Исследователи разрабатывают метод переработки пластиковых отходов в мыло

Группа исследователей, возглавляемая специалистами Virginia Tech, разработала новый метод переработки пластмасс в высокоценные химические вещества, известные как поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые используются для производства жидкого мыла, моющих средств, шампуня и т.д. Работа опубликована в журнале Science.

Пластмассы и мыло, как правило, имеют мало общего по текстуре, внешнему виду и, самое 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, давно считал, что такое сходство предполагает возможность превращения полиэтилена в жирные кислоты и, сделав несколько дополнительных шагов, получения 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 этот 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 задумался о том, что произойдет, если сжигать полиэтилен 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 младшего преподавателя факультета наук о жизни Блэквуда на химическом факультете. "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 Чжэнь Сю и Эрика Муньянеза, двух аспирантов-химиков из лаборатории Лю, Лю построил небольшой реактор, похожий на печь, в котором можно было 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, напоминающие 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.

"Наше исследование демонстрирует новый путь переработки пластика без использования новых катализаторов или сложных процедур. В этой работе мы продемонстрировали потенциал тандемной стратегии переработки пластика", - говорит Сюй, ведущий автор статьи. "Это поможет людям в будущем разрабатывать более креативные проекты по переработке пластика".

Несмотря на то, что источником вдохновения для данного проекта послужил полиэтилен, 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, контейнеров для еды 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 upcycling заключается в том, что для его реализации требуются очень простые условия: пластик и тепло. 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 процесс переработки был эффективным 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 не кажется особенно дорогим товаром, на самом деле его стоимость в пересчете на вес может вдвое-втрое превышать стоимость пластмасс. 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. Он надеется, что со временем предприятия по переработке отходов во всем мире 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 пластика в мыло может быть признано экономически выгодным, добавил Лю, который также является преподавателем программы нанонауки, входящей в Академию комплексного естествознания Колледжа естественных наук, 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".