Химическая переработка пластика поможет нам избавится от отходов?
Ежегодно в мире образуются сотни миллионов тонн пластиковых отходов. Ученые неустанно работают над новыми методами переработки значительной части этих отходов в высококачественную продукцию, что позволит создать настоящую круговую экономику. Однако существующие методы переработки не позволяют достичь этой цели. Большинство пластиковых отходов перерабатывается механическим способом: измельчается, а затем переплавляется. Хотя в результате этого процесса и получаются новые пластиковые изделия, их качество ухудшается с каждым этапом переработки.
Альтернатива этому — химическая переработка, которая позволяет избежать потери качества. Этот метод предполагает расщепление длинноцепочечных молекул пластика (полимеров) на их фундаментальные строительные блоки (мономеры), которые могут быть вновь собраны в новые высококачественные пластики, создавая по-настоящему устойчивый цикл.
По мере развития подхода к химической переработке отходов основное внимание уделяется расщеплению длинных полимерных цепочек на более короткие молекулы, которые могут быть использованы в качестве жидкого топлива, скажем, или смазочных материалов. Таким образом, пластиковые отходы получают вторую жизнь в качестве бензина, реактивного топлива или моторного масла. Ученые из ETH Zurich заложили важные основы для развития этого процесса. Это позволит мировому научному сообществу более целенаправленно и эффективно заниматься развитием переработки отходов.
Исследователи из группы под руководством Хавьера Переса-Рамиреса, профессора инженерного катализа, изучали, как расщепить полиэтилен и полипропилен с помощью водорода. Здесь также первым шагом является расплавление пластика в стальном резервуаре. Затем в расплавленный пластик вводится газообразный водород. Важным этапом является добавление порошкообразного катализатора, содержащего такие металлы, как рутений. Тщательно подобрав подходящий катализатор, исследователи могут повысить эффективность химической реакции, способствуя образованию молекул с определенной длиной цепи и сводя к минимуму количество побочных продуктов, таких как метан или пропан.
«Расплавленный пластик в тысячу раз гуще меда. Главное - как перемешать его в резервуаре, чтобы порошок катализатора и водород смешались», - объясняет Антонио Хосе Мартин, ученый из группы Переса-Рамиреса. Проведя эксперименты и компьютерное моделирование, исследовательская группа показала, что пластик лучше всего перемешивается с помощью крыльчатки с лопастями, параллельными оси. По сравнению с пропеллером с наклонными лопастями или турбинной мешалкой, это обеспечивает более равномерное перемешивание и меньшее количество вихрей в потоке. Скорость перемешивания также имеет решающее значение. Она не должна быть ни слишком медленной, ни слишком быстрой; идеальная скорость - около 1 000 оборотов в минуту.
Исследователи успешно разработали математическую формулу для описания всего процесса химической переработки со всеми его параметрами. «Мечта любого инженера-химика - иметь под рукой подобную формулу для своего процесса», - говорит Перес-Рамирес. Теперь все ученые в этой области исследований могут точно рассчитать влияние геометрии и скорости вращения мешалки.
Благодаря этой формуле будущие эксперименты могут быть направлены на прямое сравнение различных катализаторов с контролем влияния перемешивания. Кроме того, разработанные здесь принципы являются ключевыми для масштабирования технологии от лаборатории до крупных перерабатывающих заводов. «Но пока мы по-прежнему сосредоточены на исследовании лучших катализаторов для химической переработки пластмасс», - говорит Мартин.
Это исследование было проведено при поддержке NCCR Catalysis, Национального центра компетенции в области исследований.