Plast je jedným z najhoršie recyklovateľných materiálov a už niekoľko desaťročí sa trápime s jeho odstraňovaním z prírody. Vyzerá to tak, že riešenie máme na dosah ruky.
Jedným z najpoužívanejších plastov na svete je polyetylén. Zdroj: iStock/aapsky
Vedci z Národného laboratória Oak Ridge (ORNL) v štáte Tennessee v USA teraz objavili spôsob, ako tento plast rozložiť a premeniť ho na palivá podobné benzínu a nafte pomocou relatívne jednoduchej zmesi zahriatych solí.
Konkrétne ide o polyetylén, jeden z najpoužívanejších plastov na svete. V laboratórnych podmienkach ho spracúvali pri teplotách pod 200 stupňov Celzia, čo je oveľa nižšia teplota ako pri mnohých bežných metódach, pričom touto metódou vedci dosiahli približne 60-percentný výťažok.
Metóda sa zaobišla bez viacerých zložiek, ktoré sú inak potrebné pri premene plastu na palivo. Nevyžadovala drahé katalyzátory z drahých kovov, organické rozpúšťadlá ani externý prísun vodíka.
Roztavené soli nahrádzajú agresívnejšie chemické látky
Základom tohto procesu sú roztavené soli obsahujúce chlorid hlinitý. Roztavené soli sú jednoducho soli zahriate do tekutého stavu. V tomto prípade slúžila tekutá zmes solí jednak ako prostredie, v ktorom prebiehala reakcia, a jednak ako katalyzátor, ktorý ju urýchľoval.
„Premenili sme polymérny odpad na palivá s pridanou hodnotou pomocou komerčne dostupných anorganických solí, ktoré slúžili ako reakčné prostredie a zároveň poskytovali katalyticky aktívne miesta,“ uviedla Zhenzhen Yang, vedecká pracovníčka Národného laboratória Oak Ridge, ktorá bola zároveň jednou zo zodpovedných autoriek článku.
„Na rozdiel od tradičných techník premeny polymérov na palivo nový proces nevyžadoval katalyzátory z ušľachtilých kovov, organické rozpúšťadlá ani externý vodík. Je to prvýkrát, čo sa roztavené soli použili ako prostredie na výrobu chemikálií s vysokou pridanou hodnotou z odpadu bez akéhokoľvek katalytického iniciátora alebo rozpúšťadla a pri teplote nižšej ako 200 stupňov Celzia.“
Relatívne nízka teplota je dôležitou súčasťou tohto prístupu. Bežná metóda nazývaná pyrolýza rozkladá plasty pôsobením intenzívneho tepla, zvyčajne pri teplote približne 450 až 500 stupňov Celzia.
„Vyvinuli sme efektívnu a selektívnu konverziu polyetylénu na benzín,“ uviedla Liqi Qiu, postdoktorandka na Univerzite v Tennessee v Knoxville, ktorá vykonala väčšinu experimentov v rámci tejto štúdie v laboratóriu Národného laboratória Oak Ridge pod vedením Sheng Daia, vedeckého pracovníka a vedúceho oddelenia separácií a polymérnej chémie, ktorý je zároveň spoluautorom tejto štúdie.
Hliník rozbíja plastové reťazce
Výskumníci chceli pochopiť, na základe čoho fungovali roztavené soli. Polyetylén je tvorený dlhými reťazcami atómov uhlíka a vodíka. Tím zistil, že hliníkové miesta v roztavenej soli sa stávajú silne kyslými a môžu spúšťať reakcie, ktoré rozbíjajú dlhé reťazce na menšie molekuly uhľovodíkov, teda na druhy zlúčenín, ktoré sa nachádzajú v palivách.
Jedným z kľúčových krokov je tvorba kladne nabitého atómu uhlíka. Aby výskumníci mohli sledovať, čo sa počas tejto reakcie dialo, použili ako chemický marker deutérium, ťažšiu formu vodíka.
Následne využili rozptyl neutrónov v špecializovanom zariadení, ktoré je zvlášť užitočné pri sledovaní vodíka a jeho izotopov. „Tento polymér obsahuje veľa vodíka,“ uviedol Sheng Dai. „Neutróny sú ideálne na rozlišovanie ľahkých prvkov vrátane vodíka a jeho izotopov, ako je deutérium.“
Tieto merania pomohli vysvetliť, prečo rôzne formy polyetylénu produkovali rôzne druhy paliva. Jednoduchšie polymérne reťazce mali tendenciu vytvárať zlúčeniny podobné benzínu, zatiaľ čo zložitejšie reťazce generovali produkty podobné nafte.
Výskumníci sa zamerali aj na to, čo sa počas reakcie dialo so samotným hliníkovým katalyzátorom.
V zariadení Advanced Light Source v Národnom laboratóriu Lawrencea Berkeleyho vedecká pracovníčka Zhenzhen Yang spolupracovala s Min-Jae Kimom a Jinghua Guom na využití mäkkého röntgenového žiarenia na štúdium zmien v hliníkových miestach počas ich interakcie s polyetylénom.
„Hranica hliníka sa posunula k hranici s nízkou hustotou elektrónov, čo znamená, že sa vytvorili niektoré medziprodukty bohaté na elektróny,“ povedala Yang. „Porovnali sme tieto zistenia s výsledkami získanými inými technikami a potvrdili sme, že medziprodukt s aromatickým kruhom sa môže koordinovať s hliníkom a spôsobiť zmenu väzbovej energie.“
Merania poskytli dôkazy o tom, že miesta s hliníkom aktívne riadili priebeh reakcie. Tím tieto zistenia podložil viacerými ďalšími technikami, medzi ktoré patrili jadrová magnetická rezonancia, röntgenová difrakcia, plynová chromatografia s hmotnostnou spektrometriou a počítačové simulácie.
Desaťročia výskumu roztavených solí prinášajú nové využitie
Výskumníci čerpajú zo starších štúdií roztavených solí v Oak Ridge trvajúcich desaťročia. Národné laboratórium Oak Ridge sa týmito materiálmi zaoberá už od šesťdesiatych rokov 20. storočia, keď experiment s reaktorom na roztavené soli preukázal ich potenciál pri použití v jadrových reaktoroch. Sheng Dai neskôr navrhol využiť chémiu roztavených solí na riešenie úplne inej úlohy: premenu vyradených polymérov na užitočné produkty.
Roztavené soli môžu zostať stabilné aj v náročných chemických podmienkach. Ak sa novú metódu podarí zaviesť do priemyselnej praxe, mohla by nájsť široké využitie.
„Systém Národného laboratória Oak Ridge rieši dva zásadné problémy,“ vysvetľuje Sheng Dai. „Po prvé, vďaka stabilnému systému je proces radikálne jednoduchšie rozšíriť vo väčšom meradle. Po druhé, predchádzajúci systém potreboval iniciátor na spustenie katalytických reakcií. Tento systém ho však nepotrebuje.“
Ak výskumníci pochopia, ako tento proces funguje, mohli by ho využiť aj pri iných plastoch alebo chemických procesoch.
„V tomto prípade sme sa zamerali na polyetylén, široko dostupný komoditný polymér, s využitím roztavenej soli,“ povedal Tomonori Saito z Národného laboratória Oak Ridge, ktorý projekt riadil a prispel odbornými znalosťami v oblasti polymérov. „Snažíme sa pochopiť základný princíp, ktorý povedie k objavom a novým ekonomickým príležitostiam.“
Prekážkou pri rozšírení výroby je voda
Táto metóda má stále jednu významnú nevýhodu. Roztavená soľ na báze hliníka ľahko absorbuje vodu, čo znižuje stabilitu systému. Vedci teraz dúfajú, že vyvinú spôsoby, ako lepšie uchovávať a chrániť roztavené soli, možno aj s využitím halogénov alebo materiálov na báze uhlíka na zlepšenie separácie a spracovania.
Ak sa podarí prekonať tieto výzvy a proces bude možné rozšíriť za hranice laboratória, vyradený polyetylén by sa mohol stať zdrojom užitočných chemikálií podobných palivám namiesto toho, aby zostal ťažko spracovateľným plastovým odpadom. Tím podal žiadosť o patent na túto metódu.
„Polymérny zdrojový materiál je hojne dostupný zo spotrebiteľského odpadu a náš katalytický systém, roztavené soli hliníka, je veľmi lacný,“ povedala Liqi Qiu a dodala, že tento pokrok môže mať využitie v priemysle.
Zdroj: SciTech Daily
(RR)
