Как мы превратили пластиковые отходы в уксус: прорыв, достигнутый благодаря солнечному свету

Ежегодно во всем мире производятся сотни миллионов тонн пластика. Новое исследование показывает, как эти отходы можно превратить в нечто полезное. (Unsplash/Nick Fewings)

Пластик — один из самых прочных материалов, когда-либо созданных человеком. Эта прочность сделала его незаменимым в медицине, упаковке продуктов питания и транспорте. Но он также породил одну из важнейших экологических проблем , с которыми мы сталкиваемся.

Ежегодно во всем мире производятся сотни миллионов тонн пластика. Большая его часть оказывается на свалках, в мусоросжигательных заводах или в окружающей среде, где может сохраняться столетиями.

У существующих методов борьбы с пластиковым загрязнением есть свои недостатки. Захоронение пластика на свалках означает, что химические вещества и микропластик могут просачиваться в окружающую среду.

При сжигании выделяются вредные пары и токсины. Механическая переработка часто приводит к снижению качества пластмасс и превращению их в менее ценные продукты, в то время как химическая переработка обычно требует высоких температур, высокого давления и больших объемов энергии.

Недавно мы с коллегами опубликовали исследование, в котором рассматривается совершенно иная возможность: использование солнечного света и катализатора на основе железа для преобразования обычных пластиковых отходов непосредственно в уксусную кислоту — ключевой компонент уксуса и важное промышленное химическое вещество.

Вместо того чтобы рассматривать пластик исключительно как отходы, наши исследования показывают, что его можно превратить в нечто полезное в мягких условиях.

Учимся у дереворазрушающего гриба

Исследователи задались вопросом, может ли синтетический материал имитировать способность гриба, вызывающего белую гниль, расщеплять лигнин. (Unsplash+/Annie Spratt)

Вдохновение для нашего исследования мы черпали из природы. Гриб белой гнили ( Phanerochaete chrysosporium ) известен своей способностью расщеплять лигнин, один из самых прочных полимеров древесины. Он делает это с помощью ферментов, которые генерируют высокореактивные химические соединения, способные разрушать сложные углеродные структуры.

Мы задались вопросом, может ли синтетический материал имитировать эту стратегию.

Разработанный нами катализатор представляет собой легированный железом нитрид углерода — полупроводник, поглощающий видимый свет. Затем мы закрепили отдельные атомы железа, создав то, что ученые называют одноатомным катализатором .

Вместо образования наночастиц каждый атом железа изолирован и встроен в структуру нитрида углерода. Эта атомная точность имеет решающее значение. Каждый атом железа ведет себя как активный центр в природном ферменте, обеспечивая максимальную эффективность при сохранении стабильности.

Двухстадийная реакция, обусловленная воздействием света.

Система работает за счет каскада реакций, инициируемых светом.

Под воздействием солнечного света и в присутствии перекиси водорода центры железа активируют перекись, генерируя высокореактивные гидроксильные радикалы . Радикал — это атом, молекула или ион, имеющий по меньшей мере один неспаренный электрон. Это делает их высокореактивными в химической реакции.

Эти радикалы атакуют длинные углеродные цепи, из которых состоят пластмассы, такие как полиэтилен (используемый в пластиковых пакетах), полипропилен (пищевые контейнеры), ПЭТ (бутылки для напитков) и даже ПВХ (трубы и упаковка).

Полимеры постепенно окисляются и распадаются на более мелкие молекулы, в конечном итоге образуя диоксид углерода (CO₂).

Вместо того чтобы позволить CO₂ улетучиться, тот же катализатор выполняет вторую функцию: он использует солнечный свет для восстановления CO₂ до уксусной кислоты. Другими словами, углерод в пластиковых отходах сначала окисляется, а затем снова собирается в новую, ценную молекулу.

По сути, этот подход заключается в расщеплении пластика и преобразовании образовавшегося углерода в товарное химическое вещество в рамках одной системы. Это отличает его от большинства существующих технологий переработки.

Почему именно уксусная кислота?

Вэй Вэй, аспирант Университета Ватерлоо, возглавляющий исследование, работает в лаборатории над переработкой пластика. (Университет Ватерлоо)

Уксусная кислота наиболее известна как кислый компонент уксуса, но она также является важным промышленным сырьем. Она используется для производства клеев, покрытий, растворителей, синтетических волокон и фармацевтических препаратов.

Ежегодный мировой спрос исчисляется миллионами тонн, что представляет собой многомиллиардный рынок.

В настоящее время большая часть уксусной кислоты производится с помощью энергоемкого процесса, называемого карбонилированием метанола , при котором метанол реагирует с монооксидом углерода при высоких температурах.

Превращение отходов пластика в уксусную кислоту открывает потенциальный замкнутый цикл: вместо извлечения нового углерода мы повторно используем углерод, уже присутствующий в отходах.

В наших экспериментах система производила уксусную кислоту со скоростью, сопоставимой с другими описанными методами преобразования пластика под действием света. Когда мы увеличили использование света внутри реактора, скорость производства существенно возросла.

Важно отметить, что реакция протекала при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении. Это контрастирует со многими методами химической переработки, которые требуют нагревания пластмасс до нескольких сотен градусов Цельсия.

Работа с пластиком в реальных условиях

В лабораторных исследованиях часто основное внимание уделяется чистым, отдельным типам пластика. Однако реальные потоки отходов смешаны и загрязнены. Поэтому мы протестировали различные распространенные виды пластика по отдельности, а также в смесях.

Наш катализатор смог переработать несколько основных видов товарных пластмасс. Интересно, что ПВХ показал особенно высокие результаты. Мы полагаем, что хлор, выделяющийся в процессе его разложения, может генерировать дополнительные реактивные радикалы, ускоряя деградацию.

Атомы железа оставались равномерно распределенными даже после многократного использования, что свидетельствует о хорошей стабильности. Это важно, поскольку деградация катализатора или выщелачивание металла могут ухудшить как его рабочие характеристики, так и экологическую безопасность.

Система использует добавление перекиси водорода , которая расходуется в ходе реакции. Хотя перекись водорода разлагается на воду и кислород и считается относительно безвредной, в будущих исследованиях необходимо будет решить вопрос о том, как обеспечить ее устойчивое поступление в больших масштабах.

От концепции к практике

Превращение пластиковых отходов в полезные химические вещества позволяет рассматривать их не только как экологическую нагрузку, но и как источник углерода. (Фото AP/Франсиско Секо)

Масштабирование любого нового химического процесса сопряжено с трудностями. Проникновение света, конструкция реактора и изменчивость исходного сырья из отходов пластмассы — все это влияет на эффективность. Добавки в коммерческих пластмассах, такие как стабилизаторы, пигменты и пластификаторы, также могут влиять на результаты реакции.

Для оценки целесообразности мы провели предварительную технико-экономическую оценку . Это способ анализа потенциальных экономических выгод от промышленного процесса или продукта.

Хотя требуется дальнейшая оптимизация, наш анализ показывает, что сочетание очистки отходов с производством ценного химического вещества может помочь компенсировать затраты, особенно с учетом экологических преимуществ.

В более широком смысле, эта работа демонстрирует возможности катализаторов на основе отдельных атомов и биоинспирированного дизайна. Имитируя способ, которым ферменты контролируют реакционную способность в точно определенных металлических центрах, мы можем осуществлять сложные химические превращения в мягких условиях, используя солнечный свет в качестве источника энергии.

Переосмысление жизненного цикла пластика

Проблема загрязнения пластиком не будет решена с помощью одной технологии. Крайне важны сокращение ненужного использования пластика, улучшение дизайна продукции и укрепление систем переработки.

Превращение пластиковых отходов в полезные химические вещества предлагает дополнительную стратегию. Она позволяет рассматривать пластик не только как экологическую нагрузку, но и как источник углерода.

Если мы сможем эффективно и масштабно использовать солнечный свет для осуществления этих преобразований, вчерашняя выброшенная упаковка может стать завтрашним промышленным сырьем.

Задача сейчас состоит в том, чтобы преобразовать достижения наших лабораторий в надежные, масштабируемые системы. В случае успеха это станет шагом к более замкнутой экономике — экономике, где отходы — это не конец истории, а начало новой.