Аннотация:
Пластиковые отходы часто считаются одним из самых сложных видов современных отходов для утилизации, но ученые изучают новый путь химической переработки: использование высокотемпературной расплавленной соли в качестве реакционной среды для расщепления и преобразования обычных пластмасс в ценное топливо и химическое сырье. По сравнению с традиционной механической переработкой, этот метод не требует строгой классификации пластика, а также позволяет использовать пластиковые отходы, которые были загрязнены, смешаны или которые трудно переработать непосредственно из-за природы материала.
В настоящее время количество пластиковых отходов, ежегодно производимых во всем мире, чрезвычайно велико, но доля, которая фактически попадает в систему переработки, по-прежнему очень мала. Большое количество пластика попадает на свалки или сжигается напрямую, в результате чего образуется углекислый газ и другие загрязняющие вещества. Традиционная переработка особенно сложна для смешанных пластиков, состоящих из разных полимеров, поскольку разные пластики требуют разных процессов обработки.
Поэтому ученые искали химический метод, который мог бы напрямую справиться со смешанными пластиками. Вместо переплавки пластика для получения низкокачественного вторичного пластика цель химической переработки состоит в том, чтобы разрушить длинные полимерные цепи на молекулярном уровне и превратить их обратно в более мелкие молекулы углеводородов для получения топлива, смазочных материалов или другого химического сырья.
Смысл этого исследования заключается в использовании высокотемпературной расплавленной соли для создания особой реакционной среды. Расплавленная соль может оставаться жидкой при высоких температурах, обладает хорошей способностью к теплопередаче и может участвовать в сложных химических реакциях или стимулировать их. Исследователи использовали это свойство, чтобы позволить пластиковым полимерам разрушаться в относительно контролируемых условиях.
При обычных обстоятельствах пластмассы, такие как полиэтилен и полипропилен, состоят из очень стабильных углерод-водородных связей. Эффективный демонтаж этих длинноцепочечных молекул обычно требует более высоких температур. Хотя традиционный термический крекинг может завершить этот процесс, он часто требует большого количества энергии, а состав продукта сложен и требуется дальнейшая обработка.
Система расплавленной соли может обеспечить более равномерную среду нагрева и способствовать цепной реакции разрыва молекул пластика. После того, как пластик попадает в реакционную систему, длинноцепочечные полимеры постепенно распадаются на более короткие углеводороды, в конечном итоге образуя жидкие и газообразные продукты, которые можно далее перерабатывать и утилизировать.
Одним из самых больших потенциальных преимуществ этой технологии является то, что она позволяет сократить очень дорогостоящий этап предварительной обработки в процессе переработки пластика. На самом деле пластиковые отходы зачастую не представляют собой единый материал. Кусок мусора может содержать различные виды пластика, добавки, пигменты и другие примеси. Если бы каждый материал приходилось сортировать индивидуально, это значительно увеличило бы стоимость предприятия по переработке отходов.
Идея химической трансформации другая. Поскольку разные пластмассы в конечном итоге могут расщепляться в одной и той же реакционной системе, некоторые сложные этапы ручной сортировки можно пропустить. Это значит, что теоретически сырьем для этого процесса могут стать смешанные пластики из бытовых отходов, упаковочных материалов и других потребительских товаров.
Исследователей особенно интересуют полиэтилен и полипропилен, поскольку на эти два материала приходится большая доля мировых пластиковых отходов, а также они являются материалами, которые часто сталкиваются с экономическими проблемами в системах механической переработки. Их химическая структура относительно стабильна, что затрудняет их прямое преобразование в ценные продукты посредством традиционной низкотемпературной химической обработки.
Повышая реакционную способность системы расплавленных солей, исследователи могут способствовать разрыву цепей в этих стабильных полимерах и превращать полимерные цепи, которые изначально имели длину в тысячи или даже десятки тысяч, в более мелкие молекулы. Эти молекулы в дальнейшем могут быть использованы в качестве топлива или сырья для нефтехимической промышленности.
Значение этого метода по сравнению с простым сжиганием пластика заключается в том, что углерод не выбрасывается сразу в атмосферу в виде углекислого газа, а сохраняется в новых химических продуктах. Если эти продукты снова попадут в систему промышленного производства, то есть шанс, что углерод в пластике можно будет использовать повторно, а не сразу выбрасывать в окружающую среду.
Конечно, это не означает, что после такой обработки пластик автоматически становится «топливом с нулевым выбросом углерода». Если конечный продукт сжигается напрямую, содержащийся в нем углерод все равно попадет в атмосферу в виде углекислого газа. Таким образом, этот тип технологии точнее относится к химической переработке и использованию ресурсов пластиковых отходов, а его экологические преимущества во многом зависят от источника энергии, эффективности реакции и того, как используется конечный продукт.
Исследователям также необходимо решить проблему переработки самой расплавленной соли. Работа в промышленных масштабах требует непрерывного нагрева больших количеств реагентов и обеспечения стабильности расплавленной соли в течение длительного времени. Если расплавленная соль разлагается, загрязняется или становится менее активной при многократном использовании, эксплуатационные расходы могут увеличиться.
Кроме того, настоящие пластиковые отходы гораздо сложнее, чем чистый пластик, найденный в лаборатории. Фактические отходы могут содержать металлы, бумагу, стекло, пигменты, пластификаторы, антипирены и другие органические и неорганические вещества. Эти ингредиенты могут повлиять на эффективность реакции или привести к образованию побочных продуктов, требующих дополнительной обработки.
Поэтому до сих пор существует определенная дистанция между этим типом технологии и крупномасштабным коммерческим применением. Возможность на лабораторном этапе доказать, что тот или иной пластик можно эффективно перерабатывать, не означает, что промышленные предприятия уже могут перерабатывать десятки или даже сотни тонн смешанных отходов с достаточно низкими затратами.
Если эти проблемы удастся решить, химическая переработка расплавленной соли может стать важным дополнением к традиционным системам механической переработки. Отходы, которые сильно загрязнены, слишком смешаны или которые не могут быть переработаны в пластиковые изделия традиционными способами, могут быть отправлены на предприятия химической переработки для восстановления потребительской ценности на молекулярном уровне.
Этот маршрут также меняет традиционное представление людей о «переработке пластика». В прошлом переработка обычно подразумевала дробление, очистку, плавку и последующее производство новых пластиковых изделий; химическая переработка ближе к «разборке и повторному использованию», при которой полимеры сначала разлагаются на их основные химические компоненты, а затем перерабатываются в топливо или другие химические продукты по мере необходимости.
Поскольку глобальная проблема пластикового загрязнения продолжает обостряться, ученые полагают, что маловероятно, что в будущем можно будет полагаться на одну технологию для решения всех проблем с пластиковыми отходами. Механическая переработка подходит для относительно чистых, четко определенных пластиков, в то время как химическая переработка может обрабатывать более сложные смешанные отходы, тогда как материалы, которые совершенно не подлежат вторичной переработке, в конечном итоге могут потребовать других методов утилизации.
Если процесс высокотемпературной расплавленной соли позволит еще больше повысить энергоэффективность, снизить затраты на оборудование и обеспечить переработку расплавленной соли и продуктов реакции, то ожидается, что эта технология откроет новый путь переработки пластиковых отходов, отличающийся от традиционных свалок и сжигания. Что действительно привлекательно в этом, так это не просто «превращение пластика в топливо», а попытка повторно использовать пластик, который потерял свою ценность для переработки на молекулярном уровне, превращая долговременные отходы в углеродные ресурсы, которые все еще имеют экономическую ценность.
Комментарии