Nasza planeta dusi się plastikiem. Do najgorszych substancji, których rozkład na wysypiskach może zająć dziesięciolecia, zalicza się polipropylen – używany do pakowania żywności i zderzaków – oraz polietylen występujący w plastikowych torebkach, butelkach, zabawkach, a nawet ściółce.
Polipropylen i polietylen można poddać recyklingowi, ale proces ten może być trudny i często powoduje powstawanie dużych ilości metanu będącego gazem cieplarnianym. Obydwa są poliolefinami, będącymi produktami polimeryzacji etylenu i propylenu, surowcami pozyskiwanymi głównie z paliw kopalnych. Wiązania poliolefin są również niezwykle trudne do zerwania.
Teraz naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley opracowali metodę recyklingu tych polimerów, która wykorzystuje katalizatory, które łatwo rozrywają wiązania, przekształcając je w propylen i izobutylen, które w temperaturze pokojowej są gazami. Gazy te można następnie poddać recyklingowi w celu uzyskania nowych tworzyw sztucznych.
„Ponieważ polipropylen i polietylen należą do tworzyw sztucznych, które najtrudniej i najdrożej oddzielić od siebie w strumieniu odpadów zmieszanych, niezwykle ważne jest, aby [a recycling] dotyczy obu poliolefin” – stwierdził zespół badawczy w: badanie niedawno opublikowany w Science.
Rozbijanie tego
Proces recyklingu zastosowany przez zespół znany jest jako izomeryzacja etenolizy, która opiera się na katalizatorze rozkładającym łańcuchy polimeru olefinowego na ich małe cząsteczki. Wiązania polietylenowe i polipropylenowe charakteryzują się dużą odpornością na reakcje chemiczne, ponieważ obie te poliolefiny posiadają długie łańcuchy pojedynczych wiązań węgiel-węgiel. Większość polimerów ma co najmniej jedno wiązanie podwójne węgiel-węgiel, które jest znacznie łatwiejsze do złamania.
Chociaż ci sami badacze próbowali już wcześniej izomeryzacji etenolizy, poprzednie katalizatory były drogimi metalami, które nie pozostawały czyste wystarczająco długo, aby przekształcić cały plastik w gaz. Stosowanie sodu na tlenku glinu, a następnie tlenku wolframu na krzemionce okazało się znacznie bardziej ekonomiczne i skuteczne, mimo że wysokie temperatury wymagane do reakcji nieco podwyższyły koszty.
W obu tworzywach sztucznych wystawienie na działanie sodu na tlenku glinu rozbiło każdy łańcuch polimeru na krótsze łańcuchy polimeru i utworzyło na końcach łamliwe wiązania podwójne węgiel-węgiel. Łańcuchy wciąż i wciąż pękały. Obydwa następnie przeszły drugi proces znany jako metateza olefin. Poddano je działaniu strumienia gazowego etylenu wpływającego do komory reakcyjnej podczas wprowadzania do tlenku wolframu na krzemionce, co skutkowało zerwaniem wiązań węgiel-węgiel.
Reakcja rozrywa wszystkie wiązania węgiel-węgiel w polietylenie i polipropylenie, a atomy węgla uwolnione podczas rozrywania tych wiązań zostają ostatecznie przyłączone do cząsteczek etylenu. „Etylen ma kluczowe znaczenie w tej reakcji, ponieważ jest współreagentem” – powiedział Ars Technica badacz RJ Conk, jeden z autorów badania. „Zerwane ogniwa reagują następnie z etylenem, który usuwa ogniwa z łańcucha. Bez etylenu reakcja nie może zajść.”
Cały łańcuch jest katalizowany do momentu całkowitego przekształcenia polietylenu w propylen, a polipropylen w mieszaninę propylenu i izobutylenu.
Metoda ta charakteryzuje się dużą selektywnością, co oznacza, że pozwala uzyskać dużą ilość pożądanego produktu: propylenu pochodzącego z polietylenu oraz zarówno propylenu, jak i izobutylenu pochodzącego z polipropylenu. Na obie te substancje chemiczne istnieje duże zapotrzebowanie; propylen jest ważnym surowcem dla przemysłu chemicznego, natomiast izobutylen jest często stosowanym monomerem w wielu różnych polimerach, w tym w kauczuku syntetycznym i dodatku do benzyny.
Mieszanie tego
Ponieważ tworzywa sztuczne są często mieszane w centrach recyklingu, badacze chcieli zobaczyć, co by się stało, gdyby polipropylen i polietylen poddano razem etenolizie izomerycznej. Reakcja przebiegła pomyślnie, przekształcając mieszaninę w propylen i izobutylen, z nieco większą ilością propylenu niż izobutylenu.
Mieszanki zazwyczaj zawierają również zanieczyszczenia w postaci dodatkowych tworzyw sztucznych. Dlatego zespół chciał także sprawdzić, czy reakcja będzie nadal działać, jeśli obecne będą zanieczyszczenia. Eksperymentowali z plastikowymi przedmiotami, które w przeciwnym razie zostałyby wyrzucone, w tym z wirówką i torbą na chleb, które zawierały ślady innych polimerów oprócz polipropylenu i polietylenu. W wyniku reakcji otrzymano tylko nieco mniej propylenu i izobutylenu niż w przypadku niezafałszowanych wersji poliolefin.
Inny test polegał na wprowadzeniu różnych tworzyw sztucznych, takich jak PET i PVC, do polipropylenu i polietylenu, aby sprawdzić, czy to coś zmieni. To znacznie obniżyło plony. Jeśli to podejście okaże się skuteczne, z produktów polipropylenowych i polietylenowych, zanim zostaną poddane recyklingowi, trzeba będzie usunąć wszystkie, nawet najmniejsze ślady zanieczyszczeń.
Choć wydaje się, że ta metoda recyklingu może zapobiec powstawaniu wielu ton odpadów, aby tak się stało, należy ją znacznie zwiększyć. Kiedy zespół badawczy zwiększył skalę eksperymentu, uzyskano taki sam plon, co wygląda obiecująco na przyszłość. Jednak zanim będzie to miało wpływ na ilość odpadów z tworzyw sztucznych, będziemy musieli zbudować znaczną infrastrukturę.
„Mamy nadzieję, że opisane prace… doprowadzą do praktycznych metod… [producing] nowe polimery” – stwierdzili w tym samym badaniu naukowcy badanie. „Dzięki temu można znacznie zmniejszyć popyt na produkcję tych podstawowych chemikaliów, począwszy od kopalnych źródeł węgla, a także związaną z tym emisję gazów cieplarnianych”.
Ta historia pierwotnie pojawiła się w Ars Technica.
