Способ превращения пластика в мыло

Исследователи разработали метод переработки пластмасс в ценные поверхностно-активные вещества, используемые в таких продуктах, как мыло и моющие средства. Это открытие, основанное на молекулярном сходстве между полиэтиленовыми пластиками и жирными кислотами, может предложить выгодную и экологически чистую альтернативу традиционной переработке.

Исследователи разработали новый метод переработки пластика, например пластиковых пакетов из-под молока, пищевых контейнеров и пластиковых пакетов, в мыло.

Метод: нагрейте длинные углеродные цепи в пластике, а затем быстро охладите их.

Исследователи из Технологического института Вирджинии разработали новую технологию переработки пластмасс в ценные химические вещества, называемые поверхностно-активными веществами, которые используются для создания мыла, моющих средств и многого другого.

Пластмассы и мыло, как правило, имеют мало общего, когда дело касается текстуры, внешнего вида и, что наиболее важно, способа их использования. Но между ними существует удивительная связь на молекулярном уровне: химическая структура полиэтилена — одного из наиболее часто используемых сегодня пластиков в мире — поразительно похожа на структуру жирной кислоты, которая используется в качестве химического предшественника мыло. Оба материала состоят из длинных углеродных цепей, но жирные кислоты имеют дополнительную группу атомов на конце цепи.

Производство мыла из пластмассы

Гуолян «Грег» Лю, доцент кафедры химии в Технологическом колледже Вирджинии, уже давно считал, что это сходство означает, что можно преобразовывать полиэтилен в жирные кислоты — и с помощью нескольких дополнительных этапов процесса — для производства мыла. Задача заключалась в том, как разбить длинную полиэтиленовую цепь на множество коротких, но не слишком коротких цепочек и как сделать это эффективно. Лю считал, что существует потенциал для нового метода вторичной переработки, который мог бы использовать дешевые пластиковые отходы и превратить их в ценный и полезный товар.

Гуолян «Грег» Лю держит обычный кувшин с водой в своей лаборатории в Хан Холл Юг. Фото: Стивен Маккей для Технологического института Вирджинии.

Поразмыслив некоторое время над этим вопросом, Лю ощутил вдохновение, наслаждаясь зимним вечером у камина. Он наблюдал, как дым поднимается от огня, и думал о том, что дым состоит из мельчайших частиц, образующихся при сгорании древесины.

Хотя пластик никогда не следует сжигать в камине по соображениям безопасности и охраны окружающей среды, Лю начал задаваться вопросом, что произойдет, если полиэтилен можно будет сжигать в безопасных лабораторных условиях. Будет ли неполное сгорание полиэтилена производить «дым», как это происходит при сжигании древесины? Если бы кто-то поймал этот дым, из чего бы он состоял?

• «Дрова в основном изготавливаются из полимеров, таких как целлюлоза. Сгорание дров разбивает эти полимеры на короткие цепочки, а затем на небольшие газообразные молекулы перед полным окислением до углекислого газа», — сказал Лю, обладатель стипендии младшего факультета естественных наук Блэквуда на кафедре химии.
• «Если мы аналогичным образом расщепим молекулы синтетического полиэтилена, но остановим процесс до того, как они полностью распадутся на небольшие газообразные молекулы, то мы должны получить короткоцепочечные полиэтиленоподобные молекулы».

С помощью Чжэнь Сюя и Эрика Муньянезы два доктора философии. Студенты-химики из лаборатории Лю построили небольшой реактор, похожий на печь, в котором они могли нагревать полиэтилен в процессе, называемом термолизом в температурном градиенте. Внизу печь имеет достаточно высокую температуру, чтобы разорвать полимерные цепи, а вверху печь охлаждается до достаточно низкой температуры, чтобы остановить дальнейшее разрушение. После термолиза они собрали остаток — аналогично очистке сажи из дымохода — и обнаружили, что догадка Лю была верна: он состоял из «полиэтилена с короткой цепью», или, точнее, воска.

Колба, наполненная воском, полученным из отходов полиэтилена и полипропилена, нагревается на масляной бане, и воск окисляется потоком воздуха с образованием жирных кислот посредством каталитического окисления. Фото: Стивен Маккей для Технологического института Вирджинии.

По словам Лю, это был первый шаг в разработке метода переработки пластика в мыло. Добавив еще несколько этапов, включая омыление, команда сделала первое в мире мыло из пластика. Чтобы продолжить процесс, команда заручилась помощью экспертов в области компьютерного моделирования, экономического анализа и многого другого.

Некоторые из этих экспертов были представлены команде благодаря связям с Институтом инноваций макромолекул Технологического института Вирджинии. Вместе группа документировала и совершенствовала процесс переработки, пока он не был готов к публикации в научном сообществе. Работа была недавно опубликована в журнале Science .

• «Наше исследование демонстрирует новый путь переработки пластика без использования новых катализаторов или сложных процедур. В этой работе мы продемонстрировали потенциал тандемной стратегии по переработке пластика», — сказал Сюй, ведущий автор статьи.
• «Это побудит людей разрабатывать более креативные методы переработки в будущем».

Хотя полиэтилен был пластиком, который вдохновил этот проект, метод вторичной переработки также может работать с другим типом пластика, известным как полипропилен. Эти два материала составляют большую часть пластика, с которым потребители сталкиваются каждый день: от упаковки продуктов до пищевых контейнеров и тканей. Одной из интересных особенностей нового метода вторичной переработки Лю является то, что его можно использовать с обоими пластиками одновременно, а это означает, что нет необходимости отделять их друг от друга. Это главное преимущество перед некоторыми современными методами переработки, которые требуют тщательной сортировки пластика во избежание загрязнения. Этот процесс сортировки может быть довольно сложным из-за того, насколько похожи два пластика друг на друга.

(Слева направо) Эрик Муньянеза и Гуолян «Грег» Лю готовят пластиковые материалы для переработки в жидкость жирных кислот в лаборатории Лю в Хан Холл Юг. Муньянеза также является автором исследования в журнале Science . Фото: Стивен Маккей для Технологического института Вирджинии.

Еще одним преимуществом метода вторичной переработки является то, что он требует очень простых требований: пластик и тепло. Хотя на более поздних этапах процесса требуются дополнительные ингредиенты для преобразования молекул воска в жирные кислоты и мыло, первоначальная трансформация пластика представляет собой простую реакцию. Это способствует экономической эффективности метода, а также его сравнительно небольшому воздействию на окружающую среду.

Эффективность переработки пластика в мыло

Чтобы переработка отходов была эффективной в больших масштабах, конечный продукт должен быть достаточно ценным, чтобы покрыть затраты на процесс и сделать его более экономически привлекательным, чем альтернативные варианты переработки.

Хотя мыло поначалу может показаться не особенно дорогим товаром, на самом деле оно может стоить в два или три раза дороже пластика, если сравнивать его по весу. В настоящее время средняя цена на мыло и моющие средства составляет около 3550 долларов за тонну, а на полиэтилен – около 1150 долларов за тонну. Более того, спрос на мыло и сопутствующие товары сопоставим со спросом на пластмассы.

По словам Лю, это исследование закладывает основу для нового способа сокращения отходов путем направления использованного пластика на производство других полезных материалов. Он надеется, что со временем предприятия по переработке отходов по всему миру начнут внедрять эту технологию. Если это так, то потребители могут рассчитывать на то, что однажды у них появится возможность покупать революционные экологически чистые мыльные продукты, которые также приведут к сокращению количества пластиковых отходов на свалках.

По этой причине может быть продемонстрирована экономическая жизнеспособность превращения пластмасс в мыло, добавил Лю, который также является аффилированным преподавателем программы нанонауки, входящей в состав Академии интегрированных наук Колледжа наук, а также кафедры материаловедения и Инженерное дело в Инженерном колледже Вирджинии.

• «Следует осознавать, что пластиковое загрязнение — это глобальная проблема, а не проблема нескольких основных стран. По сравнению со сложным процессом и сложным катализатором или реагентом, простой процесс может быть более доступным для многих других стран мира», — сказал Сюй.
• «Я надеюсь, что это может стать хорошим началом войны в борьбе с пластиковым загрязнением».

Источник

Метки: пластик