Уничтожение прочных пластиковых соединений

Новый процесс восстанавливает 99% мономеров (показано здесь), строительных блоков нейлона. После восстановления мономеров промышленность может перерабатывать нейлон в более ценную продукцию. Предоставлено: Северо-Западный университет.

Рыболовные сети, ковры и одежда разлагаются, не образуя вредных побочных продуктов. Многим людям знакомы тревожные сцены с участием морских существ, таких как морские черепахи, дельфины и тюлени, попавших в ловушку выброшенных рыболовных сетей.

Основная проблема нейлона-6, пластика, который содержится в этих сетках, а также в коврах и одежде, заключается в его чрезмерной прочности и долговечности, препятствующих его естественному разложению. Следовательно, попадая в окружающую среду, он сохраняется на тысячи лет, загрязняя водоемы, повреждая коралловые рифы и подвергая опасности птиц и морских животных.

Теперь химики Северо-Западного университета разработали новый катализатор, который быстро, чисто и полностью расщепляет нейлон-6 за считанные минуты — без образования вредных побочных продуктов. Еще лучше: этот процесс не требует токсичных растворителей, дорогих материалов или экстремальных условий, что делает его практичным для повседневного применения.

Этот новый катализатор может не только сыграть важную роль в восстановлении окружающей среды, но и стать первым шагом в переработке отходов нейлона-6 в более ценную продукцию.

Посмотрите, как катализатор разлагает 1-граммовый образец нейлона-6. Предоставлено: Северо-Западный университет.

Исследование было недавно опубликовано в журнале Chem.

• «Весь мир знает о проблеме пластика», — сказал Тобин Маркс из Northwestern, старший автор исследования.
• «Пластик — часть нашего общества; мы используем так много этого. Но проблема в том, что мы будем делать, когда закончим с этим? В идеале мы бы не сжигали его и не выбрасывали на свалку. Мы бы переработали его. Мы разрабатываем катализаторы, которые разрушают эти полимеры, возвращая им первоначальную форму, чтобы их можно было использовать повторно».

Маркс является профессором химии Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон и профессором каталитической химии Владимира Н. Ипатьева в Вайнбергском колледже искусств и наук Северо-Западного университета, а также профессором материаловедения и инженерии в Инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета. Он также является научным сотрудником Института устойчивого развития и энергетики Паулы М. Триененс. В число соавторов Northwestern входят Линда Дж. Бродбелт, профессор химической и биологической инженерии Сары Ребекки Роланд и старший заместитель декана Маккормика, и Йоси Кратиш, доцент-исследователь в группе Маркса.

Смертельная трудность

От одежды до ковров и ремней безопасности, нейлон-6 содержится в различных материалах, которые большинство людей используют каждый день. Но когда люди заканчивают использовать эти материалы, они оказываются на свалках или, что еще хуже, в окружающей среде, включая океан. По данным Всемирной федерации дикой природы, каждый год в океан выбрасывается до 1 миллиона фунтов рыболовных снастей, а рыболовные сети из нейлона-6 составляют не менее 46% Большого Тихоокеанского мусорного пятна.

Морская черепаха запуталась в брошенной рыболовной сети. 1 кредит

• «Рыболовные сети теряют качество после нескольких лет использования», — сказал Ливэй Йе, ведущий первый автор статьи, аспирант в лаборатории Маркса.
• «Они настолько заболачиваются, что их трудно вытащить из океана. И их настолько дешево заменить, что люди просто оставляют их в воде и покупают новые».
• «В океане много мусора», — добавил Маркс. «Картон и пищевые отходы биоразлагаются. Металлы опускаются на дно. Тогда нам остается пластик».

Самый зеленый растворитель – не растворитель

Современные методы утилизации нейлона-6 ограничиваются простым захоронением его на свалках. Когда нейлон-6 сгорает, он выделяет токсичные загрязнители, такие как оксиды азота, которые связаны с различными осложнениями для здоровья, включая преждевременную смерть, или углекислый газ, печально известный мощный парниковый газ.

Хотя другие лаборатории исследовали катализаторы для разложения нейлона-6, эти катализаторы требуют экстремальных условий (например, температур до 350 градусов по Цельсию ), пара высокого давления (который энергетически дорог и неэффективен) и/или токсичных растворителей, которые только способствуют к большему загрязнению.

• «Вы можете растворить пластик в кислоте , но тогда у вас останется грязная вода», — сказал Маркс. «Что ты с этим делаешь? Цель всегда состоит в том, чтобы использовать зеленый растворитель. И какой растворитель безопаснее, чем полное отсутствие растворителя?»

Восстановление строительных блоков для вторичной переработки

Чтобы обойти эти проблемы, исследователи обратились к новому катализатору, уже разработанному в лаборатории Маркса. Катализатор использует иттрий (недорогой металл, богатый Землей) и ионы лантаноидов. Когда команда нагрела образцы нейлона-6 до температуры плавления и нанесла катализатор без растворителя, пластик развалился, вернувшись к исходным строительным блокам, не оставив после себя побочных продуктов.

«Вы можете думать о полимере как о ожерелье или нитке жемчуга», — объяснил Маркс. «В этой аналогии каждая жемчужина представляет собой мономер. Эти мономеры являются строительными блоками. Мы придумали, как сломать ожерелье, но вернуть жемчуг».

Новый катализатор разлагает образец нейлона-6 за считанные минуты. Предоставлено: Северо-Западный университет.

В ходе экспериментов Маркс и его команда смогли восстановить 99% исходных мономеров пластика. В принципе, эти мономеры затем можно было бы переработать в более ценные продукты, которые в настоящее время пользуются большим спросом из-за их прочности и долговечности.

«Переработанный нейлон на самом деле стоит больше денег, чем обычный нейлон», — сказал Маркс. «Многие модные бренды высокого класса используют в одежде переработанный нейлон».

Эффективное воздействие на Нейлон-6

Помимо извлечения высокого выхода мономеров, катализатор обладает высокой селективностью — действует только на полимеры нейлона-6, не разрушая окружающие материалы. Это означает, что промышленность может применять катализатор к большим объемам несортированных отходов и избирательно нацеливаться на нейлон-6.

«Если у вас нет селективного катализатора, то как отделить нейлон от остальных отходов?» — сказал Маркс. «Вам придется нанять людей, чтобы они рассортировали весь мусор и удалили нейлон. Это чрезвычайно дорого и неэффективно. Но если катализатор только разлагает нейлон и оставляет все остальное, это невероятно эффективно».

Переработка этих мономеров также позволяет избежать необходимости производить больше пластика с нуля.

«Эти мономеры производятся из сырой нефти, поэтому они оставляют огромный углеродный след», — сказал Йе. «Это просто неустойчиво».

Что дальше?

После подачи патента на новый процесс Маркс и его команда уже заинтересовались потенциальными промышленными партнерами. Они надеются, что другие смогут использовать их катализаторы в больших масштабах, чтобы помочь решить глобальную проблему пластика.

«Наше исследование представляет собой значительный шаг вперед в области переработки полимеров и устойчивого управления материалами», — сказал Йе. «Инновационный подход устраняет критический пробел в существующих технологиях переработки, предлагая практичное и эффективное решение проблемы нейлоновых отходов. Мы считаем, что это имеет значение для сокращения воздействия пластика на окружающую среду и содействия развитию экономики замкнутого цикла».

Исследование проводилось при поддержке RePLACE (Редизайн полимеров для использования экономики замкнутого цикла), финансируемого Управлением науки Министерства энергетики США (номера наград SC0022290 и DE-FG02-03ER15457) и Национальным научным фондом (номер гранта CHE-1856619).). Дополнительная поддержка поступила от Института катализа энергетических процессов, который является крупным исследовательским проектом в рамках Центра катализа и наук о поверхности Института устойчивого развития и энергетики Паулы М. Триененс.

Источник

Метки: Катализаторы