Смешанные пластиковые отходы научились превращать в водород без предварительной сортировки

Учёные из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и женского университета Ихва в Южной Корее разработали химический процесс, позволяющий получать водород из смеси распространённых пластиковых отходов без их предварительного разделения по типам. Результаты лабораторного исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Технология рассчитана на одновременную переработку полиэтилентерефталата — ПЭТ, полиэтилена и полипропилена. Эти материалы широко используются при производстве бутылок, упаковки, пакетов, бытовых изделий и автомобильных деталей, но из-за различий в химическом составе обычно требуют раздельной сортировки и разных способов переработки.

В основе метода лежит щелочная термическая обработка. Пластиковое сырьё нагревают в присутствии гидроксида натрия, который участвует в разложении полимеров и связывает высвобождающийся углерод. В экспериментах доля водорода в полученном газе превышала 90%.

ПЭТ вступал в реакцию сравнительно легко. Полиэтилен и полипропилен оказались более устойчивыми, поскольку состоят преимущественно из химически прочных углерод-водородных связей. Для их активации исследователи добавили предварительную стадию мягкого окислительного нагрева на воздухе. Она создаёт в полимерных цепях более реакционноспособные участки, после чего пластик эффективнее разлагается при щелочной обработке.

Процесс проходит при температуре на 300–400 градусов Цельсия ниже, чем традиционная паровая газификация пластиковых отходов. Газификация позволяет работать со смешанным сырьём, но требует сильного нагрева и сопровождается образованием значительного количества углекислого газа.

В новой системе гидроксид натрия связывает часть углерода с образованием карбоната натрия. По результатам анализа, более 75% углерода, изначально содержащегося в пластике, сохранилось в стабильных карбонатных соединениях или жидких органических остатках. Менее 13% перешло в газовую фазу, а непосредственное выделение углерода в атмосферу во время реакции исследователи назвали незначительным.

Полученный карбонат натрия можно дополнительно преобразовать в карбонат кальция — устойчивое минеральное соединение, используемое в строительстве и промышленности. Таким образом, технология предполагает не только производство водорода, но и удержание части углерода пластика в твёрдой форме.

Авторы отмечают, что другие низкотемпературные способы получения водорода из пластиков, включая фотохимические и электрохимические процессы, обычно применимы главным образом к кислородсодержащим полимерам, таким как ПЭТ. Разработанный метод позволяет дополнительно перерабатывать полиэтилен и полипропилен — одни из наиболее массовых компонентов пластиковых отходов.

При этом технология пока испытана только в лабораторных условиях. Исследователям предстоит оценить расход гидроксида натрия и энергии, возможность возврата реагентов в производственный цикл, обращение с жидкими остатками и итоговую себестоимость водорода. Без полного анализа жизненного цикла нельзя окончательно определить углеродный баланс процесса и его преимущества перед другими способами переработки.

На следующем этапе учёные намерены оптимизировать технологию и проверить возможность её масштабирования. Потенциально она может снизить затраты на сортировку пластиковых отходов и одновременно создать дополнительный источник водорода, однако о готовности к промышленному внедрению пока говорить рано.