Американські дослідники з Північно-Західного університету та Університету Пердью розробили новий каталізатор на основі нікелю, який дозволяє переробляти змішані пластикові відходи без необхідності попереднього сортування чи очищення. Такий підхід може стати проривом у боротьбі з пластиковим забрудненням та значно підвищити ефективність переробки поліолефінів, до яких належать поліетилен і поліпропілен — основні компоненти одноразового пластику.
Про це розповідає ProIT
Складнощі переробки пластику та новий підхід
Пластикові відходи, що утворюються з побутових товарів і пакувань, надзвичайно важко утилізувати через міцні вуглець-вуглецеві зв’язки у поліолефінах. Ці полімери розкладаються надзвичайно повільно, залишаючись у довкіллі та на сміттєзвалищах десятиліттями, і навіть стають джерелом небезпечних мікрочастинок. Технологія переробки ускладнюється необхідністю ретельного сортування відходів: навіть невелика частка невідповідного полімеру може зіпсувати всю партію. Сортування — тривалий та складний процес, що суттєво знижує загальний рівень переробки пластику у світі. За даними звіту Nature за 2023 рік, щорічно виробляється понад 220 млн тонн поліолефінів, але на переробку потрапляє менше 10% відходів, а в окремих випадках — навіть менше 1%.
“Однією з найбільших перешкод у переробці пластику завжди була необхідність ретельного сортування пластикових відходів за типом. Наш новий каталізатор може обійти цей дорогий і трудомісткий етап переробки звичайних поліолефінів, зробивши переробку більш ефективною, практичною та економічно вигідною, ніж існуючі стратегії”, — зазначає старший автор дослідження Тобін Маркс.
Деталі роботи унікального каталізатора
Розроблений каталізатор є одноцентровою органонікелевою сполукою, закріпленою на «суперкислотному» носії із сульфатованого оксиду алюмінію. Під час лабораторних випробувань він перетворював маловартісні поліолефіни на рідкі олії та віск, котрі можна використовувати як мастильні матеріали, паливо чи навіть для виготовлення свічок. Його головною перевагою є здатність працювати із забрудненими та змішаними пластиковими відходами, зокрема такими, що містять полівінілхлорид (ПВХ).
На відміну від традиційних методів, наприклад, піролізу, який вимагає температури 400–700°C, новий каталізатор ефективно працює за 200°C, використовуючи водень для делікатного розриву вуглецевих зв’язків. Під час експериментів він перетворював майже весь ізотактичний поліпропілен на рідкі вуглеводні всього за 20 хвилин, демонструючи конверсію 16 грамів полімеру на грам каталізатора за годину.
Унікальною рисою є вибірковість каталізатора: він здатен розрізняти типи пластику у змішаних відходах, переробляючи поліпропілен і майже не впливаючи на поліетилен. Це перший випадок, коли вдалося досягти хімічного вибіркового сортування пластикових відходів.
Полівінілхлорид традиційно вважається проблемним для переробки через виділення соляної кислоти, яка шкодить обладнанню. Проте, як засвідчили дослідження, додавання ПВХ навіть покращило роботу каталізатора. Виявилося, що невелика кількість соляної кислоти, яка утворюється під час нагрівання, допомагає відновлювати кислотний носій і підвищує ефективність розриву вуглецевих зв’язків.
Серед недоліків нового каталізатора — чутливість до повітря і поступове зниження активності після кожного циклу використання. Проте відновити його можна завдяки спеціальній обробці на основі алюмінію. Результати дослідження вже опубліковано у журналі Nature Chemistry.
Принцип дії каталізатора на основі нікелю/Nature Chemistry