Пряма каталітична переробка пластикових відходів – Nature Nanotechnology

Відповідно до нещодавнього документа, опублікованого Міжнародним союзом охорони природи (МСОП), щонайменше 14 мільйонів тонн пластику потрапляє в океани щороку, загрожуючи морській екосистемі, харчовій безпеці та економічній діяльності.¹. Підходи до пом’якшення впливу пластику на навколишнє середовище в океанах включають скорочення використання, повторне використання та переробку. Проте з понад 400 мільйонів тонн пластику, що виробляється щороку, лише 9% переробляється², як правило, за допомогою звичайних методів механічного або термічного піролізу, які обов’язково призводять до менш цінних продуктів, ніж вихідний пластик, або неефективного відновлення енергії у формі тепла³. В останні роки пряме каталітичне перетворення пластикових відходів у паливо з доданою вартістю, хімікати та матеріали привертає все більше уваги через потенційні екологічні та економічні вигоди.

Авторство: Сергій Рижов / Alamy Stock Photo

Поширеним способом прямої переробки пластикових відходів є їх деполімеризація в цінні мономери або олігомери (або їх похідні) без подальшого перетворення. Конструкція каталізаторів визначає продукти та їх розподіл. Наприклад, з упорядкованою архітектурою мезопористої оболонки/активного центру/ядра каталізатора, яка включає каталітичні центри платини в основі мезопори, поліетилен високої щільності (HDPE) може бути селективно гідрогенолізований у вузькому розподілі алканів дизельного палива та мастильних матеріалів.⁴. Крім того, наночастинки рутенію на цеоліті HZSM-5 каталізують переробку HDPE без розчинника/водню в роздільний розподіл лінійного (C₁–С₆) і циклічні вуглеводні (C₇–С₁₅) (див Стаття у цьому випуску Ду та його колег).

Інша захоплююча стратегія безпосереднього створення продуктів з доданою вартістю полягає в деполімеризації пластикових відходів і одночасному функціоналізації отриманого сирого продукту. Виробництво ароматичних поверхнево-активних речовин з поліетилену може бути досягнуто при відносно м'яких робочих умовах шляхом поєднання ароматизації та гідрогенолізу з каталізатором платина/оксид алюмінію⁵. Крім того, пропілен можна селективно виробляти з відходів поліетилену з виходом до 80% шляхом часткового дегідрування та тандемного етенолізу ненасиченого ланцюга⁶.

Введення гетероатомів і галогенів під час процесу деполімеризації також сприяє утворенню продуктів з доданою вартістю. Наприклад, газоподібні вуглеводневі продукти можуть бути виготовлені шляхом прямого перетворення поліетилену окисним шляхом. Обробка азотною кислотою перетворює поліетилен на органічні кислоти (бурштинову, глутарову та адипінову), які потім фотокаталітично або електрокаталітично перетворюють на олефіни.⁷. Крім того, окисне перетворення полістиролу до ароматичних оксигенатів було реалізовано за допомогою фотокаталізатора з графітового нітриду вуглецю під опроміненням видимим світлом. Конверсія полістиролу може становити понад 90% при 150 °C, отримуючи в основному бензойну кислоту, ацетофенон і бензальдегід в рідкій фазі.⁸.

Існує цілий ряд інших, непрямих підходів до переробки пластмас, коли пластикові відходи спочатку деполімеризують у мономери, олігомери або їх похідні, які потім можуть бути перетворені на високоцінні хімічні речовини за допомогою термо-, електро-, фото- або біокаталітичні умови. Цей шлях повторної переробки є непрямим, оскільки він проходить через окрему стадію генерації мономерів і може мати негативний вплив як на екологічні наслідки, так і на економіку процесу порівняно з прямою переробкою⁹.

Комерційні пластики зазвичай являють собою суміш компонентів або складів, що включають полімери та маломолекулярні добавки. Ключові фактори, такі як молекулярна ідентичність та розташування (ступінь розгалуження та/або зшивання), кристалічність та молекулярна маса визначають фізико-хімічні властивості полімеру та доступність хімічних зв’язків, впливаючи на ефективність та селективність каталітичного методологія деконструкції пластмас¹⁰. Для кількісного порівняння каталізаторів і процесів, що розробляються для різних вихідних матеріалів з різними хімічними складами і фізичними структурами, фізичні властивості полімерного субстрату, їх хімічний склад і структуру (ідентифікація мономерів, розподіл молекулярної маси, температура плавлення і кристалічність), як а також про умови реакції (рН, температура, завантаження субстрату, швидкість перемішування тощо) слід чітко повідомляти. Ця метрологія у звітній літературі має важливе значення для координації прогресу в цій галузі та допомоги у вирішенні проблеми пластикового забруднення значущим чином.