Мусор + Ученые

Обычное большое дерево за год может высосать из воздуха до 40 килограммов углекислого газа. Теперь ученые из Калифорнийского университета в Беркли утверждают, что они могут проделать ту же работу, используя менее половины килограмма пушистого желтого порошка.

Порошок был разработан таким образом, чтобы задерживать парниковый газ в своих микроскопических порах, а затем высвобождать его, когда он будет готов, чтобы спрятать его где-нибудь, где он не будет способствовать глобальному потеплению. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature, после 100 таких циклов материал все еще оставался в прекрасной форме.

«Он прекрасно работает», - сказал Омар Яги, химик-ретикулярщик из Калифорнийского университета в Беркли и старший автор исследования. «Основываясь на стабильности и поведении материала в данный момент, мы думаем, что он выдержит тысячи циклов».

Порошок, получивший название COF-999, может быть использован в крупномасштабных установках прямого улавливания воздуха, которые начинают вводиться в эксплуатацию для сокращения количества углерода в атмосфере.

По словам ученых, для того чтобы ограничить глобальное потепление до 2 градусов Цельсия по сравнению с доиндустриальным уровнем и предотвратить некоторые из самых страшных последствий изменения климата, необходимо удерживать концентрацию углекислого газа в атмосфере ниже 450 частей на миллион. Измерения, проведенные в обсерватории Мауна-Лоа на Гавайях, показывают, что уровень CO2 в настоящее время составляет около 423 частей на миллион.

Клаус Лакнер, директор-основатель Центра отрицательных выбросов углерода при Университете штата Аризона, согласен с тем, что прямой захват воздуха станет важным инструментом для поглощения углерода и охлаждения планеты, как только будут преодолены важные препятствия. По его словам, достижения нового исследования могут помочь в этом.

По словам руководителя исследования Зихуи Чжоу, химика-материаловеда, работающего над докторской диссертацией в Калифорнийском университете в Беркли, при рассмотрении под сканирующим электронным микроскопом порошок напоминает крошечные баскетбольные мячи с миллиардами отверстий.

Структуры удерживаются вместе с помощью одних из самых прочных химических связей в природе, включая те, которые превращают атомы углерода в алмазы. К каркасам прикреплены соединения, называемые аминами.

Когда воздух проходит через структуры, большинство его компонентов остаются нетронутыми. Но амины, которые являются основными, захватывают углекислый газ, который является кислотой.

Молекулы CO2 будут оставаться на месте до тех пор, пока ученые не ослабят их нагревом. Затем они смогут собрать их в вакуум, скорее всего, закачав глубоко под землю, сказал Чжоу.

Как только углекислый газ будет удален из порошка, весь процесс можно будет начать заново.

Чтобы проверить возможности COF-999 по очистке углерода, исследователи упаковали порошок в трубку из нержавеющей стали размером с соломинку и подвергали ее воздействию наружного воздуха Беркли в течение 20 дней подряд.

Когда порошок попадал в трубку, воздух Беркли содержал CO2 в концентрации от 410 до 517 частей на миллион. Когда он вышел с другой стороны, ученые не смогли обнаружить углекислого газа вообще, сказал Чжоу.

Члены команды продолжают вносить усовершенствования, и в ближайший год они планируют удвоить мощность установки.

Еще одним плюсом является то, что COF-999 ослабляет свою фиксацию CO2, если его нагреть примерно до 140 градусов по Фаренгейту. По словам Чжоу, аналогичные материалы необходимо нагревать до 250 градусов F, чтобы извлечь углерод.

Кроме того, порошок более прочный. По словам Чжоу, команда протестировала новую версию, которая проработала 300 циклов, после чего эксперимент был завершен.

«Если вы проработали 100 циклов и не заметили ухудшения, это говорит о том, что вы можете проработать тысячи циклов», - сказал он. «Сможете ли вы получить сотни тысяч циклов, мы не знаем».

По словам Чжоу, чтобы развернуть эту технологию в промышленных масштабах, потребуется создать некую большую металлическую коробку, через которую сможет проходить воздух, не выдувая весь порошок. Эти коробки должны быть сгруппированы в количествах, напоминающих современный химический или нефтяной завод. Версия COF-999 может быть готова к использованию в установках прямого захвата воздуха в течение двух лет.

Каталитический процесс, открытый исследователями Калифорнийского университета в Беркли, позволяет эффективно превращать полимеры в химические прекурсоры, делая круговую экономику для пластика еще на один шаг ближе к реальности.

Новый химический процесс позволяет, по сути, испарять пластики, которые сегодня доминируют в потоке отходов, и превращать их в углеводородные строительные блоки для новых пластиков.

Каталитический процесс, разработанный в Калифорнийском университете в Беркли, одинаково хорошо работает с двумя доминирующими типами пластиковых отходов после потребления: полиэтиленом, составляющим большинство одноразовых пластиковых пакетов, и полипропиленом, из которого делают твердые пластики, от посуды для микроволновой печи до багажа. Он также эффективно разлагает смесь этих видов пластика.

Если процесс будет расширен, он может помочь создать круговую экономику для многих видов пластика: пластиковые отходы будут превращаться обратно в мономеры, используемые для производства полимеров, что позволит сократить расход ископаемого топлива на производство новых пластиков. Прозрачные пластиковые бутылки для воды, изготовленные из полиэтилентетрафталата (ПЭТ), полиэстера, были разработаны в 1980-х годах для переработки таким образом. Но объем полиэфирных пластиков ничтожно мал по сравнению с полиэтиленовыми и полипропиленовыми пластиками, называемыми полиолефинами.

«Мы используем огромное количество полиэтилена и полипропилена в повседневных предметах, от пакетов для обедов до бутылок для хозяйственного мыла и кувшинов для молока - так много всего вокруг нас сделано из этих полиолефинов», - говорит Джон Хартвиг, профессор химии Калифорнийского университета в Беркли, возглавлявший исследование. «В принципе, мы можем взять эти предметы и вернуть их к исходному мономеру с помощью придуманных нами химических реакций, которые расщепляют обычно стабильные углерод-углеродные связи. Таким образом, мы приблизились к тому, чтобы придать полиэтилену и полипропилену такую же круговую форму, как и полиэфирам в бутылках для воды».

Хартвиг, аспирант Ричард Джей Конк, инженер-химик Алексис Белл, который является профессором Высшей школы Калифорнийского университета в Беркли, и их коллеги опубликуют детали каталитического процесса 29 августа в журнале Science.

Полиэтиленовые и полипропиленовые пластики составляют около двух третей всех пластиковых отходов, образующихся после потребления в мире. Около 80 % попадает на свалки, сжигается или просто выбрасывается на улицу, часто оказываясь в виде микропластика в ручьях и океане. Остальная часть перерабатывается в малоценный пластик, превращаясь в настилы, цветочные горшки и штопоры.

Чтобы уменьшить количество отходов, исследователи ищут способы превратить пластик в нечто более ценное, например, в мономеры, которые полимеризуются для производства новых пластиков. Это позволит создать круговую экономику полимеров, сократив необходимость производства новых пластмасс из нефти, которая выделяет парниковые газы.

Два года назад Хартвиг и его команда из Калифорнийского университета в Беркли разработали процесс разложения полиэтиленовых пакетов на мономер пропилен, который затем можно повторно использовать для производства полипропиленовых пластиков. В этом химическом процессе использовались три различных катализатора из тяжелых металлов: один добавлял двойную связь углерод-углерод в полиэтиленовый полимер, а два других разрывали цепь на этой двойной связи и многократно отщепляли атом углерода, превращая этилен в молекулы пропилена (C3H6), пока полимер не исчезал. Но катализаторы растворялись в жидкой реакции и были недолговечны, что затрудняло их восстановление в активной форме.

В новом процессе дорогие растворимые металлические катализаторы были заменены на более дешевые твердые, широко используемые в химической промышленности для непрерывных процессов, в которых катализатор используется повторно. Непрерывные процессы можно масштабировать, чтобы обрабатывать большие объемы материала.

Конк впервые экспериментировал с этими катализаторами после консультации с Беллом, экспертом по гетерогенным катализаторам, на факультете химической и биомолекулярной инженерии.

Синтезировав катализатор из натрия на глиноземе, Конк обнаружил, что он эффективно разрывает или расщепляет различные полиолефиновые полимерные цепи, оставляя один из двух фрагментов с реакционной углерод-углеродной двойной связью на конце. Второй катализатор, оксид вольфрама на диоксиде кремния, добавлял атом углерода на конце цепочки к газообразному этилену, постоянно проходящему через реакционную камеру, чтобы образовать молекулу пропилена. Последний процесс, называемый метатезисом олефинов, оставляет двойную связь, к которой катализатор может обращаться снова и снова, пока вся цепь не будет превращена в пропилен.

Такая же реакция происходит с полипропиленом, в результате чего образуется комбинация пропилена и углеводорода, называемого изобутиленом. Изобутилен используется в химической промышленности для производства полимеров - от футбольных мячей до косметики, а также для изготовления высокооктановых присадок к бензину.

Удивительно, но вольфрамовый катализатор оказался даже более эффективным, чем натриевый, при разрушении полипропиленовых цепей.

«Натрий не может быть намного дешевле», - говорит Хартвиг. А вольфрам - это металл с высоким содержанием земли, который используется в химической промышленности в больших масштабах, в отличие от наших катализаторов на основе рутения, которые были более чувствительными и более дорогими». Сочетание оксида вольфрама на кремнеземе и натрия на глиноземе - это все равно что взять два разных вида грязи и вместе разобрать всю полимерную цепочку, получив еще более высокий выход пропена из этилена и комбинацию пропена и изобутилена из полипропилена, чем мы получили с помощью тех более сложных и дорогих катализаторов».

Одно из ключевых преимуществ новых катализаторов заключается в том, что они позволяют избежать необходимости удаления водорода для образования разрывной углерод-углеродной двойной связи в полимере, что было характерно для предыдущего процесса исследователей по расщеплению полиэтилена. Такие двойные связи являются «ахиллесовой пятой» полимера, подобно тому, как реактивные связи углерод-кислород в полиэфире или ПЭТФ делают пластик более легким для переработки. Полиэтилен и полипропилен не имеют такой «ахиллесовой пяты» - их длинные цепочки одинарных углеродных связей очень прочны.

«Представьте себе полиолефиновый полимер как нитку жемчуга», - говорит Хартвиг. «Замочек на конце не дает им выпасть. Но если перерезать нить посередине, то теперь можно вынимать по одной жемчужине за раз».

Два катализатора вместе превратили почти равную смесь полиэтилена и полипропилена в пропилен и изобутилен - оба газа при комнатной температуре - с эффективностью почти 90 %. Для полиэтилена или полипропилена в отдельности выход был еще выше.

Конк добавлял в реакционную камеру пластиковые добавки и различные виды пластмасс, чтобы посмотреть, как на каталитические реакции влияют загрязняющие вещества. Небольшое количество этих примесей почти не влияло на эффективность конверсии, но небольшое количество ПЭТ и поливинилхлорида - ПВХ - значительно снижало эффективность. Однако это может и не быть проблемой, поскольку методы переработки уже разделяют пластик по типам.

Хартвиг отметил, что, хотя многие исследователи надеются переработать пластик с нуля, чтобы его можно было легко использовать повторно, сегодняшние трудноперерабатываемые пластики будут оставаться проблемой в течение десятилетий.

«Можно спорить о том, что нам следует отказаться от полиэтилена и полипропилена и использовать только новые круговые материалы. Но мир не пойдет на это в течение десятилетий и десятилетий. Полиолефины дешевы, и у них хорошие свойства, поэтому все их используют», - говорит Хартвиг. Люди говорят, что если бы мы смогли найти способ сделать их круглыми, это было бы очень важно, и именно это мы и сделали». Можно представить себе коммерческую установку, которая будет это делать».

Сотрудники Кроноцкого заповедника провели исследование морского мусора, который выносит вода на побережья Кроноцкого заповедника и Южно-Камчатского федерального заказника. Оказалось, что 85% мусора в Кроноцком заповеднике составляют пластиковые отходы, а в Южно-Камчатском заказнике — от 79% до 81%.

Исследования длились два года. В ходе них ученые выяснили, что основными видами мусора на обоих участках являются упаковка и рыболовное снаряжение. В Южно-Камчатском заказнике наибольшую массу мусора составляют рыболовные сети и другие снасти (41–60%) и обработанная древесина (12–47%). Также значительная часть отходов связана с промышленным рыболовством.

Несмотря на то, что обследованные территории считаются довольно чистыми, плотность морского мусора в Южно-Камчатском заказнике в среднем в 5,5 раз выше, чем в Кроноцком заповеднике. Некоторые участки Южно-Камчатского заказника можно отнести к умеренно загрязненным.

Морской мусор представляет серьезную угрозу для морских животных, вызывая удушение, порезы, инфекции и даже смерть. Ученые продолжают исследовать проблему, чтобы понять, как уменьшить негативное влияние мусора на прибрежные экосистемы.

72-летний Виктор Степанович из города Тара Омской области нашел необычное хобби — создание панно из пластиковых крышечек. Его первые работы украсили фасад собственного дома, на которых изображены лошади, лебедь, лев и церковь. Это занятие не только скрасило его время, но и помогло справиться с последствиями инсульта.

Идея создания панно пришла к Виктору Степановичу случайно, когда он заметил кучу пластиковых бутылок на ближайшей свалке. Собрав первую партию крышек, он вовлек в процесс и своих внуков.

«Я отмываю крышечки, чтобы убрать рисунки. Изучил схемы из журналов, которые выписывала моя жена. Затем рассчитываю количество крышечек и расчерчиваю схему на полотне», — делится пенсионер.

За несколько месяцев работы ему удалось собрать тысячи пробок. Он самостоятельно прикрепляет каждую крышечку с помощью тонких гвоздей, украшая не только дом, но и забор, входную дверь и ворота. Полотно пенсионер может создать за один день, но иногда работа занимает до недели.

Жена Виктора Степановича, Любовь Геннадьевна, стала его главной вдохновительницей, предложив использовать творчество как способ восстановления после инсульта.

Панголины уже копаются в грязи, так почему бы им не заняться посадкой деревьев? Обучить их будет довольно сложно, поэтому ученица калифорнийской школы по имени Дороти разработала робота, вдохновленного панголином, который будет копать и сажать деревья.

Биоинспирированный робот, получивший название Plantolin, стал последним победителем ежегодного конкурса Natural Robotics Contest, который проводится Университетом Суррея и финансируется Британским экологическим обществом.

В двух словах, конкурс приглашает людей со всего мира представить свои идеи роботов, вдохновленных природой, которые способны помочь планете. Победившая концепция превращается в реально действующий прототип, созданный одним или несколькими исследовательскими институтами-партнерами.

В случае с Plantolin таким партнером стал Университет Суррея. Предыдущим победителем стала роботизированная рыба, которая отфильтровывает из воды частицы микропластика.

Подобно тому, как панголин передвигается на двух задних лапах, Plantolin балансирует на двух колесах. Каждое колесо приводится в движение электродвигателем беспилотного квадрокоптера. Длинный хвост поднимается как противовес, когда робот передвигается по земле, но наклоняется вниз, чтобы обеспечить рычаг, когда робот останавливается, чтобы начать копать.

Копание осуществляется двумя моторизованными передними лапами. Эти ноги оснащены когтями, которые остаются на месте, когда зачерпывают почву, но пассивно отгибаются назад, когда их тянут вперед, чтобы сделать еще один зачерп.

После того как яма выкопана, Plantolin проезжает по ней, высыпая в яму семена тисового дерева.

«Восстановление лесов путем посадки большего количества деревьев необходимо для устойчивого развития нашей планеты», - говорит Дороти. «Панголины проводят много времени, копаясь в земле, поэтому я подумала, что робот-сажальщик, вдохновленный поведением панголина, будет очень естественным».