Պլաստիկե տոպրակները և այլ պոլիէթիլենային թափոնները կարող են դառնալ քիմիական արդյունաբերության հումքի այլընտրանքային աղբյուր, որն այսօր մեծ մասամբ կախված է նավթից։ Գերմանիայի Ռոստոկ քաղաքի Լեიբնիցի անվան կատալիզի ինստիտուտի (LIKAT) քիմիկոսները մշակել են մի մեթոդ, որը թույլ է տալիս պոլիէթիլենը վերածել դիկարբոնաթթուների՝ քիմիական միացությունների, որոնք օգտագործվում են նաև նեյլոնի արտադրության համար։ Նոր տեխնոլոգիան աշխատում է Ցելսիուսի 120 աստիճանից ոչ բարձր ջերմաստիճանում, չի պահանջում կատալիզատորներ և պոտենցիալ կերպով կարող է մասշտաբավորվել արդյունաբերական կիրառման համար։

Ամեն տարի աշխարհում առաջանում է շուրջ 400 միլիոն տոննա պլաստիկե թափոն։ Պոլիէթիլենը, որից արտադրվում են, մասնավորապես, տոպրակներն ու փաթեթավորումը, պոլիպրոպիլենի հետ միասին կազմում է ամբողջ պլաստիկե աղբի մոտ 80%-ը։ Գիտնականները դիտարկում են թափոնների այս հսկայական հոսքը որպես հանածո հումքի պոտենցիալ այլընտրանք։

Ինչու են վերամշակման առկա եղանակները փոխարինման կարիք զգում

Պոլիէթիլենի և պոլիպրոպիլենի քիմիական վերամշակման տարածված մեթոդներից մեկը պիրոլիզն է։ Այս տեխնոլոգիայի դեպքում պլաստիկը ենթարկվում է վերահսկվող տաքացման մինչև Ցելսիուսի 600 աստիճան ջերմաստիճանում, ինչի արդյունքում ստացվում է յուղ, որը կարող է օգտագործվել որպես քիմիական հումք։

Սակայն, ինչպես բացատրում է LIKAT-ի հետազոտական խմբի ղեկավար դոկտոր Էստեբան Մեխիան, գործընթացը պահանջում է հսկայական քանակությամբ էներգիա։ Չնայած բուն ռեակցիայի ընթացքում CO₂-ի ուղղակի արտանետումների բացակայությանը, զգալի էներգածախսերը ձևավորում են մեծ ածխածնային հետք։ Բնապահպանական գերատեսչություններն արդեն հայտնում են իրենց մտահոգությունը, իսկ ԱՄՆ-ում պիրոլիզի որոշ ձեռնարկություններ փակվում են։

Հայտնի այլ մեթոդներ ենթադրում են պոլիէթիլենի օքսիդատիվ քայքայում թթվածնի ակտիվ ձևերի օգնությամբ, որոնք առաջանում են պլաստիկի մակերեսին և աստիճանաբար քայքայում դրա քիմիական կառուցվածքը։ Սակայն նման գործընթացները պահանջում են բարձր ճնշում, ինչը ստեղծում է պայթյունի վտանգ և դժվարացնում դրանց մասշտաբավորումը։ Բացի այդ, օգտագործվող կատալիզատորները հաճախ հիմնված են թանկարժեք մետաղների վրա, ինչը վերամշակումը դարձնում է ծախսատար։

Ինչպես են պլաստիկը վերածում քիմիական հումքի

Մեխիայի թիմը որոշել է կատարելագործել ազոտական թթվի օգտագործմամբ նախկինում ուսումնասիրված մոտեցումը։ Նախորդ փորձերում պոլիէթիլենի վերամշակման համար կիրառել էին բարձր խտությամբ թթու՝ մոտ Ցելսիուսի 180 աստիճան ջերմաստիճանում, այդ թվում՝ միկրոալիքային ճառագայթման կիրառմամբ։ Ռոստոկի հետազոտողները կարողացել են էականորեն պարզեցնել այս գործընթացը։

Նոր մեթոդիկայում օգտագործվում են խիստ նոսրացված ազոտական թթու և ջրածնի պերօքսիդ։ Սովորական պլաստիկե տոպրակի հատվածները տեղադրվում են ստացված խառնուրդի մեջ և տաքացվում առավելագույնը մինչև Ցելսիուսի 120 աստիճան։ Արդյունքում պոլիէթիլենը լուծվում և փոխակերպվում է դիկարբոնաթթուների։

Այսպիսով, գիտնականներին հաջողվել է հասնել պլաստիկի քիմիական փոխակերպմանը զգալիորեն մեղմ պայմաններում։ Ընդ որում, գործընթացը լրացուցիչ կատալիզատոր չի պահանջում։

Սակայն անհրաժեշտ պրոդուկտ ստանալու համար կարևոր է ճշգրտորեն վերահսկել տաքացման ինտենսիվությունն ու ռեժիմը։ Պոլիէթիլենի փոխակերպումը դիկարբոնաթթուների ընթանում է մի քանի փուլով։ Եթե միջանկյալ միացությունները չափազանց երկար են մնում ռեակցիոն խառնուրդում, ռեակցիան ավելի քիչ արդյունավետ է ընթանում, և նպատակային պրոդուկտի փոխարեն առաջանում է տարբեր նյութերի բարդ խառնուրդ։

Աղբի վերամշակումից մինչև նեյլոնի արտադրություն

Հետազոտողների գլխավոր խնդիրն այն է, որ ստացվեն ոչ թե պարզապես դիկարբոնաթթուներ, այլ որոշակի ածխածնային շղթայի երկարությամբ միացություն, որը կարող է օգտագործվել պոլիամիդի, որն ավելի հայտնի է որպես նեյլոն, արտադրության մեջ։

Դիկարբոնաթթուները կարող են պարունակել ածխածնի տարբեր քանակությամբ ատոմներ։ Նախորդ հետազոտություններում ստացվել էին միացություններ երկուսից մինչև ավելի քան 40 ածխածնային ատոմներ պարունակող շղթաներով։ Նման պրոդուկտները, օրինակ, կարող են օգտագործվել օճառների համար մակերևութային-ակտիվ նյութերի պատրաստման ժամանակ։

Սակայն նեյլոնի արտադրության համար անհրաժեշտ է ուղիղ վեց ածխածնային ատոմից բաղկացած շղթայով դիկարբոնաթթու։

LIKAT-ի գիտնականներին փորձերում արդեն հաջողվել է ստացվող միացությունների տիրույթը սահմանափակել չորսից տասը ածխածնային ատոմներ պարունակող շղթաներով։ Այժմ հետազոտողները մտադրված են բարձրացնել ռեակցիայի ընտրողականությունը՝ մեծացնելու անհրաժեշտ վեցածխածնային միացության ելքը և պարզեցնելու դրա անջատումը մնացած պրոդուկտներից։

Դրա համար թիմը նախատեսում է համագործակցել Ռոստոկի համալսարանի քիմիական ճարտարագիտության ֆակուլտետից դոկտոր Ուդո Կրագլի հետ։ Զուգահեռաբար գիտնականները մտադրված են մանրակրկիտ ուսումնասիրել ռեակցիայի մեխանիզմը. պարզել, թե ինչ միջանկյալ միացություններ են առաջանում գործընթացում, ինչ փուլերում և ինչ արագությամբ։

Լրացուցիչ փորձեր են անցկացվում Էկվադորի Գուայակիլի համալսարանի հետազոտողի հետ համատեղ, ով ուսումնասիրում է լույսի ազդեցությունը թթվածնի ակտիվ ձևերի վրա և դրանց դերը ֆոտոքիմիական գործընթացներում։

Կարող է արդյոք պլաստիկե աղբը փոխարինել նավթին

Հետազոտողների գնահատականներով՝ ամեն տարի աշխարհում արտադրվում է մոտ 8 միլիոն տոննա պոլիամիդ, որի հիմնական հումքը շարունակում է մնալ նավթը։

LIKAT-ի մշակումը հնարավորություն է բացում այս նյութի արտադրության համար օգտագործել պոլիէթիլենային թափոնները, որոնք այսօր կազմում են պլաստիկե աղբի զգալի մասը։ Տեխնոլոգիայի հաջող մասշտաբավորման դեպքում արդյունաբերությունը կստանա հումքի այլընտրանքային աղբյուր, իսկ պլաստիկի վերամշակումը կարող է դառնալ պահանջված քիմիական պրոդուկտների արտադրության մաս։

Ինչպես նշում է Էստեբան Մեխիան, նեյլոնի արտադրության համար մեթոդի արդյունաբերական կիրառումը թույլ կտա նվազեցնել բնապահպանական ծանրաբեռնվածությունը և փոքրացնել ճյուղի կախվածությունը հանածո հումքից։

Առայժմ տեխնոլոգիան գտնվում է հետազոտությունների փուլում։ Գիտնականները պետք է բարձրացնեն ռեակցիայի սելեկտիվությունը, հասկանան դրա մեխանիզմները և ստուգեն պիլոտային արտադրության անցնելու հնարավորությունը։