Мы привыкли считать весь пластик одинаковым, но, как несложно заметить при сортировке мусора, бутылки для воды, канистры для молока, коробки для яиц и даже кредитные карты изготавливаются из совершенно разных материалов.
Достигнув перерабатывающего предприятия, пластик необходимо разделить — процесс, который часто бывает медленным, дорогим и, в конечном итоге, ограничивает количество и виды материалов, которые подлежат вторичной переработке.
Теперь исследователи разработали новый метод, способный превращать смесь различных типов пластика в пропан — простое химическое сырье, которое можно использовать как топливо или преобразовывать в новые пластики и другие продукты. Этот процесс работает потому, что, несмотря на различия в точной химии, в основе многих пластмасс лежит схожий рецепт: они состоят из длинных цепей, собранных преимущественно из углерода и водорода.
В сочетании с принятием соответствующих политик и природоохранных мер, переосмысление рециклинга может сыграть ключевую роль в предотвращении наихудших последствий пластикового загрязнения.
Ежегодно в мире производится более 400 миллионов метрических тонн пластика. Из этого объема менее 10% направляется на переработку, около 30% некоторое время остается в использовании, а остальное попадает на свалки, в окружающую среду или сжигается. Пластиковое производство также является значительным фактором изменения климата: в 2019 году на него пришлось 3,4% мировых выбросов парниковых газов. Новые способы получения строительных блоков для пластмасс, помимо уменьшения их попадания на свалки и в океаны, могут помочь сократить и эти выбросы.
«По сути, мы пытаемся найти способы рассматривать эти отходы пластика как ценное сырье», — говорит Джули Роррер, постдокторант в области химической инженерии в Массачусетском технологическом институте (MIT) и один из ведущих авторов недавнего исследования.
Главное преимущество нового подхода, разработанного Роррер и ее коллегами, заключается в том, что он применим к двум наиболее распространенным сегодня видам пластика: полиэтилену и полипропилену. В реактор загружается смесь пластика от бутылок и молочных канистр, а на выходе получается пропан. Эффективность этого подхода высока: пропан составляет около 80% конечных газообразных продуктов.
«Это действительно впечатляет, поскольку это шаг к идее цикличности», — добавляет Роррер.
Чтобы снизить энергозатраты на расщепление пластика, в процессе используется катализатор, состоящий из двух компонентов: кобальта и пористого, похожего на песок материала, называемого цеолитом. Исследователи все еще не до конца понимают, как именно эта комбинация работает, но Роррер предполагает, что селективность достигается благодаря порам в цеолите, которые ограничивают места реакции длинных молекулярных цепей пластика, в то время как кобальт помогает цеолиту не деактивироваться.
Однако до промышленного применения этого метода еще далеко. В настоящее время реакция проводится небольшими партиями, и для экономической целесообразности ее, вероятно, потребуется сделать непрерывной.
Роррер отмечает, что исследователи также рассматривают вопрос о выборе материалов. Кобальт более распространен и дешевле некоторых других опробованных катализаторов, таких как рутений и платина, но поиск альтернатив продолжается. Лучшее понимание работы катализаторов может позволить заменить кобальт на более дешевые и доступные аналоги, говорит Роррер.
Конечная цель — это система переработки с полностью смешанным потоком сырья, и Роррер считает, что «эта концепция не является чем-то совершенно нереалистичным».
Тем не менее, для достижения этой цели потребуются некоторые корректировки. Полиэтилен и полипропилен — простые цепи из углерода и водорода, в то время как некоторые другие виды пластика содержат дополнительные элементы, такие как кислород и хлор, которые могут стать проблемой для методов химической переработки.
Например, если в систему попадет поливинилхлорид (ПВХ), широко используемый в трубах и бутылках, он может деактивировать или отравить катализатор и при этом вызвать образование токсичных побочных газов. Поэтому исследователям еще предстоит найти решения для работы с этим пластиком.
Ученые также изучают другие подходы к решению проблемы смешанной переработки. В исследовании, опубликованном в журнале Science в октябре, исследователи использовали химический процесс в сочетании с генетически модифицированными бактериями для разложения смеси трех распространенных видов пластика.
Первый этап, включающий химическое окисление, расщепляет длинные цепи, образуя более мелкие молекулы с присоединенным кислородом. Этот подход эффективен, поскольку окисление «довольно неразборчиво» и работает с широким спектром материалов, объясняет Шеннон Шталь, ведущий автор исследования и химик из Висконсинского университета.
Окисление пластиков дает продукты, которые затем могут быть «поглощены» почвенными бактериями, модифицированными для их переваривания. Изменяя метаболизм этих бактерий, исследователи в конечном итоге смогут получать новые виды пластика, например, новые формы нейлона.
Это исследование все еще находится в стадии разработки, — говорит Алли Вернер, биолог из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии и один из авторов исследования в Science. В частности, команда работает над лучшим пониманием метаболических путей, которые используют бактерии для производства продуктов, чтобы ускорить процесс и получать больше полезных материалов.
Этот подход потенциально можно масштабировать, поскольку и окисление, и генетически модифицированные бактерии уже широко используются: нефтехимическая промышленность полагается на окисление для производства миллионов тонн материалов ежегодно, а микроорганизмы применяются в таких отраслях, как разработка лекарств и пищевая промышленность.
По мере того как биологи, подобные Вернер, и химические инженеры, как Роррер, обращают свое внимание на новые методы переработки пластика, открываются возможности для коренного пересмотра того, как мы справляемся с огромными объемами пластиковых отходов.
«Это та задача, которую наше сообщество вполне способно решить», — заключает Роррер. И она отмечает значительный приток новых исследователей, начинающих работать над пластиком: «Кажется, все, кому не лень, включаются в тему апсайклинга пластика».
