Группа химиков из Шанхайского института органической химии Китайской академии наук и Университета Калифорнии разработала метод превращения полиэтилена в жидкие углеводороды и парафины. Для этого ученые использовали комбинацию из двух катализаторов, работающих «в тандеме». Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Молекулы полиэтилена представляют собой длинные и, часто, разветвленные углеводородные цепочки —(CH2—CH2)n—. В одной молекуле коммерческого пластика, из которого состоят бутылки и пакеты, может быть от сотен до десятков тысяч атомов углерода. Бензин, дизельное топливо и мазут тоже представляет собой смесь углеводородов, молекулы которых, в свою очередь, состоят из 7-21 атомов углерода. Поэтому создав способ эффективно «укорачивать» полиэтилен, химики получат возможность перерабатывать вторсырье в топливо.
Авторы новой работы предлагают такой способ, основанный на комбинации трех классических реакций углеводородов — дегидрировании, метатезисе и гидрировании. Дегидрирование — процесс отрыва молекулы водорода от углеводородного каркаса, в результате этого процесса одинарные связи —CH2—CH2— превращаются в двойные —CH=CH—. Гидрирование — обратный ему процесс, превращающий кратные связи в одинарные путем присоединения водорода. В полиэтилене кратных связей практически нет.
Ключевой реакцией, уменьшающей количество атомов в углеродной цепи, является реакция метатезиса. В нее вступают лишь молекулы, обладающие кратными связями. Суть метатезиса заключается в следующем: к специальному веществу-катализатору присоединяются две молекулы, содержащие двойные связи, их можно представить себе в виде цепочек, синей и красной. Катализатор перераспределяет двойные связи, сначала «склеивая» между собой цепочки (образуется квадрат из атомов углерода), а затем разрывая стороны квадрата. В результате мы получаем две новые красно-синие цепочки.
Если предположить, что красная цепочка была длинной — 1000 атомов углерода, а синяя короткой — всего 10, то в результате метатезиса образуются две цепочки по 505 атомов. Добавив избыточное количество коротких цепочек (на порядки больше, чем длинных), последовательные реакции метатезиса приведут к постепенному уменьшению средней длины цепочек.
Каждая из этих реакций требует своего катализатора. Так, гидрирование и дегидрирование идет на иридиевых комплексных катализаторах, в промышленном метатезисе используется оксид рения, нанесенный на окись алюминия. В экспериментах, поставленных в новой работе, химики смешивали в лабораторном реакторе оба катализатора с полиэтиленом и н-октаном, углеводородом, состоящим из 8 атомов углерода и 18 атомов водорода.
На первой стадии процесса полиэтилен и октан подвергались дегидрированию — образовывались двойные связи. Затем происходила реакция метатезиса и гидрирование ее продуктов.
Смесь нагревали до 175°C и оставляли на три дня. В случае низкомолекулярного полиэтилена (около 120 атомов углерода в цепи) авторам удалось снизить длину цепей до 20-40 атомов в цепочке и менее. Важно отметить, что метатезис может происходить и между молекулами октана. Аналогичным образом химики провели еще несколько экспериментов, в частности, вводя во взаимодействие обычный промышленный полиэтилен и петролейный эфир.
Ученым удалось добиться полной переработки пластика в жидкие углеводороды и твердые парафины за сутки протекания реакции. По словам химиков, настолько мягкие условия превращения полиэтилена ранее не были описаны. К тому же, использованные катализаторы не теряют своей активности даже если в полиэтилене присутствуют стабилизирующие добавки — к примеру, стеарат цинка или полифенолы.
Многие промышленные полимеры обладает очень высокой химической стабильностью, в природных условиях, к примеру, полиэтилен практически не разлагается. Однако недавно японские биологи нашли штамм бактерий, который способен перерабатывать полиэтилентерефталат — пластик, активно применяющийся для изготовления бутылок.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение