Викинута пляшка, пакет або автомобільна деталь можуть залишатися в потоці відходів ще довго після закінчення терміну їхньої корисної служби. Хоча пластик скрізь у суспільстві, його перероблення залишається складним завданням, оскільки більшість систем вимагають попереднього поділу різних типів пластику, що є дорогим і трудомістким етапом.
В результаті переробляється лише 9% пластикових відходів, 79% відправляється на звалища, а 12% спалюється, виділяючи вуглекислий газ.
Змішані види пластику перетворюються на чистий водень
Дослідники з інженерної школи імені Самуелі Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі та Жіночого університету Іхва у Південній Кореї продемонстрували хімічний процес, який перетворює суміш трьох широко використовуваних видів пластику у високочисте водневе паливо. Метод працює за значно нижчих температур, ніж традиційна газифікація, і зберігає вуглець у вигляді твердого мінералу, а не виділяє вуглекислий газ в атмосферу.
Результати дослідження, опубліковані в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences, присвячені лужній термічній обробці (ЛТО), коли нагрітий гідроксид натрію реагує з органічним матеріалом, утворюючи водень. В одному реакторі цей процес дозволив обробити суміш поліетилентерефталату (ПЕТ), поліетилену (ПЕ) та поліпропілену (ПП) без попереднього сортування пластмас. Отриманий водень мав чистоту понад 90%.
"Ми одночасно розв'язуємо дві нагальні глобальні проблеми", — сказала співавтор дослідження А-Хен «Алісса» Пак, професор хімічної та біомолекулярної інженерії у Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі. "Пластикові відходи накопичуються із загрозливою швидкістю, а чистий водень необхідний для декарбонізації енергетики. Ця технологія розв'язує обидві ці проблеми творчим та масштабованим способом."
Співавтор дослідження Пак та Ву-Дже Кім, професор хімічної інженерії та матеріалознавства в Жіночому університеті Іхва, спочатку розробила ATT як вуглецево-нейтральний спосіб перетворення біомаси, такої як морські водорості, на газоподібний водень. Дослідники адаптували цей метод для пластикових відходів та використовували його в лабораторних випробуваннях на ПЕТ, ПЕ та ПП. Він дозволив отримати значно більше водню з ПЕТ за температур на 300-400 градусів Цельсія нижче тих, які потрібні для традиційної парової газифікації.
М'яке нагрівання розкриває властивості пластиків, що важко розкладаються.
Поліетилен і поліпропілен спочатку виробляли менше водню, ніж ПЕТ, оскільки їх структури складаються виключно зі стабільних вуглеводневих зв'язків, які погано реагують на лужну обробку.
Щоб зробити пластики реактивними, дослідники додали попередню обробку термічним окисненням, яка короткочасно нагріває їх у повітрі перед основною реакцією. Це вводить функціональні групи, що містять кисень, уздовж полімерних ланцюгів, утворюючи хімічні центри, які може атакувати гідроксид натрію.
Більшість вуглецю залишається поза атмосферою
Після цього етапу активації усі три види пластику ефективно розкладалися. Гідроксид натрію вловлював вуглець, що виділяється в ході реакції, і перетворював його на твердий карбонат натрію, а не дозволяв йому випаровуватися у вигляді діоксиду вуглецю. Аналіз після обробки показав, що понад 75% вихідного вуглецю пластику залишалося у стабільних карбонатних або рідких органічних залишках. Менше ніж 13% переходило в газову фазу, і реакція виділяла незначну кількість вуглецю в атмосферу.
Потім простий процес регенерації може перетворити карбонат натрію на карбонат кальцію, назавжди зберігаючи вуглець у мінералі, що зазвичай використовується в галузях промисловості, які традиційно виробляли великі викиди вуглецю.
Більш ранні низькотемпературні методи отримання водню із пластикових відходів стикалися із серйозними обмеженнями. Фотореформування з використанням сонячної енергії та електрохімічне перетворення, як правило, працюють тільки з кисневмісними пластиками, такими як ПЕТ, виключаючи поліетилен і поліпропілен, хоча обидва вони у великій кількості присутні у відходах пластику. Традиційна високотемпературна газифікація може переробляти несортовані суміші, але виробляє значні викиди діоксиду вуглецю. Це перше застосування розробленого дослідниками методу АТТ, що дозволяє одночасно подолати всі три проблеми.
Комерційне масштабування поки що не доведено
"Зниження витрат на сортування та складності процесу, які були основними перешкодами на шляху комерціалізації, дозволяє цій технології стати ключовою технологією наступного покоління, що підтримує як водневу економіку, так і економіку замкнутого циклу", - сказала Кім.
Перш ніж цей процес можна буде використовувати в комерційних масштабах, дослідники повинні додатково покращити його характеристики та визначити, чи є він економічно доцільним.
