Новый метод превращает смешанные пластиковые отходы в чистый водород, улавливая углерод

Ученые из Школы инженерии UCLA Samueli и Женского университета Ихва (Южная Корея) разработали химический процесс, который превращает смесь трех распространенных типов пластика в высокочистый водород, одновременно улавливая углерод и не давая ему попасть в атмосферу в виде CO2.

Проблема переработки пластика стоит остро: лишь около 9% отходов перерабатывается, 79% отправляется на свалки, а 12% сжигается, выбрасывая углекислый газ в атмосферу. Традиционная переработка требует сортировки пластика по типам, что удорожает и усложняет процесс.

Новый метод, названный щелочной термической обработкой (ATT), позволяет перерабатывать смесь полиэтилентерефталата (ПЭТ), полиэтилена (ПЭ) и полипропилена (ПП) в одном реакторе без предварительной сортировки. В ходе реакции гидроксид натрия вступает в реакцию с органическим материалом, производя водород чистотой более 90%.

«Мы решаем две насущные глобальные проблемы одновременно, — отметила соавтор исследования А-Хён «Алисса» Пак, декан UCLA Samueli. — Пластиковые отходы накапливаются с угрожающей скоростью, а чистый водород необходим для декарбонизации энергетики. Эта технология решает обе задачи творческим и масштабируемым способом».

Изначально процесс был разработан для получения водорода из биомассы, такой как морские водоросли. Для нового исследования ученые адаптировали его для работы с пластиковыми отходами. Лабораторные тесты показали, что модифицированный процесс успешно преобразует ПЭТ, ПЭ и ПП в высокочистый водород, при этом температура реакции на 300–400 градусов Цельсия ниже, чем при традиционной газификации.

ПЭТ хорошо реагировал на щелочную обработку, но полиэтилен и полипропилен изначально давали меньше водорода из-за своей химической стойкости. Чтобы преодолеть это препятствие, исследователи создали этап термического окисления: пластик кратковременно нагревается на воздухе при умеренных температурах, что добавляет кислородсодержащие функциональные группы к длинным полимерным цепям. Эти группы создают химически активные центры, позволяя щелочной обработке разлагать материалы, которые в противном случае остались бы инертными.

В ходе реакции гидроксид натрия улавливает углерод, высвобождаемый из пластика, и превращает его в твердый карбонат натрия. Анализ показал, что более 75% углерода, изначально содержащегося в пластике, остается в стабильных карбонатных соединениях или жидких органических остатках. Менее 13% переходит в газовую фазу, а количество, выбрасываемое непосредственно в атмосферу, ничтожно мало. Карбонат натрия также можно преобразовать в карбонат кальция, который навсегда хранит углерод в стабильном минерале, широко используемом в промышленности.

Другие низкотемпературные методы получения водорода из пластика имеют ограничения: например, фотокатализ и электрохимическое преобразование работают только с кислородсодержащими пластиками, такими как ПЭТ, оставляя полиэтилен и полипропилен вне процесса. Высокотемпературная газификация может перерабатывать смешанный пластик без сортировки, но выделяет значительное количество CO2. По словам исследователей, это первое использование их метода, которое решает все три проблемы одновременно.

«Снижая затраты на сортировку и сложность процесса, которые были основными барьерами для коммерциализации, эта технология может стать ключевой для поддержки как водородной, так и циркулярной экономики», — сказал соавтор исследования Ву-Дже Ким.

Несмотря на многообещающие лабораторные результаты, технология пока не готова к широкому внедрению. Исследователи отмечают, что необходимы дополнительные исследования для улучшения процесса и определения его экономической эффективности в коммерческих масштабах.

Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.