Ежегодно человечество производит около 220 миллионов тонн полиолефинов — группы полимеров, из которых сделана большая часть одноразовой упаковки. «Фактически, почти все в вашем холодильнике основано на полиолефинах», — отмечает Йоси Кратиш, химик из Северо-Западного университета и соавтор исследования. К ним относятся бутылки для соусов, пакеты для молока, пищевая пленка, мусорные мешки и коробки для сока.
Химическая стойкость этих материалов делает их одновременно полезными в быту и крайне сложными для переработки. Молекулы полиолефинов соединены «общеизвестно прочными углерод-углеродными связями». По словам Кратиша, «у полиолефинов нет слабых звеньев. Каждая связь невероятно прочна и химически неактивна». В результате менее 10 процентов таких изделий ежегодно подвергаются переработке, а остальная часть попадает на свалки или в промышленные печи.
Существующие методы переработки неэффективны. Один из них, даунсайклинг, включает измельчение, плавление и переформовку пластика в гранулы низкого качества. Этот процесс требует трудоемкой ручной сортировки, а малейшее загрязнение, например, остатками пищи, может испортить всю партию.
Другой метод — сжигание — требует огромных энергозатрат, поскольку для него необходимы температуры, достигающие 1292 градусов по Фаренгейту (700°C). «Приложив достаточно энергии, можно превратить что угодно в углекислый газ и воду. Но мы хотели найти элегантный способ добавить минимальное количество энергии для получения продукта максимальной ценности», — объясняет Кратиш.
Научный прорыв, описанный в исследовании, опубликованном 2 сентября в журнале Nature Chemistry, предлагает именно такой способ. Исследователи разработали процесс гидрогенолиза, который использует водород и катализатор для расщепления полиолефинов на полезные углеводороды. Прежние версии этого метода требовали высоких температур и дорогостоящих катализаторов на основе благородных металлов, таких как палладий и платина.
Новый катализатор на основе катионного никеля кардинально меняет ситуацию. В отличие от редких металлов, никель дешев, широко распространен и легкодоступен. Его ключевое преимущество заключается в том, что он является одноцентровым катализатором, действующим подобно «точному лазеру или острому ножу». Он целенаправленно разрывает прочные углерод-углеродные связи, не разрушая всю структуру пластика.
Эффективность нового катализатора позволяет проводить процесс при значительно более низкой температуре и требует вдвое меньшего давления газообразного водорода по сравнению с существующими методами. Это делает технологию экономически более выгодной и менее энергозатратной.
Самым неожиданным открытием стала высокая стабильность катализатора. Он способен выдерживать даже сильно загрязненный пластик, содержащий поливинилхлорид (ПВХ). Более того, присутствие ПВХ, которое обычно считается недопустимым в смесях для переработки, на самом деле улучшает процесс.
«Добавлять ПВХ в перерабатываемую смесь всегда было запрещено. Но, очевидно, это делает наш процесс еще лучше. Это безумие. Определенно, этого никто не ожидал», — комментирует Кратиш.
В случае успешного масштабирования эта технология может привести к двум ключевым изменениям. Во-первых, она способна в значительной степени устранить необходимость в тщательной сортировке пластика потребителями и перерабатывающими предприятиями. Во-вторых, она может радикально сократить количество микропластика, ежедневно попадающего в окружающую среду, предлагая эффективное решение одной из самых острых экологических проблем.
Изображение носит иллюстративный характер
Химическая стойкость этих материалов делает их одновременно полезными в быту и крайне сложными для переработки. Молекулы полиолефинов соединены «общеизвестно прочными углерод-углеродными связями». По словам Кратиша, «у полиолефинов нет слабых звеньев. Каждая связь невероятно прочна и химически неактивна». В результате менее 10 процентов таких изделий ежегодно подвергаются переработке, а остальная часть попадает на свалки или в промышленные печи.
Существующие методы переработки неэффективны. Один из них, даунсайклинг, включает измельчение, плавление и переформовку пластика в гранулы низкого качества. Этот процесс требует трудоемкой ручной сортировки, а малейшее загрязнение, например, остатками пищи, может испортить всю партию.
Другой метод — сжигание — требует огромных энергозатрат, поскольку для него необходимы температуры, достигающие 1292 градусов по Фаренгейту (700°C). «Приложив достаточно энергии, можно превратить что угодно в углекислый газ и воду. Но мы хотели найти элегантный способ добавить минимальное количество энергии для получения продукта максимальной ценности», — объясняет Кратиш.
Научный прорыв, описанный в исследовании, опубликованном 2 сентября в журнале Nature Chemistry, предлагает именно такой способ. Исследователи разработали процесс гидрогенолиза, который использует водород и катализатор для расщепления полиолефинов на полезные углеводороды. Прежние версии этого метода требовали высоких температур и дорогостоящих катализаторов на основе благородных металлов, таких как палладий и платина.
Новый катализатор на основе катионного никеля кардинально меняет ситуацию. В отличие от редких металлов, никель дешев, широко распространен и легкодоступен. Его ключевое преимущество заключается в том, что он является одноцентровым катализатором, действующим подобно «точному лазеру или острому ножу». Он целенаправленно разрывает прочные углерод-углеродные связи, не разрушая всю структуру пластика.
Эффективность нового катализатора позволяет проводить процесс при значительно более низкой температуре и требует вдвое меньшего давления газообразного водорода по сравнению с существующими методами. Это делает технологию экономически более выгодной и менее энергозатратной.
Самым неожиданным открытием стала высокая стабильность катализатора. Он способен выдерживать даже сильно загрязненный пластик, содержащий поливинилхлорид (ПВХ). Более того, присутствие ПВХ, которое обычно считается недопустимым в смесях для переработки, на самом деле улучшает процесс.
«Добавлять ПВХ в перерабатываемую смесь всегда было запрещено. Но, очевидно, это делает наш процесс еще лучше. Это безумие. Определенно, этого никто не ожидал», — комментирует Кратиш.
В случае успешного масштабирования эта технология может привести к двум ключевым изменениям. Во-первых, она способна в значительной степени устранить необходимость в тщательной сортировке пластика потребителями и перерабатывающими предприятиями. Во-вторых, она может радикально сократить количество микропластика, ежедневно попадающего в окружающую среду, предлагая эффективное решение одной из самых острых экологических проблем.
