Na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley opracowano nowy proces katalityczny, którego celem jest „zasadnicze odparowanie” polietylenu, polipropylenu i mieszanych odpadów tworzyw sztucznych w bloki budulcowe umożliwiające ich repolimeryzację w nowe tworzywa sztuczne. Gdyby proces udało się zastosować na skalę masową, wówczas możliwe stałoby się ograniczenie skali zużycia paliw kopalnych przy produkcji nowych tworzyw sztucznych oraz odblokowanie obiegu zamkniętego dla różnych plastików jednorazowego użytku, w tym przezroczystych butelek z PET na wodę.
Około 2/3 tworzyw sztucznych wykorzystywanych przez konsumentów na świecie stanowi polietylen, składnik większości plastikowych toreb jednorazowego użytku, oraz polipropylen, z którego powstają opakowania sztywne. Około 80% z nich trafia na wysypiska, jest spalana lub po prostu wyrzucana gdzie popadnie, wskutek czego dochodzi do przenikania mikroplastików do rzek, mórz i oceanów. To, co uda się zebrać, zostaje przetworzone w procesach recyklingu na plastik niskiej wartości – twierdzą badacze z Kalifornii.
W przedmiotach codziennego użytku, od toreb na lunch po butelki na mydło do prania i dzbanki na mleko, mamy do czynienia z ogromnymi ilościami PE i PP – tak wiele z tego, co nas otacza, jest wykonane z tych poliolefin – podkreśla John Hartwig, kierownik badań i profesor chemii UC Berkeley. – Najlepsze, co możemy z nimi dzisiaj zrobić, to przywrócić je do postaci początkowego monomeru poprzez opracowane przez nas reakcje chemiczne, które rozszczepiają stabilne wiązania węgiel-węgiel. W ten sposób w stopniu dotychczas nieosiągalnym zbliżyliśmy się do tego, by nadać polietylenowi i polipropylenowi ten sam poziom cyrkularności, co w przypadku poliestrów w butelkach na wodę.
Dwa lata temu Hartwig i jego zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley (UC Berkeley) opracowali proces rozkładu plastikowych toreb z polietylenu na monomer propylenu – zwany również propenem – który można następnie ponownie użyć do produkcji tworzyw sztucznych z polipropylenu.
Do tego celu wykorzystano trzy różne katalizatory metali ciężkich. Jeden z nich dodawał podwójne wiązanie węgiel-węgiel do polimeru etylenu (polietylenu), po czym dwa pozostałe przerywały owo podwójne wiązanie i odcinały atom węgla. Atom reagował z etylenem, tworząc propylen w powtarzającym się procesie, który trwał aż do zniknięcia polimeru. Ponieważ jednak katalizatory rozpuszczały się w ciekłej reakcji, trudno było je odzyskać w aktywnej formie. Nowy proces wykorzystuje tańsze katalizatory stałe, które są powszechnie stosowane w przemyśle chemicznym w procesach przepływu ciągłego. Oznacza to, że można je ponownie wykorzystać, a procesy można zastosować w przetwórstwie dużych ilości materiału.
Student Richard J. „RJ” Conk nawiązał kontakt z Alexis Bell, inżynier chemii i ekspertką w dziedzinie katalizatorów heterogenicznych na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej, w celu przeprowadzenia eksperymentów z tymi katalizatorami. Syntetyzując katalizator sodowy na tlenku glinu, był w stanie rozbić różne łańcuchy polimerów poliolefinowych, pozostawiając tylko jeden z dwóch fragmentów z reaktywnym podwójnym wiązaniem węgiel-węgiel.
Katalizator na osnowie tlenku wolframu był następnie w stanie dodać atom węgla na końcu łańcucha do gazu etylenowego stale przepływającego przez komorę reakcyjną. W procesie znanym jako metateza olefin utworzyło to cząsteczkę polipropylenu i pozostawiło podwójne wiązanie, do którego katalizator mógł wielokrotnie uzyskiwać dostęp, aż cały łańcuch został przekształcony w propylen.
Reakcję można powtórzyć z polipropylenem, tworząc kombinację propylenu i węglowodorowego izobutylenu, który jest wykorzystywany w przemyśle chemicznym do produkcji polimerów do wysokooktanowych dodatków do benzyny i różnych produktów konsumenckich, w tym kosmetyków i piłek nożnych.
Nie ma nic tańszego niż sód – kontynuuje Hartwig. – A wolfram jest metalem naturalnie występującym w ziemi, używanym w przemyśle chemicznym na dużą skalę, w przeciwieństwie do naszych katalizatorów rutenowych, które były bardziej wrażliwe i droższe. To połączenie tlenku wolframu na bazie krzemionki oraz sodu z tlenku glinu jest jak użycie dwóch różnych rodzajów brudu i sprawienie, by razem rozłożyły cały łańcuch polimerowy na jeszcze większą ilość propenu z etylenu i kombinacji propenu i izobutylenu z polipropylenu, niż uzyskaliśmy z tymi bardziej złożonymi, drogimi katalizatorami.
Według doniesień nowe katalizatory eliminują potrzebę usuwania wodoru w celu utworzenia podwójnego wiązania węgiel-węgiel. Jest on opisywany jako pięta achillesowa polimeru, podobnie jak reaktywne wiązania węgiel-tlen w poliestrze lub PET, które teoretycznie ułatwiają recykling tworzyw sztucznych.
Pomyślcie o polimerze poliolefinowym jak o sznurze pereł – powiedział Hartwig. – Zapięcia na końcu zapobiegają ich wypadnięciu. Ale jeśli przetniesz sznurek na środku, możesz zacząć wyjmować perłę po perle.
Oba katalizatory – sodowy i wolframowy – przekształcają „niemal równą” mieszaninę polietylenu i polipropylenu w propylen i izobutylen z wydajnością prawie 90%. W przypadku gdy proces jest prowadzony oddzielnie dla polietylenu i polipropylenu, uzysk jest jeszcze większy.
Conk eksperymentował z dodawaniem domieszek tworzyw sztucznych i różnych rodzajów plastiku do komory reakcyjnej, aby sprawdzić, czy zanieczyszczenia wpłyną na reakcje katalityczne. Okazało się, że niewielka ilość PET i polichlorku winylu znacząco obniża wydajność katalizatora. Jednak ponieważ różne rodzaje plastiku w trakcie aktualnie stosowanych procesów recyklingu są rozdzielane na różne strumienie, naukowcy nie przewidują, że zanieczyszczenie będzie istotnym problemem w praktyce.
Mimo to Hartwig ostrzega, że trudne do recyklingu tworzywa sztuczne znajdujące się obecnie w obiegu mogą nadal stanowić problem w nadchodzących latach. Można argumentować, że powinniśmy pozbyć się wszystkich polietylenów i polipropylenów i używać tylko nowych materiałów zgodnych z ideą obiegu zamkniętego – powiedział. – Ale nie doczekamy się tego jeszcze przez dziesięciolecia. Poliolefiny są tanie i mają dobre właściwości, więc wszyscy ich używają. Ludzie mówią, że gdybyśmy znaleźli sposób na ich wytwarzanie zgodnie z GOP, byłaby to wielka sprawa – i właśnie to zrobiliśmy. Można sobie wyobrazić fabrykę, która się tym zajmuje na komercyjną skalę. Hartwig, Conk, Bell i ich koledzy – doktoranci Jules Stahler, Jake Shi, Natalie Lefton i John Brunn z UC Berkeley oraz Ji Yang z Lawrence Berkeley National Laboratory – opublikowali szczegóły procesu w czasopiśmie „Science” 29 sierpnia.
Opracowano na podstawie materiałów US Berkeley News
Tłumaczenie TK
Fot. Robert Sanders, US Berkeley
Alfa-Print Sp. z o.o.
ul. Świętokrzyska 14A
00-050 Warszawa
