Plastik sam napędza własny recykling. Znaleźli sprytny trik
Butelki, pojemniki i włókna z PET mogą dostać drugie życie. Nowa metoda wykorzystuje metanol, katalizator i wodór powstający w trakcie reakcji. To może być przełom.
PET, czyli politereftalan etylenu, jest jednym z najpowszechniej używanych tworzyw sztucznych. Powstają z niego butelki, tacki, pojemniki i włókna tekstylne. Klasyczny recykling bardzo często polega po prostu na mechanicznym przetworzeniu odpadu: zebraniu, rozdrobnieniu, stopieniu i przerobieniu go na nowy materiał. To ma sens, ale jakość samego tworzywa bywa niższa, a zanieczyszczenia i mieszanie różnych frakcji szybko komplikują sprawę.
Tu mamy do czynienia z czymś innym, a mianowicie z upcyklingiem chemicznym. Upcykling oznacza przetwarzanie odpadu w produkt o wyższej wartości niż surowiec wyjściowy. Zamiast próbować zrobić z brudnej butelki kolejną butelkę, chemicy rozbijają polimer na fragmenty i prowadzą je dalej do związków, które mogą być użyteczne dla przemysłu chemicznego.
W przypadku PET sprawa jest szczególnie ciekawa, bo ten plastik składa się z dwóch głównych segmentów. Po rozłożeniu można otrzymać m.in. glikol etylenowy oraz kwas tereftalowy. W wielu wcześniejszych metodach większą uwagę poświęcano tylko jednej części cząsteczki, a druga była mniej efektywnie wykorzystywana. Nowy pomysł polega na tym, żeby zagospodarować oba fragmenty jednocześnie.
Wodór powstaje tam, gdzie jest potrzebny
Największy problem w tego typu chemii bardzo często dotyczy wodoru. Ten jest potrzebny w reakcjach uwodornienia, czyli takich, w których do cząsteczki dodaje się atomy wodoru, zmieniając jej właściwości. W przemyśle oznacza to zwykle konieczność korzystania z zewnętrznego źródła gazowego wodoru, a to komplikuje proces, podnosi koszty i wymaga odpowiedniej infrastruktury.
Zespół z Peking University zaprojektował taką reakcję całkowicie inaczej. PET najpierw jest rozkładany w roztworze metanolu i wodorotlenku sodu w temperaturze 160 st. C. Powstający przy tym glikol etylenowy reaguje z metanolem i tworzy kwas mlekowy oraz wodór. Dodatkowo metanol również może dostarczać wodoru. On nie jest jednak wyrzucany ani traktowany jako problem uboczny. Zostaje wykorzystany w drugim etapie do przekształcenia kwasu tereftalowego w CHDA.
I właśnie ten obieg jest tu najważniejszy. Jedna część plastiku pomaga wytworzyć wodór, a ten wodór jest potrzebny, żeby uszlachetnić drugą część plastiku. Plastik nie jest już tylko odpadem, który trzeba rozłożyć i o nim zapomnieć. Staje się wewnętrznym dostawcą składnika, bez którego cała reakcja nie miałaby sensu.
Z odpadu powstają dwa bardzo cenne związki
Efektem całego procesu są dwa związki: kwas mlekowy oraz 1,4-cykloheksanodikarboksylowy, określany skrótem CHDA. Kwas mlekowy jest dobrze znany przemysłowi, bo służy m.in. do produkcji polilaktydu, czyli biodegradowalnego tworzywa PLA, a także wielu innych chemikaliów. CHDA jest z kolei ważnym półproduktem wykorzystywanym w produkcji żywic, powłok, tworzyw i materiałów specjalistycznych.
Ma to bardzo duże znaczenie praktyczne, ponieważ w ekonomii recyklingu nie wystarczy techniczna możliwość odzysku. Ważna jest wartość rynkowa produktów końcowych. Autorzy podkreślają, że kwas mlekowy i CHDA charakteryzują się wyższą ceną rynkową niż bazowe monomery PET. Oznacza to, że odpadowy polimer nie jest jedynie zawracany do pierwotnego stanu, lecz podlega waloryzacji do związków o podwyższonej wartości.
W optymalnych warunkach udało się uzyskać kwas mlekowy z wydajnością 55 proc. i czystością powyżej 88 proc. CHDA otrzymano z wydajnością 84 proc. i czystością przekraczającą 99 proc. To naprawdę imponujące.
Jeden katalizator robi dwie różne rzeczy
Cały proces wykorzystuje komercyjny katalizator Ru/C, czyli ruten osadzony na węglu. Katalizator to substancja, która przyspiesza reakcję chemiczną, ale sama nie jest jej zwykłym reagentem zużywanym w prosty sposób. W tym przypadku ten sam katalizator działa w dwóch etapach: pomaga w reakcji prowadzącej do kwasu mlekowego i wodoru, a potem bierze udział w uwodornieniu prowadzącym do CHDA.
To bardzo praktyczna zaleta. Gdy proces wymaga zmiany katalizatora, to rośnie liczba operacji, koszt i ryzyko strat. Tu autorzy pokazali ścieżkę, w której nie trzeba przełączać się na zupełnie inny układ katalityczny. Reakcje zachodzą przy łagodniejszych warunkach niż wiele klasycznych procesów wysokociśnieniowych, bo temperatura wynosi 160 st. C.
Jest jednak jeden haczyk. Testy stabilności pokazały, że aktywność katalizatora z czasem spada. Przyczyną jest m.in. lekkie zlepianie się nanocząstek rutenu oraz częściowe wypłukiwanie metalu w warunkach reakcji. To ważne ograniczenie, bo przemysł nie lubi rozwiązań, które świetnie działają kilka razy, a później wymagają drogiej regeneracji lub wymiany.
To sprytny bardzo pomysł, ale nie rozwiązanie problemu plastiku
O atrakcyjności tej metody decyduje przede wszystkim jej spójność koncepcyjna. Zamiast dostarczać wodór z zewnątrz, proces wykorzystuje wodór powstający w trakcie przekształcania jednego fragmentu PET i metanolu. Zamiast traktować plastik jak jednorodną masę do spalenia albo przetopienia, rozbiera go na elementy i próbuje wykorzystać każdy z nich możliwie sensownie.
Nie należy jednak mylić tego z receptą na całe zło związane z wszechobecnymi odpadami PET. Najlepszym odpadem nadal jest ten, który w ogóle nie powstaje, a najłatwiejszym do zagospodarowania tworzywem jest to, które zostało dobrze zaprojektowane, zebrane i posortowane. Chemiczny upcykling może pomóc w trudniejszych frakcjach, ale nie zastąpi systemowej redukcji jednorazowych opakowań, dobrego projektowania produktów i sprawnej zbiórki.
Przeczytaj także:
Jest za to dobrym przykładem, w którą stronę w ogóle zmierza nowoczesna chemia materiałów. Plastik nie musi być wyłącznie kłopotliwym końcem łańcucha. Może stać się magazynem atomów węgla, wodoru i tlenu, które da się odzyskać w bardziej przemyślany sposób.
