Ученые продвигают химическую переработку для улучшения повторного использования пластиковых отходов путем расщепления пластика на основные компоненты. Исследователи из ETH Zurich разработали ключевые методы для этого процесса, что в перспективе позволит производить высококачественные продукты и топливо из переработанного пластика.

Химическая переработка предлагает устойчивую альтернативу традиционной переработке пластика, расщепляя его на высококачественные продукты. Исследователи оптимизировали этот процесс с помощью новой математической формулы.

Ежегодно в мире образуются сотни миллионов тонн пластиковых отходов. В ответ на это ученые старательно разрабатывают инновационные методы переработки значительной части этих отходов в высококачественные продукты, стремясь создать круговую экономику.

Однако существующие методы переработки не позволяют достичь этой цели. Большинство пластиковых отходов перерабатывается механическим способом: измельчается, а затем переплавляется. Хотя в результате этого процесса и получаются новые пластиковые изделия, их качество ухудшается с каждым этапом переработки.

Альтернативой этому является химическая переработка, которая позволяет избежать потери качества. Этот метод предполагает расщепление длинноцепочечных молекул пластика (полимеров) на их фундаментальные строительные блоки (мономеры), которые могут быть вновь собраны в новые высококачественные пластики, создавая устойчивый цикл.

По мере развития подхода к химической переработке отходов первоначальное внимание уделяется расщеплению длинных полимерных цепочек на более короткие молекулы, которые могут быть использованы в качестве жидкого топлива или смазочных материалов.

Таким образом, пластиковые отходы получают вторую жизнь в качестве бензина, реактивного топлива или моторного масла. Ученые из ETH Zurich заложили основы для развития этого процесса, что позволит мировому научному сообществу более целенаправленно и эффективно заниматься развитием переработки отходов.

Исследователи из группы под руководством Хавьера Переса-Рамиреса, профессора инженерного катализа, изучали, как расщепить полиэтилен и полипропилен с помощью водорода. Здесь также первым шагом является расплавление пластика в стальном резервуаре, затем в расплавленный пластик вводится газообразный водород.

Важным этапом является добавление порошкообразного катализатора, содержащего такие металлы, как рутений. Тщательно подобрав подходящий катализатор, исследователи могут повысить эффективность химической реакции, способствуя образованию молекул с определенной длиной цепи и сводя к минимуму образование побочных продуктов, таких как метан или пропан. «Расплавленный пластик в тысячу раз гуще меда. Главное — как перемешать его в резервуаре, чтобы порошок катализатора и водород смешались», — объясняет Антонио Хосе Мартин.

Проведя эксперименты и компьютерное моделирование, исследовательская группа показала, что пластик лучше всего перемешивается с помощью крыльчатки с лопастями, параллельными оси. По сравнению с пропеллером с наклонными лопастями или турбинной мешалкой, это обеспечивает более равномерное перемешивание и меньшее количество вихрей в потоке. Скорость перемешивания также имеет решающее значение. Она не должна быть ни слишком медленной, ни слишком быстрой: идеальная скорость — около 1 тыс. оборотов в минуту.

Исследователи успешно разработали математическую формулу для описания всего процесса химической переработки со всеми его параметрами. «Мечта любого инженера-химика — иметь под рукой подобную формулу для своего процесса», — говорит Перес-Рамирес. Теперь все ученые в этой области исследований могут точно рассчитать влияние геометрии и скорости вращения мешалки.

Благодаря этой формуле будущие эксперименты могут быть направлены на прямое сравнение различных катализаторов с контролем влияния перемешивания. Кроме того, разработанные принципы являются ключевыми для масштабирования технологии от лаборатории до крупных перерабатывающих заводов. «Но пока мы по-прежнему сосредоточены на исследовании лучших катализаторов для химической переработки пластмасс», — говорит Мартин.