Ученые из Ок-Риджской национальной лаборатории (Oak Ridge National Laboratory) разработали метод переработки полиэтилена в топливо, похожее на бензин и дизель, с помощью расплавленных солей. Обычный полиэтилен, из которого делают пакеты, разделочные доски и множество других повседневных предметов, крайне сложно использовать повторно после того, как он становится отходами. Новый подход позволяет разлагать этот пластик при относительно простом составе из нагретых солей.
В лабораторных экспериментах процесс перерабатывал полиэтилен при температуре ниже 200 градусов Цельсия, что значительно холоднее многих традиционных способов. Выход бензиновой фракции составил около 60%. При этом методу не требуются дорогие катализаторы из благородных металлов, органические растворители или внешняя подача водорода.
Основу процесса составляют расплавленные соли, содержащие хлорид алюминия. Расплавленные соли — это соли, нагретые до жидкого состояния. В данном случае жидкая солевая смесь служила одновременно средой для реакции и катализатором, который ее запускал. «Мы превращали полимерные отходы в ценные виды топлива, используя коммерчески доступные неорганические соли в качестве реакционной среды для создания каталитических центров, — сказал Чжэньчжэнь Ян, научный сотрудник ORNL и один из соответствующих авторов работы. — В отличие от традиционных методов переработки полимеров в топливо, новый процесс не требует благородных металлов, органических растворителей или внешнего водорода. Это первый случай, когда расплавленные соли использовались как среда для получения высокоценных химических продуктов из отходов без каталитического инициатора или растворителя и при температуре ниже 200 градусов Цельсия».
Низкая температура — важная часть подхода. Распространенный метод пиролиза разлагает пластик сильным нагревом, обычно при 450–500 градусах Цельсия. «Мы разработали эффективное и селективное превращение полиэтилена в бензин», — сказал Лици Цю, постдокторант Университета Теннесси в Ноксвилле, выполнивший большинство экспериментов в лаборатории Шэн Дая в ORNL. Дай, корпоративный член ORNL и руководитель секции разделения и полимерной химии, является одним из соответствующих авторов статьи.
Исследователи также выяснили, почему расплавленные соли работают. Полиэтилен состоит из длинных цепочек атомов углерода и водорода. Команда обнаружила, что алюминиевые центры в расплавленной соли становятся сильно кислотными и запускают реакции, разрывающие эти длинные цепочки на меньшие углеводородные молекулы — соединения, встречающиеся в топливе. Ключевой этап включает образование положительно заряженного атома углерода. Чтобы проследить за реакцией, ученые использовали дейтерий, более тяжелую форму водорода, в качестве химической метки. Затем они применили нейтронное рассеяние на источнике Spallation Neutron Source в ORNL, который особенно удобен для отслеживания водорода и его изотопов. «Полимер содержит много водорода, — сказал Дай. — Нейтроны идеально подходят для различения легких элементов, включая водород и его изотопы, такие как дейтерий». Эти измерения помогли объяснить, почему разные формы полиэтилена дают разные виды топлива: простые цепочки склонны образовывать бензиноподобные соединения, а более сложные — дизелеподобные продукты.
Метод пока имеет важный недостаток: расплавленная соль на основе алюминия легко поглощает воду, что снижает стабильность системы. Исследователи надеются разработать способы лучше удерживать и защищать расплавленные соли, возможно, с использованием галогенов или углеродных материалов для улучшения разделения и переработки. Если эти проблемы удастся решить и масштабировать процесс за пределы лаборатории, выброшенный полиэтилен сможет стать источником полезных топливоподобных химикатов, а не трудно перерабатываемым пластиковым мусором. Команда подала заявку на патент на этот метод. «Полимерное сырье в изобилии доступно из бытовых отходов, а наша каталитическая система — алюминиевые расплавленные соли — очень дешева, — сказал Цю. — Это достижение может быть перспективным для промышленности».