Неожиданный новый способ переработки – ученые превращают пластиковые отходы в мыло
Исследователи разработали новый метод переработки пластика, например, пакетов из-под молока, пищевых контейнеров и полиэтиленовых пакетов, в мыло. Метод заключается в следующем: Нагрейте длинные углеродные цепочки в пластике, затем быстро охладите их.
Исследователи из Virginia Tech разработали новую технологию переработки пластмасс в ценные химические вещества, называемые поверхностно-активными, которые используются для производства мыла, моющих средств и т.д.
Пластмассы и мыло, как правило, имеют мало общего по текстуре, внешнему виду и, главное, по способу применения. Однако на молекулярном уровне между ними существует удивительная связь: Химическая структура полиэтилена – одного из самых распространенных в мире пластиков – поразительно похожа на структуру жирной кислоты, которая используется в качестве химического предшественника мыла. Оба материала состоят из длинных углеродных цепочек, но жирные кислоты имеют дополнительную группу атомов в конце цепи.
Гуолян “Грег” Лю, доцент кафедры химии Научного колледжа Вирджинского технологического института, уже давно считал, что это сходство предполагает возможность превращения полиэтилена в жирные кислоты – и с несколькими дополнительными этапами процесса – для производства мыла. Проблема заключалась в том, как разбить длинную цепь полиэтилена на множество коротких – но не слишком коротких – цепей и как сделать это эффективно. Лю полагал, что существует потенциал для создания нового метода переработки, позволяющего использовать малоценные пластиковые отходы и превращать их в высокоценный полезный товар.
Некоторое время размышляя над этим вопросом, Лю вдохновился, наслаждаясь зимним вечером у камина. Он наблюдал за поднимающимся от огня дымом и думал о том, что дым состоит из мельчайших частиц, образующихся при сгорании древесины.
Хотя по соображениям безопасности и защиты окружающей среды пластики никогда не следует сжигать в камине, Лю начал задумываться о том, что произойдет, если полиэтилен удастся сжечь в безопасных лабораторных условиях. Будет ли при неполном сгорании полиэтилена образовываться “дым”, как при горении дерева? Если бы кто-то смог уловить этот дым, из чего бы он состоял?
“Дрова в основном состоят из полимеров, таких как целлюлоза. При сгорании дров эти полимеры распадаются на короткие цепочки, а затем на небольшие газообразные молекулы до полного окисления до углекислого газа”, – говорит Лю, обладатель стипендии Блэквуда младшего факультета наук о жизни химического факультета. “Если аналогичным образом расщепить молекулы синтетического полиэтилена, но остановить процесс до того, как они полностью распадутся на мелкие газообразные молекулы, то мы должны получить короткоцепочечные молекулы, похожие на полиэтилен”.
С помощью Чжена Сю и Эрика Муньянезы, двух аспирантов-химиков из лаборатории Лю, Лю построил небольшой реактор, похожий на печь, в котором можно нагревать полиэтилен в процессе, называемом термолизом с градиентом температуры. В нижней части печи поддерживается достаточно высокая температура, чтобы разрушить полимерные цепи, а в верхней части печь охлаждается до достаточно низкой температуры, чтобы остановить дальнейшее разрушение. После термолиза они собрали остатки, похожие на сажу из дымохода, и обнаружили, что догадка Лю оказалась верной: они состояли из “короткоцепочечного полиэтилена”, или, точнее, восков.
По словам Лю, это был первый шаг в разработке метода переработки пластмасс в мыло. Добавив еще несколько этапов, в том числе омыление, команда создала первое в мире мыло из пластика. Для продолжения работы группа привлекла специалистов в области вычислительного моделирования, экономического анализа и т.д.
Некоторые из этих специалистов были представлены группе благодаря связям с Институтом инноваций в области макромолекул при Вирджинском технологическом институте. Совместными усилиями группа документировала и дорабатывала процесс переработки, пока он не был готов к представлению научному сообществу. Результаты работы были недавно опубликованы в журнале Science.
“Наше исследование демонстрирует новый путь переработки пластика без использования новых катализаторов и сложных процедур. В этой работе мы продемонстрировали потенциал тандемной стратегии переработки пластика”, – говорит Сюй, ведущий автор статьи. “Это поможет людям в будущем разрабатывать более творческие проекты по переработке пластика”.
Несмотря на то, что полиэтилен – это пластик, послуживший источником вдохновения для данного проекта, метод переработки может быть использован и для другого типа пластика, известного как полипропилен. Эти два материала составляют большую часть пластика, с которым потребители сталкиваются каждый день, – от упаковки для продуктов, пищевых контейнеров до тканей. Одна из интересных особенностей нового метода переработки, разработанного Лю, заключается в том, что он может применяться сразу для двух этих видов пластика, т.е. нет необходимости отделять их друг от друга. Это существенное преимущество по сравнению с некоторыми используемыми сегодня методами переработки, которые требуют тщательной сортировки пластмасс во избежание их загрязнения. Такая сортировка может быть достаточно сложной, поскольку эти два пластика очень похожи друг на друга.
Еще одно преимущество метода переработки заключается в том, что он требует очень простых условий: пластика и тепла. Хотя на последующих стадиях процесса для превращения молекул воска в жирные кислоты и мыло требуются дополнительные ингредиенты, первоначальная трансформация пластика представляет собой простую реакцию. Это обусловливает экономическую эффективность метода, а также его сравнительно небольшое воздействие на окружающую среду.
Для того чтобы переработка была эффективной в широких масштабах, конечный продукт должен быть достаточно ценным, чтобы покрыть затраты на процесс и сделать его экономически более привлекательным по сравнению с альтернативными вариантами утилизации.
Хотя на первый взгляд мыло может показаться не слишком дорогим товаром, на самом деле его стоимость может вдвое-втрое превышать стоимость пластмасс при сравнении по весу. В настоящее время средняя цена мыла и моющих средств составляет около 3 550 долл. за метрическую тонну, а полиэтилена – около 1 150 долл. за метрическую тонну. Кроме того, спрос на мыло и сопутствующие продукты сопоставим со спросом на пластмассы.
По словам Лю, это исследование закладывает основу для нового способа сокращения отходов путем направления использованных пластмасс на производство других полезных материалов, таких как дозаторы для жидкого мыла. Он надеется, что со временем перерабатывающие предприятия по всему миру начнут внедрять эту технологию. Если это произойдет, то потребители смогут приобрести революционные экологически чистые мыльные продукты, которые также приведут к уменьшению количества пластиковых отходов на свалках.
По этой причине превращение пластмасс в мыло может быть признано экономически целесообразным, добавил Лю, который также является аффилированным преподавателем программы нанонауки, входящей в Академию комплексного естествознания Научного колледжа, а также факультета материаловедения и инженерии Инженерного колледжа Вирджинии.
“Следует понимать, что загрязнение окружающей среды пластиком – это глобальная проблема, а не проблема нескольких ведущих стран. По сравнению со сложным процессом и сложным катализатором или реагентом, простой процесс может быть более доступным для многих других стран мира”, – сказал Сюй. “Я надеюсь, что это может стать хорошим началом для борьбы с загрязнением окружающей среды пластиком”.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
Похожие статьи
ДРУГИЕ НОВОСТИ
