Новая технология позволяет перерабатывать ПЭТ, полиэтилен и полипропилен в одном реакторе, удерживая большую часть содержащегося в пластике углерода в твёрдых и жидких соединениях.
Учёные из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и женского университета Ихва в Южной Корее разработали химический процесс, позволяющий получать водород из смеси распространённых пластиковых отходов без их предварительного разделения по типам. Результаты лабораторного исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Технология рассчитана на одновременную переработку полиэтилентерефталата — ПЭТ, полиэтилена и полипропилена. Эти материалы широко используются при производстве бутылок, упаковки, пакетов, бытовых изделий и автомобильных деталей, но из-за различий в химическом составе обычно требуют раздельной сортировки и разных способов переработки.
В основе метода лежит щелочная термическая обработка. Пластиковое сырьё нагревают в присутствии гидроксида натрия, который участвует в разложении полимеров и связывает высвобождающийся углерод. В экспериментах доля водорода в полученном газе превышала 90%.
ПЭТ вступал в реакцию сравнительно легко. Полиэтилен и полипропилен оказались более устойчивыми, поскольку состоят преимущественно из химически прочных углерод-водородных связей. Для их активации исследователи добавили предварительную стадию мягкого окислительного нагрева на воздухе. Она создаёт в полимерных цепях более реакционноспособные участки, после чего пластик эффективнее разлагается при щелочной обработке.
Процесс проходит при температуре на 300−400 градусов Цельсия ниже, чем традиционная паровая газификация пластиковых отходов. Газификация позволяет работать со смешанным сырьём, но требует сильного нагрева и сопровождается образованием значительного количества углекислого газа.
В новой системе гидроксид натрия связывает часть углерода с образованием карбоната натрия. По результатам анализа, более 75% углерода, изначально содержащегося в пластике, сохранилось в стабильных карбонатных соединениях или жидких органических остатках. Менее 13% перешло в газовую фазу, а непосредственное выделение углерода в атмосферу во время реакции исследователи назвали незначительным.
Полученный карбонат натрия можно дополнительно преобразовать в карбонат кальция — устойчивое минеральное соединение, используемое в строительстве и промышленности. Таким образом, технология предполагает не только производство водорода, но и удержание части углерода пластика в твёрдой форме.
Авторы отмечают, что другие низкотемпературные способы получения водорода из пластиков, включая фотохимические и электрохимические процессы, обычно применимы главным образом к кислородсодержащим полимерам, таким как ПЭТ. Разработанный метод позволяет дополнительно перерабатывать полиэтилен и полипропилен — одни из наиболее массовых компонентов пластиковых отходов.
При этом технология пока испытана только в лабораторных условиях. Исследователям предстоит оценить расход гидроксида натрия и энергии, возможность возврата реагентов в производственный цикл, обращение с жидкими остатками и итоговую себестоимость водорода. Без полного анализа жизненного цикла нельзя окончательно определить углеродный баланс процесса и его преимущества перед другими способами переработки.
На следующем этапе учёные намерены оптимизировать технологию и проверить возможность её масштабирования. Потенциально она может снизить затраты на сортировку пластиковых отходов и одновременно создать дополнительный источник водорода, однако о готовности к промышленному внедрению пока говорить рано.
