Репортаж от Wedoany，Пластиковые изделия окружают нас в повседневной жизни, но после утилизации они относятся к одной из самых сложных для переработки категорий отходов на Земле. Традиционные процессы переработки требуют предварительной сортировки пластика по типам, что является трудоёмким и дорогостоящим этапом. Из всех пластиковых отходов в мире лишь 9% попадают в переработку, 79% захораниваются на полигонах, а остальные 12% сжигаются с выделением углекислого газа.
Совместная команда исследователей из Инженерной школы Сэмюэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA Samueli School of Engineering) и Женского университета Ихва (Ewha Womans University) продемонстрировала химический метод прямого преобразования смеси трёх распространённых типов пластика в высокочистый водород. Этот метод работает при температуре значительно ниже традиционной газификации и связывает углекислый газ в виде твёрдых минералов, не выбрасывая парниковые газы в атмосферу.
Результаты опубликованы в журнале «Труды Национальной академии наук США» (Proceedings of the National Academy of Sciences). Используемый в исследовании процесс щелочной термической обработки (alkaline thermal treatment, ATT) задействует гидроксид натрия, который при нагревании вступает в реакцию с органическими веществами, обеспечивая выделение водорода. Процесс позволяет перерабатывать смешанные отходы полиэтилентерефталата (ПЭТ), полиэтилена (ПЭ) и полипропилена (ПП) в одном реакторе, производя водород чистотой более 90% без предварительной сортировки.
Соавтор-корреспондент статьи, декан Инженерной школы Сэмюэли UCLA, профессор химической и биомолекулярной инженерии кафедры Ronald and Valerie Sugar А-Хён «Алисса» Пак отметила, что пластиковые отходы накапливаются с угрожающей скоростью, а чистый водород имеет решающее значение для декарбонизации энергетики. Данная технология одновременно решает обе эти проблемы творческим и масштабируемым способом.
Процесс ATT адаптирован из метода получения водорода из биомассы, включая морские водоросли, ранее разработанного Пак и соавтором-корреспондентом статьи, профессором химической инженерии и материаловедения Женского университета Ихва Ву-Джэ Кимом. В лабораторных экспериментах команда применила усовершенствованный процесс ATT для преобразования ПЭТ, ПЭ и ПП в высокочистый водород при температуре на 300–400 градусов Цельсия ниже, чем при традиционной паровой газификации, при этом выход водорода из ПЭТ значительно увеличился.
Полиэтилен и полипропилен состоят исключительно из углерод-водородных связей, химически инертны в щелочной среде и при отдельной реакции дают низкий выход водорода. Для активации этих двух типов пластика исследователи разработали термоокислительную предобработку: перед основной реакцией пластик кратковременно нагревают на воздухе при умеренной температуре, что вводит кислородсодержащие функциональные группы в полимерные цепи и создаёт реакционные центры для щелочной обработки.
После активации все три типа пластика эффективно разлагаются. Высвобождаемый в ходе реакции углерод улавливается реагентом гидроксидом натрия и преобразуется в твёрдый карбонат натрия, а не выделяется в виде углекислого газа. Последующий анализ показал, что более 75% углерода исходного пластика сохраняется в виде стабильных карбонатов или жидких органических остатков, доля газообразных продуктов составляет менее 13%, а прямые выбросы углерода в атмосферу пренебрежимо малы. Карбонат натрия может быть преобразован в карбонат кальция с помощью простого процесса рециклинга, фиксируя углерод в минералах, широко используемых в традиционных углеродоёмких отраслях промышленности.
Прежние низкотемпературные методы преобразования пластиковых отходов в водород, включая солнечную фотореформу и электрохимическую конверсию, применимы только к кислородсодержащим пластикам, таким как ПЭТ, и не могут обрабатывать полиэтилен и полипропилен, составляющие наибольшую долю в потоке отходов. Высокотемпературная газификация способна перерабатывать несортированные смешанные пластики, но сопровождается значительными выбросами углекислого газа. Данное исследование — первый случай, когда собственный метод команды одновременно устраняет все три указанных ограничения.
Ким отметил, что затраты на сортировку и сложность процесса долгое время были основными препятствиями для коммерциализации. Данная технология снижает оба барьера и способна стать ключевой технологией следующего поколения, поддерживающей водородную и циркулярную экономику.
Исследовательская группа отмечает, что процесс требует дальнейшей оптимизации и оценки экономической целесообразности перед масштабным развёртыванием.
Исследование финансировалось Национальным исследовательским фондом Кореи (National Research Foundation of Korea). В число других авторов входят Чиын Пак, Херин Со и Чивон Ли из Женского университета Ихва, Хёна Ким из Корейского аэрокосмического университета (Korea Aerospace University), Хён-Гю Лим из Национального университета Канвон (Kangwon National University) и Вонхо Чон из Университета Соган (Sogang University).
