Отходы полиэтилена превратили в водород и углеродные наноматериалы

Отработанная полиэтиленовая плёнка может стать сырьём сразу для двух востребованных продуктов — водорода и углеродных наноматериалов. Такой способ переработки представили специалисты Египетского института нефтяных исследований и Университета Айн-Шамс. Результаты опубликованы 19 августа в журнале Scientific Reports.

В эксперименте использовались отходы полиэтилена низкой плотности — материала, из которого производят пакеты, упаковочную плёнку и другие гибкие изделия. Полимер подвергали пиролизу, то есть нагреванию без доступа кислорода. Образовавшиеся углеводородные газы направляли через катализатор на основе кобальта и молибдена. При дальнейшем разложении газов выделялся водород, а содержащийся в исходном пластике углерод переходил в твёрдую форму.

Авторы относят получаемый газ к так называемому бирюзовому водороду. Этим термином обычно называют водород, образующийся при термическом разложении углеводородов: вместо прямого выброса углекислого газа углерод остаётся в твёрдом продукте. От «зелёного» водорода такой процесс отличается тем, что не основан на электролизе воды с использованием возобновляемой электроэнергии.

Главной задачей исследователей был выбор материала, на котором закрепляются активные компоненты катализатора. Учёные сравнили оксиды алюминия и магния, а также несколько смесей этих соединений. Чистый оксид магния обеспечил самую высокую концентрацию водорода, однако смешанный носитель с 25% оксида алюминия и 75% оксида магния показал лучший совокупный результат.

Такой состав не только поддерживал образование водорода, но и способствовал росту сравнительно однородных многослойных углеродных нанотрубок с хорошо упорядоченной структурой. При большем содержании оксида алюминия образовывалась смесь менее упорядоченных форм углерода — графитовых пластинок, нановолокон и углеродных «нано-луков».

Продолжительность испытания составляла 150 минут. На этом интервале катализатор с высоким содержанием оксида магния сохранял устойчивую активность, хотя у выбранного смешанного состава после 90 минут наблюдалось небольшое снижение концентрации водорода.

Возможность получать одновременно газ и твёрдый углерод принципиально важна для экономики процесса. Углеродные нанотрубки являются не побочным отходом, а потенциально ценным материалом. Однако их реальная стоимость будет зависеть от чистоты, однородности, затрат на отделение от катализатора и соответствия требованиям конкретных потребителей.

Теоретически подобные процессы позволяют связать инфраструктуру обращения с пластиком с нефтехимией, материаловедением и водородными технологиями. Но опубликованный результат ещё нельзя рассматривать как готовую промышленную схему.

Исследователи работали с одним видом полиэтилена, тогда как бытовые отходы обычно содержат смесь полимеров, красители, наполнители и загрязнения. В статье также нет полного анализа энергопотребления, углеродного следа и себестоимости продукции. Современные обзоры технологий пиролиза называют именно испытания на реальных смешанных отходах, долговечность катализаторов, масштабирование реакторов и оценку жизненного цикла основными условиями перехода от лабораторных опытов к промышленному применению.

Таким образом, найденный состав катализатора решает одну из отдельных инженерных задач — позволяет управлять соотношением водорода и различными формами твёрдого углерода. Следующим этапом должны стать длительные испытания на неоднородном сырье и расчёт экологического баланса всей технологической цепочки.