Всем солить пластик!… а то платины не напасёшься.

Доля твёрдого побочного продукта в результатах пиролиза полиолефинов с использованием поваренной соли и более дорогих катализаторов на основе платины. Источник.

Химическая переработка отходов позволяет различным материалам стать частью так называемой экономики замкнутого цикла. Она призвана с одной стороны уменьшить потребности в добыче ископаемых, а с другой ‒ избавить нас от гор мусора, которые становятся большой проблемой для всей цивилизации, приближая экологическую катастрофу.

На планете есть огромные свалки. Так, гигантский полигон отходов Газипур в восточной части индийской столицы уже прозвали Мусорным Эверестом: при площади в 40 футбольных полей и высоте около 70 м, он весит более 8 млн тонн.

Это немыслимо, но существуют «мусорники» настолько большие, что размерами могут тягаться с некоторыми городами. Это, например, мегасвалки электронной техники в Западной Африке, где воздух стал попросту ядовит; или кладбище всевозможных отходов в пустыне Атакама, которую местные жители назвали «мировым задним двором». А есть и кое-что куда более масштабное: большой тихоокеанский архипелаг, 15 млн км² которого целиком состоят из мусора! Невероятно, на такой площади нет земли ‒ это просто мусор, который влияет на всю экосистему, постепенно отравляя океанические течения.

Всё это необходимо подвергать переработке, и особенной её миссией в сегодняшнем мире является утилизация, разложение или повторное использование пластика. Его вариации насчитывают сотни наименований и составов, и он вездесущ.

Хотя исторически пластмассы продавались как пригодные для вторичной переработки, реальность такова, что, например, в США почти 90% пластиковых отходов попадает на свалки, мусоросжигательные заводы или просто загрязняет окружающую среду. Одна из причин, по которой пластик стал настолько одноразовым, заключается в том, что материалы, полученные в результате переработки, недостаточно ценны, чтобы тратить деньги и ресурсы, необходимые для их получения.

Но сегодня у нас появилась возможность хотя бы начать исправлять столь плачевную ситуацию: исследования университета штата Мичиган (MSU) показывают, что обычный для наших кухонь хлорид натрия предлагает безопасный, недорогой и многоразовый способ извлечения полезных продуктов из пластиковых отходов. Более того, его успех в этом деле превосходит гораздо более дорогие материалы.

«Это действительно интересно, ‒ говорит Мухаммад Рабнаваз, доцент школы упаковки Мичиганского университета и недавний член Национальной академии изобретателей, который всегда считал, что самое блестящее решение одновременно является и самым простым. ‒ Нам нужны простые и недорогие решения, чтобы одолеть такую большую проблему, как переработка пластмасс».

По прогнозам команды, поваренная соль могла бы существенно снизить затраты на переработку пиролизом ‒ процессом разложения соединений под действием тепла. По их ожиданиям, соль должна была бы неплохо себя проявить благодаря свойственной ей теплопроводности, и она сработала. Да не просто так, а удивила всех, подействовав насколько хорошо, что превзошла дорогие катализаторы.

Пиролиз представляет собой процесс расщепления пластика на смесь более простых углеродных соединений, которые выделяются в трёх состояниях: газообразном, в виде жидкого масла и твёрдого воска. По словам автора исследования, неудобство применения предшествующих ускорителей реакции заключается не только в их дороговизне, но и в том, что этот восковой компонент часто нежелателен. Особенно если учесть, что он может составлять более половины от получившихся на выходе пиролиза продуктов. Этот изъян касается даже весьма действенных катализаторов, которые часто могут быть токсичными или слишком уж дорогими для такой задачи.

Платина, например, обладает очень привлекательными каталитическими свойствами, поэтому её используют в каталитических нейтрализаторах для снижения вредных выбросов автомобилей. Но это также очень дорого, отчего и существует проблема краж этих нейтрализаторов. И пусть преступники вряд ли украдут материалы на основе платины из душного пиролизного реактора, попытка переработки пластмасс с помощью этих веществ всё равно потребует огромных инвестиций. Это миллионы, если даже не сотни миллионов долларов, и при этом такие катализаторы недостаточно эффективны, чтобы оправдать затраты.

«Нет в мире компании, имеющей такие средства просто для того, чтобы их сжечь», ‒ говорит Рабнаваз.

В более ранней работе команда показала, что оксид меди и поваренная соль успешно исполняют роли ускорителей разрушения полистирола, который весьма широко применяют как в промышленности, так и в быту. Например, обычно из него делают корпусы бытовой техники, игрушки, мягкую мебель, приборные панели и убранства салонов автомобилей и самолётов. Текущая же работа доказывает, что хлорид натрия способен самостоятельно устранить побочный воск при пиролизе полиолефинов ‒ куда более распространённых полимеров, на которые приходится 60% пластиковых отходов. А учитывая, что тестовый низкотемпературный солевой пиролиз проводился на полиолефинах, в состав которых входят полиэтилены высокой и низкой плотности (HDPE и LDPE соответственно), линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE) и полипропилен (PP), можно уверенно говорить о перспективах эффективной переработки этих смешанных пластмасс.

«Эта первая работа была важной, но я не воодушевлялся, пока мы не начали работать с полиолефинами, ‒ признаётся Рабнаваз. ‒ Полиолефины огромны, и мы только что превзошли дорогие катализаторы».

По его словам, на выходе реакции терморазложения этого вида пластмасс с солевым катализом, в основном получается жидкое масло с молекулами углеводородов на манер тех, что содержатся в дизельном топливе. Для сравнительного анализа взяли два разных платиновых катализатора в качестве контроля, по сравнению с которым использование поваренной соли в концентрации 10 массовых % в итоге увеличивало содержание нефти и газа на 80% и обеспечивало стопроцентную конверсию в газ и масло без образования нежелательного парафина.

Мало того, потрясающим преимуществом метода также является возможность повторного использования катализатора.

«Вы можете восстановить соль, просто промыв полученное масло водой», ‒ говорит учёный.

Исследователи также показали, что соль способствует пиролизу металлизированных пластиковых плёнок, которые обычно используются в упаковках пищевых продуктов. К ним относятся, например, пакеты для картофельных чипсов, которые сегодня вообще не перерабатываются. Хотя тут стоит признать, что в этой задаче чистая поваренная соль не превзошла по эффективности платино-глиноземный катализатор. Но всё же проведённые командой эксперименты на отходах с металлизированными плёнками дали аналогичные ему результаты, а затраты при этом куда как меньше.

Тем не менее Рабнаваз подчеркнул, что металлизированные плёнки, хотя и полезны, но по сути своей довольно проблематичны. Он предвкушает мир, в котором такие решения больше не нужны, поэтому вместе со своей командой работает ещё и над более экологичной их заменой. Автор говорит, что они только начали использовать потенциал хлорида натрия, но работа уже привлекает внимание крупных компаний в отрасли. Фактически, исследование было частично поддержано производителем потребительских товаров ‒ компанией Conagra Brands.

Несмотря на выдающиеся результаты, оставлять работу над развитием данного проекта пиролиза исследователи не собираются. Например, им ещё предстоит полностью охарактеризовать газовые продукты процесса с поваренной солью, и Рабнаваз считает, что подход можно улучшить так, чтобы жидкие части содержали химические вещества, имеющие более ценное применение, чем сжигание в качестве топлива. Так что работа продолжается.

И пусть амбициям учёных нет конца, но упомянутые здесь предварительные результаты новой тактики переработки пластмасс весьма и весьма обнадёживают. Тем более, если по итогам ориентировочного экономического анализа оказывается, что эффективность коммерческого пиролизного реактора можно утроить, просто добавив соль.

АРМК, по материалам MSU.