упаковке пищевых продуктов и бутылках для напитков, составляет 12% от общего объема пластмасс, используемых во всем мире. Поскольку ПЭТ нелегко разлагается, он является основным источником загрязнения пластиком. После использования он либо оказывается на свалках, либо со временем разлагается на мельчайшие микропластики или нанопластики, которые часто попадают в сточные воды и водные пути.

Поиск новых способов переработки пластика является актуальной темой исследований. Но современные методы разрушения пластмасс требуют суровых условий, включая чрезвычайно высокие температуры, интенсивное использование энергии и растворителей, которые образуют токсичные побочные продукты. Катализаторы, используемые в этих реакциях, также часто являются дорогостоящими (например, платина и палладий) или токсичными, что приводит к образованию еще более вредных отходов. Затем, после проведения реакции, исследователи должны отделить переработанные материалы от растворителей, что может быть трудоемким и энергоемким процессом.

В предыдущей работе группа Маркса в Northwestern стала первой, кто разработал каталитические процессы, не требующие растворителей. В новом исследовании команда снова разработала процесс, не содержащий растворителей.

"Использование растворителей имеет много недостатков", - сказал Кратиш. "Они могут быть дорогими, и вам приходится нагревать их до высоких температур. Затем, после реакции, у вас остается масса материалов, которые вы должны отсортировать, чтобы выделить мономеры. Вместо использования растворителей мы использовали водяной пар из воздуха. Это гораздо более элегантный способ решения проблем переработки пластика".

"Элегантное" решение

Для проведения нового исследования исследователи использовали молибденовый катализатор и активированный уголь - оба эти материала являются недорогими, распространенными и нетоксичными. Чтобы запустить процесс, исследователи добавили ПЭТ к катализатору и активированному углю, а затем нагрели смесь. Полиэфирные пластики представляют собой крупные молекулы с повторяющимися звеньями, которые связаны между собой химическими связями. Через короткий промежуток времени химические связи внутри пластика разорвались.

Затем исследователи подвергли материал воздействию воздуха. При попадании небольшого количества влаги из воздуха материал превращался в терефталевую кислоту (TPA) - очень ценный предшественник полиэфиров. Единственным побочным продуктом был ацетальдегид, ценный, легко удаляемый промышленный химикат.

"Воздух содержит значительное количество влаги, что делает его легкодоступным и устойчивым ресурсом для химических реакций", - сказал Малик. "В среднем, даже в относительно сухих условиях, атмосфера содержит от 10 000 до 15 000 кубических километров воды. Использование влажности воздуха позволяет нам отказаться от сыпучих растворителей, снизить энергозатраты и избежать использования агрессивных химикатов, что делает процесс более чистым и экологичным".

"Это сработало идеально", - сказал Кратиш. "Когда мы добавили больше воды, он перестал работать, потому что воды было слишком много. Это прекрасный баланс. Но оказалось, что количество воды в воздухе было как раз подходящим".

Бесконечные преимущества

В результате процесс получается быстрым и эффективным. Всего за четыре часа было восстановлено 94% возможного TPA. Катализатор также долговечен и пригоден для вторичной переработки, что означает, что его можно использовать снова и снова без потери эффективности. И этот метод работает со смешанными пластиками, выборочно перерабатывая только полиэфиры. Благодаря своей селективности этот процесс позволяет избежать необходимости сортировки пластмасс перед нанесением катализатора, что является важным экономическим преимуществом для перерабатывающей промышленности.

Когда команда протестировала этот процесс на реальных материалах, таких как пластиковые бутылки, рубашки и смешанные пластиковые отходы, он оказался столь же эффективным. Он даже расщепляет цветные пластмассы на чистый бесцветный TPA.

Далее исследователи планируют увеличить масштаб процесса для промышленного использования. Оптимизируя процесс для крупномасштабных применений, исследователи стремятся обеспечить возможность переработки огромного количества пластиковых отходов.

"Наша технология обладает потенциалом значительно сократить загрязнение пластиком, снизить воздействие пластмасс на окружающую среду и внести вклад в экономику замкнутого цикла, при которой материалы используются повторно, а не выбрасываются", - сказал Малик. "Это ощутимый шаг к более чистому и экологичному будущему, и он демонстрирует, как инновационная химия может решать глобальные проблемы в соответствии с природой".