Всем известно, что один пластиковый пакет разлагается около тысячи лет, а на свалку их ежедневно поступают чуть ли не тонны.
Ученые Китайской академии наук и Калифорнийского университета разработали процесс, который не только расщепляет пластик, но и превращает его в топливо. Исследователи пока сконцентрировали свои усилия на полиэтилене. Ежегодно на земле производится 100 млн тонн полиэтилена, а затем большая часть этого объема (95%) выбрасывается после однократного использования. Все эти бутылки и пакеты оказываются не только на свалках, но и в океане. Если ситуация не изменится, то к 2025 году на каждые 3 тонны рыбы там будет плавать по тонне пластикового мусора.
Существующими на сегодняшний день технологиями расщепить этот объем полиэтилена весьма проблематично. Но ученые разработали более устойчивый и контролируемый процесс, в результате которого образуются такие продукты распада, которые можно использовать. При помощи различных катализаторов полиэтилен постепенно расщепляется на такие составляющие как бутан (горючий газ, безопасный для окружающей среды, использующийся, к примеру, в составе смеси для зажигалок), воск (который можно использовать для производства нового пластика) и дизельное топливо.
Дальше идет информация, для понимающих в химии, для остальных скажу главное. Пока процесс расщепления длится три дня и требует нагрева полиэтилена до 175 градусов Цельсия. Для сравнения — сейчас единственный способ расщепить этот материал — нагреть его до 400 градусов, но это во-первых дорого, во-вторых, в этом случае он распадается на такие компоненты, которые не представляется возможным как-то использовать в дальнейшем.
Молекулы полиэтилена представляют собой длинные и, часто, разветвленные углеводородные цепочки —(CH2—CH2)n—. В одной молекуле коммерческого пластика, из которого состоят бутылки и пакеты, может быть от сотен до десятков тысяч атомов углерода. Бензин, дизельное топливо и мазут тоже представляет собой смесь углеводородов, молекулы которых, в свою очередь, состоят из 7-21 атомов углерода. Поэтому создав способ эффективно «укорачивать» полиэтилен, химики получат возможность перерабатывать вторсырье в топливо.
Авторы новой работы предлагают такой способ, основанный на комбинации трех классических реакций углеводородов — дегидрировании, метатезисе и гидрировании. Дегидрирование — процесс отрыва молекулы водорода от углеводородного каркаса, в результате этого процесса одинарные связи —CH2—CH2— превращаются в двойные —CH=CH—. Гидрирование — обратный ему процесс, превращающий кратные связи в одинарные путем присоединения водорода. В полиэтилене кратных связей практически нет.
Ключевой реакцией, уменьшающей количество атомов в углеродной цепи, является реакция метатезиса. В нее вступают лишь молекулы, обладающие кратными связями. Суть метатезиса заключается в следующем: к специальному веществу-катализатору присоединяются две молекулы, содержащие двойные связи, их можно представить себе в виде цепочек, синей и красной. Катализатор перераспределяет двойные связи, сначала «склеивая» между собой цепочки (образуется квадрат из атомов углерода), а затем разрывая стороны квадрата. В результате мы получаем две новые красно-синие цепочки.
Если предположить, что красная цепочка была длинной — 1000 атомов углерода, а синяя короткой — всего 10, то в результате метатезиса образуются две цепочки по 505 атомов. Добавив избыточное количество коротких цепочек (на порядки больше, чем длинных), последовательные реакции метатезиса приведут к постепенному уменьшению средней длины цепочек.
Каждая из этих реакций требует своего катализатора. Так, гидрирование и дегидрирование идет на иридиевых комплексных катализаторах, в промышленном метатезисе используется оксид рения, нанесенный на окись алюминия. В экспериментах, поставленных в новой работе, химики смешивали в лабораторном реакторе оба катализатора с полиэтиленом и н-октаном, углеводородом, состоящим из 8 атомов углерода и 18 атомов водорода.
На первой стадии процесса полиэтилен и октан подвергались дегидрированию — образовывались двойные связи. Затем происходила реакция метатезиса и гидрирование ее продуктов.
Смесь нагревали до 175°C и оставляли на три дня. В случае низкомолекулярного полиэтилена (около 120 атомов углерода в цепи) авторам удалось снизить длину цепей до 20-40 атомов в цепочке и менее. Важно отметить, что метатезис может происходить и между молекулами октана. Аналогичным образом химики провели еще несколько экспериментов, в частности, вводя во взаимодействие обычный промышленный полиэтилен и петролейный эфир.
Полное исследование можно почитать тут.
