Пластиковые пакеты и другие полиэтиленовые отходы могут стать альтернативным источником сырья для химической промышленности, которая сегодня во многом зависит от нефти. Химики из Института катализа имени Лейбница (LIKAT) в немецком Ростоке разработали метод, позволяющий превращать полиэтилен в дикарбоновые кислоты — химические соединения, используемые в том числе для производства нейлона. Новая технология работает при температуре не выше 120 градусов Цельсия, не требует катализаторов и потенциально может быть масштабирована для промышленного применения.

Ежегодно в мире образуется около 400 млн тонн пластиковых отходов. Полиэтилен, из которого производят, в частности, пакеты и упаковку, вместе с полипропиленом составляет около 80% всего пластикового мусора. Ученые рассматривают этот огромный поток отходов как потенциальную альтернативу ископаемому сырью.

Почему существующие способы переработки требуют замены

Один из распространенных методов химической переработки полиэтилена и полипропилена — пиролиз. При этой технологии пластик подвергают контролируемому нагреванию при температуре до 600 градусов Цельсия, в результате чего получают масло, которое можно использовать как химическое сырье.

Однако, как объясняет руководитель исследовательской группы LIKAT доктор Эстебан Мехия, процесс требует огромного количества энергии. Несмотря на отсутствие прямых выбросов CO₂ во время самой реакции, значительные энергозатраты формируют большой углеродный след. Экологические ведомства уже выражают обеспокоенность, а в США некоторые предприятия по пиролизу закрываются.

Другие известные методы предполагают окислительное разрушение полиэтилена с помощью активных форм кислорода, которые образуются на поверхности пластика и постепенно разрушают его химическую структуру. Но такие процессы требуют высокого давления, что создает риск взрыва и затрудняет их масштабирование. Кроме того, используемые катализаторы часто основаны на драгоценных металлах, что делает переработку дорогостоящей.

Как пластик превращают в химическое сырье

Команда Мехии решила усовершенствовать ранее изучавшийся подход с использованием азотной кислоты. В предыдущих экспериментах для переработки полиэтилена применяли высококонцентрированную кислоту при температуре около 180 градусов Цельсия, в том числе с использованием микроволнового излучения. Исследователи из Ростока смогли существенно упростить этот процесс.

В новой методике используются сильно разбавленная азотная кислота и перекись водорода. Фрагменты обычного пластикового пакета помещают в полученную смесь и нагревают максимум до 120 градусов Цельсия. В результате полиэтилен растворяется и преобразуется в дикарбоновые кислоты.

Таким образом, ученым удалось добиться химического преобразования пластика при значительно более мягких условиях. При этом процесс не требует дополнительного катализатора.

Однако для получения нужного продукта важно точно контролировать интенсивность и режим нагрева. Превращение полиэтилена в дикарбоновые кислоты проходит в несколько стадий. Если промежуточные соединения слишком долго остаются в реакционной смеси, реакция идет менее эффективно и вместо целевого продукта образуется сложная смесь различных веществ.

От переработки мусора к производству нейлона

Главная задача исследователей заключается в том, чтобы получать не просто дикарбоновые кислоты, а соединение с определенной длиной углеродной цепи, которое можно использовать в производстве полиамида, более известного как нейлон.

Дикарбоновые кислоты могут содержать разное количество атомов углерода. В предыдущих исследованиях получали соединения с цепочками от двух до более чем 40 атомов углерода. Такие продукты, например, могут использоваться при изготовлении поверхностно-активных веществ для мыла.

Однако для производства нейлона необходима дикарбоновая кислота с цепочкой ровно из шести атомов углерода.

В экспериментах ученым LIKAT уже удалось ограничить диапазон получаемых соединений цепочками от четырех до десяти атомов углерода. Теперь исследователи намерены повысить избирательность реакции, чтобы увеличить выход нужного шестикарбонового соединения и упростить его отделение от остальных продуктов.

Для этого команда планирует сотрудничать с доктором Удо Краглем из факультета химической инженерии Ростокского университета. Параллельно ученые намерены детально изучить механизм реакции: определить, какие промежуточные соединения возникают в процессе, на каких этапах и с какой скоростью.

Дополнительные эксперименты проводятся совместно с исследователем из Университета Гуаякиля в Эквадоре, который изучает влияние света на активные формы кислорода и их роль в фотохимических процессах.

Может ли пластиковый мусор заменить нефть

По оценкам исследователей, ежегодно в мире производится около 8 млн тонн полиамида, основным сырьем для которого остается нефть.

Разработка LIKAT открывает возможность использовать для производства этого материала полиэтиленовые отходы, которые сегодня составляют значительную часть пластикового мусора. В случае успешного масштабирования технологии промышленность получит альтернативный источник сырья, а переработка пластика сможет стать частью производства востребованных химических продуктов.

Как отмечает Эстебан Мехия, промышленное применение метода для производства нейлона позволит снизить экологическую нагрузку и уменьшить зависимость отрасли от ископаемого сырья.

Пока технология находится на стадии исследований. Ученым предстоит повысить селективность реакции, разобраться в ее механизмах и проверить возможность перехода к пилотному производству.