Неожиданный способ переработки: пластиковые отходы превращаются в мыло

Jul 13, 2023

Гуолян «Грег» Лю с химического факультета открыл новый метод переработки пластика — из молочных коробок, пищевых контейнеров и пластиковых пакетов — в мыло. Метод: нагрейте длинные углеродные цепи в пластике, а затем быстро охладите их.

10 августа 2023 г.

Команда, возглавляемая исследователями из Технологического института Вирджинии, разработала новый метод переработки пластмасс в ценные химические вещества, известные как поверхностно-активные вещества, 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.

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.

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.

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 опубликована сегодня в популярном 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».