Прямая каталитическая переработка пластиковых отходов — Nature Nanotechnology

Согласно недавнему документу, опубликованному Международным союзом охраны природы (МСОП), по меньшей мере 14 миллионов тонн пластика ежегодно попадает в океаны, угрожая морской экосистеме, безопасности пищевых продуктов и экономической деятельности.¹. Подходы к смягчению воздействия пластика в океанах на окружающую среду включают сокращение использования, повторное использование и переработку. Однако из более чем 400 миллионов тонн пластика, производимого ежегодно, только 9% перерабатывается.², обычно с использованием традиционных методов механического или термического пиролиза, которые обязательно приводят к получению продуктов с более низкой стоимостью, чем исходные пластмассы, или к неэффективной рекуперации энергии в виде тепла.³. В последние годы прямому каталитическому преобразованию пластиковых отходов в топливо, химикаты и материалы с добавленной стоимостью уделяется все больше и больше внимания из-за его потенциальных экологических и экономических преимуществ.

Фото: Сергей Рыжов / Alamy Stock Photo

Распространенным способом непосредственной переработки пластиковых отходов является их деполимеризация в мономеры или олигомеры с добавленной стоимостью (или их производные) без последующих преобразований. Конструкция катализаторов определяет продукты и их распределение. Например, с упорядоченной мезопористой архитектурой катализатора оболочка/активный центр/ядро, которая включает каталитические платиновые центры в основании мезопор, полиэтилен высокой плотности (ПЭВП) может подвергаться селективному гидрогенолизу с образованием узкого спектра алканов дизельного и смазочного ряда.⁴. Кроме того, наночастицы рутения на цеолите HZSM-5 катализируют безрастворную/безводородную переработку ПЭВП с получением разделимого распределения линейного (C₁-С₆) и циклические углеводороды (C₇-С₁₅) (см. Статья в этом выпуске Ду и его коллеги).

Еще одна интересная стратегия прямого производства продуктов с добавленной стоимостью — это деполимеризация пластиковых отходов и одновременная функционализация полученного сырого продукта. Производство ароматических поверхностно-активных веществ из полиэтилена может быть достигнуто в относительно мягких условиях эксплуатации путем совмещения ароматизации и гидрогенолиза с платино-оксидным катализатором.⁵. Кроме того, пропилен можно селективно производить из полиэтилена отходов с выходом до 80% путем частичного дегидрирования и тандемного этинолиза ненасыщенной цепи.⁶.

Введение гетероатомов и галогенов в процессе деполимеризации также способствует образованию продуктов с добавленной стоимостью. Например, газообразные углеводородные продукты могут быть получены в результате прямой конверсии полиэтилена окислительным путем. Обработка азотной кислотой превращает полиэтилен в органические кислоты (янтарную, глутаровую и адипиновую), которые затем можно фотокаталитически или электрокаталитически превратить в олефины.⁷. Кроме того, с помощью графитового фотокатализатора на основе нитрида углерода при облучении видимым светом был реализован окислительный повторный цикл полистирола до ароматических оксигенатов. Конверсия полистирола может составлять более 90% при 150 °C с получением в основном бензойной кислоты, ацетофенона и бензальдегида в жидкой фазе.⁸.

Существует множество других, косвенных подходов к вторичной переработке пластмасс, при которых пластиковые отходы сначала деполимеризуются в мономеры, олигомеры или их производные, которые затем могут быть далее преобразованы в ценные химические вещества под воздействием термо-, электро-, фото- или биокаталитические условия. Этот путь переработки является непрямым, поскольку он проходит через отдельный этап производства мономера и может оказать негативное влияние как на экологические последствия, так и на экономику процесса по сравнению с прямым переработкой.⁹.

Коммерческие пластмассы обычно представляют собой смесь компонентов или рецептур, включающих полимеры и низкомолекулярные добавки. Ключевые факторы, такие как молекулярная идентичность и расположение (степень разветвления и/или сшивки), кристалличность и молекулярная масса, определяют физико-химические свойства полимера и доступность для химических связей, влияя на эффективность и селективность каталитического действия. методология разрушения пластика¹⁰. Количественно сравнить катализаторы и процессы, разрабатываемые для различного сырья с различным химическим составом и физическим строением, физическими свойствами полимерного субстрата, их химическим составом и структурой (идентичность мономеров, молекулярно-массовое распределение, температура плавления и кристалличность), а также а также условия реакции (pH, температура, загрузка субстрата, скорость перемешивания и т. д.) должны быть тщательно указаны. Эта метрология в отчетной литературе важна для координации прогресса в этой области и помогает эффективно решать проблему пластикового загрязнения.