Пластикові відходи накопичуються швидше, ніж ми можемо з ними впоратися. Новий лабораторний метод показує, що деякі з найстійкіших видів пластику можна перетворити на корисне паливо та поширений промисловий хімікат за один раз.
У рецензованій статті, опублікованій у журналі Science, дослідники описують одностадійний шлях перетворення змішаних пластикових відходів на вуглеводні бензинового ряду та соляну кислоту (HCI) за низьких температур. Команда повідомляє про високу конверсію за температур до 86 градусів за Фаренгейтом.
Пластик у паливі звучить як магія
Провідний дослідник Вей Чжан зі Східнокитайського педагогічного університету (ECNU) повідомляє, що цей підхід враховує змішані та навіть забруднені потоки відходів. Цей момент важливий, оскільки більшість пластикових відходів у реальному світі є брудними та їх важко сортувати, не кажучи вже про перетворення на паливо.
Багато домогосподарств і заводів використовують ПВХ у трубах, підлогових покриттях і дротах, тоді як поліолефіни, такі як поліетилен і поліпропілен, домінують в упаковці. Вінілхлорид, будівельний блок ПВХ, класифікується як канцероген для людини.
Регуляторні органи в Європі переглядають ширші ризики, пов’язані з добавками ПВХ та викидами мікропластику. У 2023 році ECHA визначила ризики, які можуть вимагати нових заходів контролю за ПВХ та його добавками, посиливши увагу до варіантів завершення терміну служби цих пластмас.
Сьогодні поширені способи перетворення відходів на енергію часто вимагають видалення хлору з ПВХ перед обробкою. Цей додатковий крок збільшує витрати та може обмежувати масштаби.
Як вони це роблять
Метод поєднує дехлорування з розривом вуглецевих зв’язків та хімією утворення палива в один етап. Вихідні матеріали включають вуглеводні бензинового класу без хлору та соляну кислоту, які можна використовувати повторно.
«Ми представляємо тут стратегію переробки відходів ПВХ на вуглеводні паливного ряду без хлору та HCl в одностадійному процесі, каталізованому іонними рідинами на основі хлоралюмінату. Цей процес підходить для обробки реальних змішаних та забруднених потоків відходів ПВХ та поліолефінів», – написав Чжан.
Рідке паливо переважно знаходиться в діапазоні від C6 до C12, з таким самим вмістом вуглецю, як і стандартний бензин. Отримана хлоридна кислота може служити сировиною для очищення води, обробки металу та інших промислових цілей.
Оскільки метод приймає суміш ПВХ та поліолефінів, він спрямований на найбільші сегменти потоку пластикових відходів. Це усуває необхідність дуже чистого сортування перед хімічним перетворенням.
Хімія, яка перетворює пластик на паливо
У реакції використовуються легкі ізоалкани, головним чином ізобутан та ізопентан, як кореактиви та донори водню. Ці молекули є поширеними побічними продуктами на нафтопереробних заводах і можуть бути перероблені в процесі.
Нафтопереробні заводи вже використовують установки алкілування, які поєднують ізобутан з малими олефінами для отримання високооктанових компонентів бензину. Нове дослідження використовує подібну хімію, водночас витягуючи хлор з ПВХ та розщеплюючи полімерні ланцюги.
Каталізатори на основі хлоралюмінатних іонних рідин сприяють контрольованому дехлоруванню за низької температури. Реакційна мережа врівноважує ендотермічні стадії, які поглинають тепло, з екзотермічними стадіями, які вивільняють тепло, що дозволяє працювати за температури, близькій до кімнатної.
Команда повідомляє, що хімія іонів карбенію допомагає розщеплювати довгі ланцюги, а потім з’єднувати фрагменти в розгалужені молекули палива. Така схема розгалуження типова для компонентів високооктанового бензину.
Що показують результати
У випробуваннях за температури 86 градусів за Фаренгейтом процес досяг 95-відсоткової конверсії для зразків м’яких ПВХ труб. Жорсткі ПВХ труби та ПВХ дроти конверсувалися до 99 відсотків за тієї ж температури. Коли дослідники змішали ПВХ з поліолефіновими відходами та провели тест за температури 176 градусів за Фаренгейтом, конверсія твердої речовини досягла 96 відсотків.
Продуктові списки здебільшого знаходилися в бензиновому діапазоні, з мінімальним вмістом легких газів та відсутністю метану.
Рідкі продукти не містили хлору та переважно складалися з розгалужених алканів. Невелику кількість непрореагованих легких ізоалканів можна було вловлювати та повертати в реактор.
Соляна кислота виникла як побічний продукт, який можна нейтралізувати або використовувати повторно. Завдяки рекуперації HCl цей метод дозволяє уникнути повторного потрапляння хлорованих органічних речовин у паливні потоки.
Наслідки для реального світу
Реакція відбувається за атмосферного тиску та низької температури, що вказує на менше споживання енергії та простіше обладнання, ніж високотемпературний піроліз. Це може спростити масштабування там, де сортування обмежене, а змішані відходи є поширеним явищем.