Мікрохвильовка допомогла отримати водень з пластикових відходів

Англійські і китайські хіміки запропонували новий спосіб переробки поліетилену і поліпропілену за допомогою мікрохвильового випромінювання. Вчені використовували каталізатор з оксиду заліза і алюмінію, який поглинає мікрохвильове випромінювання і забезпечує швидкий і рівномірний нагрів пластикових частинок. Це дозволяє звести до мінімуму всі побічні реакції і витягти з полімерних відходів до 97 відсотків міститься там водню. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature Catalysis.

Щороку в світі виробляється близько 350 мільйонів тонн різного пластику, з них більше 200 мільйонів тонн припадає на упаковку і предмети з коротким терміном використання, які майже відразу перетворюються в тверді побутові відходи. В даний час переробляється близько десяти відсотків пластикових відходів, в основному термомеханическим способом: спочатку їх сортують, миють і висушують, потім подрібнюють на дрібні шматочки і нагрівають для отримання однорідного розплаву. Цей спосіб вимагає великих витрат енергії і погіршує механічні властивості матеріалу, тому переробити пластик можна обмежена кількість разів. Альтернативний спосіб переробки - хімічний, коли молекула полімеру «розбирається» на складові частини (мономери), які потім можна використовувати для отримання нових полімерів або для інших цілей.

Ефективність хімічної переробки залежить від будови полімеру: поки що кращих результатів вчені домоглися в переробці поліетилентерефталату. Цей полімер містить в собі складноефірні мостіковие групи, тому його можна піддати гідролізу, наприклад, під дією ферментів. (У квітні французькі хіміки та інженери за допомогою модифікованого ферменту кутінази зробили прорив в цій області і зуміли розщепити 90 відсотків поліетилентерефталату до його мономерів: терефталевої кислоти і етиленгліколю). Набагато складніше зруйнувати молекулу поліетилену або поліпропілену: ці види пластика є полімерні вуглеводні (полиолефини), каркас яких складається тільки з зв'язків вуглець-вуглець. Поліолефіни не вступають в реакцію гідролізу, і для їх хімічної переробки використовується піроліз і паровий риформінг, які дозволяють отримати з поліолефінів спочатку суміш легких вуглеводнів, а потім суміш водню з чадним газом. Однак, цей процес теж вимагає нагріву до високих температур (750 градусів Цельсія і вище), що загрожує великою кількістю викидів в атмосферу: в 2018 році вчені підрахували, що один кілограм водню, отриманого з пластикових відходів, доводиться до дванадцяти кілограмів викинутого в атмосферу вуглекислого газу.

Англійські і китайські хіміки під керівництвом Пітера Едвардса (Peter Edwards) з ​​Університету Оксфорда запропонували новий спосіб переробки поліолефінів за допомогою мікрохвильового випромінювання і каталізатора з змішаного оксиду заліза і алюмінію FeAlOx. Вчені працювали з реальними пластиковими відходами: пластиковими пакетами (поліетилен низької щільності), молочними пакетами (поліетилен високої щільності), упаковкою харчових продуктів (поліпропілен) і полімерними губками (полістирол).

Процедура, запропонована Едвардсом і його колегами, дуже проста: пластик необхідно подрібнити в дрібну крихту розміром від одного до п'яти міліметрів, змішати з порошком FeAlOx і обробити мікрохвильовим випромінюванням протягом 30-90 секунд. Частинки FeAlOx можна використовувати кілька разів. В даному випадку вони виконують дві ролі: каталізатор, на поверхні якого відбувається руйнування полімерних молекул, і нагрівальний елемент, який ефективно поглинає мікрохвильове електромагнітне випромінювання і перетворює його енергію в тепло. Це забезпечує більш швидкий і рівномірний нагрів всього пластикового матеріалу, тому в реакції утворюється менше побічних продуктів. Крім того, при такому способі нагріву енергія більш ефективно використовується для нагріву пластика, немає необхідності нагрівати до високих температур всю камеру, в якій проводиться реакція - це робить процес більш дешевим і екологічним.

Кількість отриманого водню вимірювали методом газової хроматографії. Найбільше водню (55,6 миллимоль на грам матеріалу) вдалося витягти з поліетилену високої щільності - приблизно 97 відсотків всіх розміщених в полімерних молекулах атомів водню перетворилися в газоподібний водень. Крім водню серед газоподібних продуктів були виявлені метан, етан, вуглекислий газ і чадний газ. Але цих продуктів утворилося небагато (в сумі вони становили не більше 10 об'ємних відсотків всієї отриманої газової суміші), а основна маса втратив водень вуглецю перетворилася в багатостінні вуглецеві нанотрубки. Цікаво, що отримані нанотрубки виявилися однорідні за будовою і діаметру, тому цілком можливо, що в майбутньому їм теж знайдеться застосування.

Мікрохвильове випромінювання вже не в перший раз використовують в переробці пластикових відходів. Наприклад, навесні 2020 року американська і індійські вчені за допомогою мікрохвильової печі перетворили поліетилентерефталат в терефталат натрію, який потім використовували в якості анода натрій-іонного аккуммулятора.