Naukowcy z University of Cambridge opracowali rewolucyjny proces “w jednym naczyniu”, który przekształca trudne do recyklingu odpady z tworzyw sztucznych w czyste paliwo wodorowe i cenne chemikalia przemysłowe. Łącząc energię słoneczną z kwasem siarkowym odzyskanym z wycofanych z eksploatacji akumulatorów samochodowych, metoda ta rozwiązuje jednocześnie dwa główne problemy środowiskowe: zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi i nieefektywny recykling akumulatorów kwasowo-ołowiowych.
Badanie, opublikowane w czasopiśmie * Joule*, demonstruje cykliczny system recyklingu, który nie tylko rozkłada plastik, ale także przekształca go w użyteczne produkty, oferując zrównoważoną alternatywę dla tradycyjnej produkcji wodoru na bazie paliw kopalnych.
Problem recyklingu tworzyw sztucznych
Globalna skala odpadów z tworzyw sztucznych jest zdumiewająca. Tylko w 2025 r.na świecie wyprodukowano ponad 440 milionów ton amerykańskich (400 milionów ton metrycznych) odpadów z tworzyw sztucznych. Pomimo tej objętości, naprawdę przerobiono * * mniej niż 10%**.
Główną przeszkodą jest różnorodność rodzajów tworzyw sztucznych. Chociaż popularne gatunki, takie jak polipropylen i polietylen, można stopić i przekształcić, inne wymagają skomplikowanego rozkładu chemicznego. Do tej kategorii należą polimery polikondensacyjne, takie jak:
* * * Politereftalan etylenu (PET):** stosowany w opakowaniach do żywności i napojów.
* * * Poliuretan (PU): * * stosowany w piance do siedzeń, pościeli i izolacji.
* * * Nylon: * * syntetyczny polimer stosowany w tekstyliach i tworzywach sztucznych.
Materiały te powstają w wyniku reakcji chemicznych uwalniających wodę, co tworzy długie łańcuchy polimerowe. Aby je przetworzyć, konieczne jest ponowne wprowadzenie wody w celu zerwania tych wiązań — proces zwany hydrolizą, który uwalnia oryginalne bloki budulcowe lub monomery.
Dwuetapowe rozwiązanie w jednym reaktorze
Zespół Uniwersytetu Cambridge, kierowany przez badacza Kaya Kwartena, postawił sobie za cel wyjście poza zwykłą redukcję monomerów. Opracowali system pojedynczego reaktora, który łączy * * depolimeryzację plastiku * * i * * wytwarzanie wodoru**.
Krok 1: Rozkład plastiku
Proces rozpoczyna się od plastikowych butelek PET, które są mielone na drobny proszek i rozpuszczane w stężonym kwasie siarkowym. Mieszaninę ogrzewa się do * * 140°C (284 ° F)**, co powoduje hydrolizę. To rozkłada PET na dwa cenne monomery:
1. ** Kwas tereftalowy: * * wytrąca się z roztworu podczas tworzenia.
2. ** Glikol etylenowy: * * pozostaje w kwaśnej cieczy.
Krok 2: generowanie wodoru ze zużytego kwasu
Tradycyjnie produkcja wodoru z glikolu etylenowego wymaga warunków alkalicznych. Naukowcy stanęli jednak w obliczu ograniczenia: chcieli użyć kwasu siarkowego pochodzącego z * * przetworzonych akumulatorów samochodowych**. Obecnie recykling akumulatorów samochodowych wydobywa tylko ołów, a kwas pozostaje jako odpad.
Aby zrealizować ten pomysł, zespół opracował nowy * * katalizator molibdenowy * * stabilny w środowisku kwaśnym. Pod wpływem światła słonecznego katalizator ten utlenia glikol etylenowy. Ta reakcja uwalnia elektrony, które przekształcają protony z kwasu w gaz wodorowy. Pozostały glikol etylenowy przekształca się w kwas octowy.
“Kwas siarkowy jest składnikiem akumulatorów samochodowych, ale ich recykling wydobywa tylko część ołowianą” — wyjaśnił Kaye Kwarten. “Możemy wyodrębnić kwas akumulatorowy i użyć go zamiast nowego. To stanowi silny argument za zrównoważonym rozwojem”.
Poza Wodorem: zastosowania przemysłowe
Chociaż wodór i kwas octowy są mniej cenne niż oryginalny monomer glikolu etylenowego, proces ten oferuje wszechstronną platformę dla innych reakcji chemicznych. Profesor Erwin Reisner, współautor badania, podkreślił potencjał * * uwodornienia * * – krytycznego procesu przemysłowego, który zwykle opiera się na wodorze pochodzącym z paliw kopalnych.
W kolejnym badaniu opublikowanym w Angewandte Chemie International Edition naukowcy wykazali, że system ten może uwodorniać substraty zawierające azot do farmaceutycznych elementów budulcowych. Wykorzystując odpady z tworzyw sztucznych jako źródło wodoru zamiast paliw kopalnych, ślad węglowy tych reakcji jest zmniejszony o połowę.
Wyzwania i perspektywy przyszłości
Wykorzystanie kilku zasobów wtórnych-odpadów z tworzyw sztucznych, kwasu akumulatorowego i energii słonecznej — jest innowacyjne. Komercjalizacja napotyka jednak przeszkody. Amit Kumar, badacz katalityki Z Saint-Andrews University, zauważył, że chociaż nauka wygląda obiecująco, etap fotochemiczny może być trudny do skalowania do zastosowań przemysłowych.
Zespół z University of Cambridge pracuje teraz nad dostosowaniem procesu do * * reaktorów przepływowych**, które umożliwiają ciągłą konwersję reagentów na produkty, zamiast stosowania przetwarzania wsadowego. Jeśli się powiedzie, technologia ta może zapewnić skalowalną, niskoemisyjną metodę produkcji podstawowych chemikaliów i paliw, przekształcając dwa najbardziej trwałe strumienie odpadów na świecie w cenne zasoby.
Zawarcie
Ten innowacyjny proces stanowi znaczący krok w kierunku gospodarki o obiegu zamkniętym, udowadniając, że odpady z tworzyw sztucznych i zużyty kwas akumulatorowy można przekształcić w czystą energię i prekursory farmaceutyczne. Integrując energię słoneczną i odczynniki pochodzące z odpadów, technologia oferuje zrównoważoną drogę do zmniejszenia zależności od paliw kopalnych przy jednoczesnym zwalczaniu globalnego zanieczyszczenia tworzywami sztucznymi.
