Як ми перетворили пластикові відходи на оцет: прорив, що працює на сонячній енергії

(MENAFN- The Conversation) Пластик є одним із найміцніших матеріалів, які люди коли-небудь створювали. Така довговічність зробила його незамінним у медицині, пакуванні харчових продуктів і транспортуванні. Але вона також створила одну з ключових екологічних проблем, з якими ми зіткнулися.

Щороку у всьому світі виробляються сотні мільйонів тонн пластику. Багато з нього потрапляє на полігони, в інсинератори або в природне середовище, де він може зберігатися протягом століть.

Методи, які ми маємо для позбавлення від забруднення пластиком, мають свої недоліки. Якщо його відправляти на полігони, то хімікати та мікропластик можуть просочуватися в довкілля, що його оточує.

Спалювання вивільняє шкідливі дими та токсини. Механічна переробка часто знижує клас пластмас, перетворюючи їх на продукцію нижчої вартості, тоді як хімічна переробка зазвичай потребує високих температур, високих тисків і великої кількості енергії.

Мої колеги та я нещодавно опублікували дослідження, яке розглядає зовсім іншу можливість: використання сонячного світла та каталізатора на основі заліза для прямого перетворення звичайних відходів пластику на оцтову кислоту — ключовий компонент оцту та важливу промислову хімічну речовину.

Замість того, щоб розглядати пластик суто як відходи, наше дослідження показує, що його можна перетворити на корисне за помірних умов.

Вчитись у гриба, що розкладає деревину

Натхнення для нашого дослідження прийшло з природи. Білорозкладний гриб (Phanerochaete chrysosporium) відомий своєю здатністю руйнувати лігнін — один із найтвердіших полімерів, що міститься в деревині. Він робить це за допомогою ферментів, які утворюють сильно реакційноздатні хімічні види, здатні розбирати складні вуглецеві структури.

Ми замислилися, чи може синтетичний матеріал імітувати цю стратегію.

Каталізатор, який ми розробили, — це вуглецевий нітрид, легований залізом, напівпровідник, що поглинає видиме світло. Потім ми закріпили окремі атоми заліза, створивши те, що вчені називають каталізатором одиночних атомів.

Замість того щоб утворювати наночастинки, кожен атом заліза ізольований і вбудований у структуру вуглецевого нітриду. Така атомна точність є критично важливою. Кожен атом заліза поводиться так, як активний центр у природному ферменті, максимізуючи ефективність, одночасно зберігаючи стабільність.

Реакція у два етапи, що живиться світлом

Система працює через каскад світлозумовлених реакцій.

Під сонячним світлом і в присутності перекису водню залізні ділянки активують перекис, щоб утворити сильно реакційноздатні гідроксильні радикали. Радикал — це атом, молекула або іон, що має щонайменше один неспарений електрон. Саме тому вони є надзвичайно хімічно реакційноздатними.

Ці радикали атакують довгі вуглецеві ланцюги, з яких складаються пластики, такі як поліетилен (використовується в пакетах), поліпропілен (контейнери для харчових продуктів), ПЕТ (пляшки для напоїв) і навіть ПВХ (труби та пакування).

Полімери поступово окиснюються й розкладаються на менші молекули, зрештою утворюючи вуглекислий газ (CO2).

Замість того щоб дозволити цьому CO2 вийти назовні, той самий каталізатор виконує другу роботу: він використовує сонячне світло, щоб відновити CO2 до оцтової кислоти. Іншими словами, вуглець у відходах пластику спочатку окиснюється, а потім збирається заново в нову, цінну молекулу.

По суті, цей підхід руйнує пластик і перетворює отриманий вуглець на товарну хімічну речовину в одній системі. Саме це відрізняє його від більшості наявних технологій переробки.

Чому саме оцтова кислота?

Оцтова кислота найвідоміша як кислий компонент оцту, але вона також є головною промисловою сировиною. Її використовують для виробництва клеїв, покриттів, розчинників, синтетичних волокон і фармацевтичних препаратів.

Світовий попит сягає мільйонів тонн щороку, що становить ринок на багато мільярдів доларів.

Наразі більшість оцтової кислоти виробляють через енергоємний процес, який називається метанол-карбонілюванням, де метанол реагує з чадним газом при високих температурах.

Перетворення відходів пластику на оцтову кислоту пропонує потенційний циклічний шлях: замість видобування нового вуглецю ми використовуємо вуглець, який уже присутній у матеріалах, що були викинуті.

У наших експериментах система виробляла оцтову кислоту зі швидкістю, порівнянно сприятливою з іншими опублікованими методами перетворення пластику, що живляться світлом. Коли ми підвищили ефективність використання світла всередині реактора, швидкість виробництва суттєво зросла.

Важливо, що реакція відбувалася при кімнатній температурі та звичайному атмосферному тиску. Це контрастує з багатьма методами хімічної переробки, які вимагають нагрівати пластики до кількох сотень градусів Цельсія.

Робота з реальним пластиком

Лабораторні дослідження часто фокусуються на чистих, окремих типах пластику. Але реальні потоки відходів є змішаними й забрудненими. Тому ми тестували різні поширені пластики окремо, а також їхні суміші.

Наш каталізатор міг перетворювати кілька основних видів пластмас товарного класу. Цікаво, що ПВХ показав особливо сильні результати. Ми вважаємо, що хлор, який вивільняється під час його розпаду, може генерувати додаткові реакційноздатні радикали, прискорюючи деградацію.

Атоми заліза залишалися атомно розподіленими після багаторазового використання, що вказує на хорошу стабільність. Це важливо, тому що деградація каталізатора або вилуговування металу можуть підірвати і ефективність, і екологічну безпеку.

Система справді покладається на додавання перекису водню, який витрачається під час реакції. Хоча перекис водню розкладається на воду й кисень і вважається відносно нешкідливим, майбутні роботи мають вирішити, як його можна постачати сталим чином у великих масштабах.

Від концепції до практики

Масштабування будь-якого нового хімічного процесу створює виклики. Проникнення світла, конструкція реактора та мінливість сировинних потоків відходів пластику впливають на ефективність. Додатки в комерційних пластиках — такі як стабілізатори, пігменти та пластифікатори — також можуть впливати на результати реакції.

Щоб оцінити здійсненність, ми провели попередню техніко-економічну оцінку. Це спосіб проаналізувати потенційні економічні вигоди промислового процесу або продукту.

Хоча потрібна подальша оптимізація, наш аналіз припускає, що поєднання очищення відходів із виробництвом цінної хімічної речовини може допомогти компенсувати витрати — особливо коли враховуються екологічні переваги.

Більш широко, ця робота демонструє силу каталізаторів із одиночними атомами та дизайн, натхненний біологією. Імітуючи те, як ферменти керують реакційністю в точних металевих центрах, ми можемо досягати складних хімічних перетворень за помірних умов, використовуючи сонячне світло як джерело енергії.

Переносимо акцент на життєвий цикл пластику

Проблему пластикового забруднення неможливо вирішити за допомогою однієї технології. Зменшення непотрібного використання пластику, покращення дизайну продуктів і посилення систем переробки — усе це є необхідним.

Перетворення відходів пластику на корисні хімічні речовини пропонує додаткову стратегію. Це переосмислює пластик не лише як екологічний тягар, а й як ресурс вуглецю.

Якщо ми зможемо ефективно й у масштабі використовувати сонячне світло для здійснення цих перетворень, тодішня викинута упаковка може стати майбутньою промисловою сировиною.

Зараз виклик полягає в тому, щоб перетворити наші лабораторні досягнення на надійні, масштабовані системи. Якщо це вдасться, це стане кроком до більш циклічної економіки — такої, де відходи не є кінцем історії, а початком нової.

MENAFN11032026000199003603ID1110848949