Вчені з Кембриджського університету розробили революційний процес “в одному посуді”, який перетворює складні для переробки пластикові відходи в чисте водневе паливо і цінні промислові хімікати. Поєднуючи сонячну енергію з сірчаною кислотою, витягнутою зі списаних автомобільних акумуляторів, цей метод вирішує відразу дві великі екологічні проблеми: забруднення пластиком і неефективну переробку свинцево-кислотних батарей.
Дослідження, опубліковане в журналі * Joule*, демонструє циклічну систему переробки апсиклінгу, яка не тільки розкладає пластик, але і перетворює його на корисні продукти, пропонуючи стійку альтернативу традиційному виробництву водню на основі викопного палива.
Проблема переробки пластику
Глобальні масштаби пластикових відходів вражають. Тільки за 2025 рік у світі було вироблено понад 440 мільйонів американських тонн * * (400 мільйонів метричних тонн) пластикових відходів. Незважаючи на такий обсяг, реально перероблено було менше 10%**.
Головною перешкодою є різноманітність типів пластика. Хоча поширені види, такі як поліпропілен і поліетилен, можна розплавити і переформувати, інші вимагають складного хімічного розкладання. До цієї категорії належать поліконденсаційні полімери, такі як:
* * * Поліетилентерефталат (ПЕТ): використовується в упаковці для продуктів харчування та напоїв.
* * * Поліуретан (ПУ): застосовується в піні для сидінь, постільних приналежностях та ізоляції.
* * * Нейлон: * * синтетичний полімер, що використовується в текстилі та пластмасах.
Ці матеріали утворюються в ході хімічних реакцій, що виділяють воду, що створює довгі полімерні ланцюги. Для їх переробки необхідно повторно ввести воду для розриву цих зв’язків-процес, званий гідролізом, який вивільняє вихідні будівельні блоки, або мономери.
Двоступеневе рішення в одному реакторі
Команда Кембриджського університету під керівництвом дослідника Кей Квартена поставила за мету вийти за рамки простого відновлення мономерів. Вони розробили систему з одним реактором, яка поєднує деполімеризацію пластику та генерацію водню.
Крок 1: розкладання пластику
Процес починається з пластикових пляшок з ПЕТ, які подрібнюють у дрібний порошок і розчиняють у концентрованій сірчаній кислоті. Суміш нагрівають до * * 140°C (284°F)**, що запускає гідроліз. Це розкладає ПЕТ на два цінні мономери:
1. ** Терефталева кислота: * * випадає в осад з розчину в міру утворення.
2. ** Етиленгліколь: * * залишається в кислотній рідині.
Крок 2: генерація водню з відпрацьованої кислоти
Традиційно виробництво водню з етиленгліколю вимагає лужних умов. Однак дослідники зіткнулися з обмеженням: вони хотіли використовувати сірчану кислоту, отриману з перероблених автомобільних акумуляторів. В даний час при переробці автомобільних батарей витягується тільки свинець, а кислота залишається в якості відходів.
Щоб реалізувати цю ідею, команда розробила новий * * молібденовий каталізатор, стабільний у кислому середовищі. Під впливом сонячного світла цей каталізатор окислює етиленгліколь. Ця реакція вивільняє електрони, які перетворюють протони з кислоти в водневий газ**. Що залишився етиленгліколь перетворюється в оцтову кислоту.
“Сірчана кислота є компонентом автомобільних акумуляторів, але при їх переробці витягується тільки свинцева частина», — пояснив Кей Квартен. “Ми можемо витягти акумуляторну кислоту і використовувати її замість нової. Це робить сильний аргумент на користь сталого розвитку”.
За межами водню: промислові застосування
Хоча водень та оцтова кислота менш цінні, ніж оригінальний мономер етиленгліколю, цей процес пропонує універсальну платформу для інших хімічних реакцій. Професор Ервін Рейснер, співавтор дослідження, підкреслив потенціал для * * гідрування * * – критичного промислового процесу, який зазвичай покладається на водень, отриманий з викопного палива.
У подальшому дослідженні, опублікованому в * Angewandte Chemie International Edition, дослідники продемонстрували, що ця система може гідрувати азотовмісні субстрати до фармацевтичних будівельних блоків . Використовуючи пластикові відходи як джерело водню замість викопного палива, вуглецевий слід цих реакцій зменшується вдвічі *.
Виклики та перспективи майбутнього
Використання декількох вторинних ресурсів-пластикових відходів, акумуляторної кислоти та сонячної енергії — є інноваційним. Однак комерціалізація стикається з перешкодами. Аміт Кумар, дослідник каталітики з Університету Сент-Ендрюса, зазначив, що, хоча наука виглядає багатообіцяючою, фотохімічний етап може бути важко масштабованим для промислового використання.
Команда Кембриджського університету зараз працює над адаптацією процесу для проточних реакторів, які дозволяють безперервно перетворювати реагенти в продукти, а не використовувати пакетну обробку. У разі успіху ця технологія може забезпечити масштабований, низьковуглецевий метод виробництва основних хімікатів і палив, перетворюючи два найстійкіших потоку світових відходів в цінні ресурси.
Укладення
Цей інноваційний процес являє собою значний крок до економіки замкнутого циклу, доводячи, що пластикові відходи і відпрацьована акумуляторна кислота можуть бути трансформовані в чисту енергію і фармацевтичні прекурсори. Інтегруючи сонячну енергію і реагенти, отримані з відходів, технологія пропонує стійкий шлях зниження залежності від викопного палива при одночасній боротьбі з глобальним забрудненням пластиком.
