Świat, w którym nie trzeba już żmudnie sortować plastikowych opakowań przed wrzuceniem ich do recyklingu może być bliższy, niż myśleliśmy. Najnowsze odkrycie naukowców z Northwestern University może całkowicie odmienić sposób, w jaki radzimy sobie z plastikowymi odpadami i to na skalę globalną. Może też sprawić, że ich recykling stanie się wreszcie efektywny. Czasopismo "Nature Chemistry" opisuje innowacyjny, tani katalizator na bazie niklu, który pozwala selektywnie rozkładać poliolefiny takie jak polietyleny i polipropyleny i to nawet wtedy, gdy są zmieszane z innymi rodzajami plastiku. A właśnie poliolefiny wchodzą w skład nawet dwóch trzecich zużywanego na świecie plastiku.
- Nowy katalizator na bazie niklu pozwala na selektywny rozkład poliolefin (PE i PP), nawet gdy plastik jest zmieszany i zabrudzony.
- Proces nie wymaga kosztownego sortowania ani wysokich temperatur, jest też bardziej efektywny i zużywa mniej katalizatora niż dotychczasowe metody.
- Katalizator radzi sobie nawet z PVC, które do tej pory było poważnym problemem w recyklingu plastiku.
- W efekcie powstają cenne oleje i woski, które można wykorzystać do produkcji paliw, smarów czy świec.
Plastik towarzyszy nam na każdym kroku. Od porannego jogurtu, przez butelki po napojach, aż po opakowania na lunch czy woreczki na śmieci - większość z nich wykonana jest z tzw. poliolefin, czyli polietylenów (PE) i polipropylenów (PP). To właśnie te tworzywa odpowiadają za niemal dwie trzecie światowej konsumpcji plastiku. Niestety, ich recykling to prawdziwe wyzwanie.
Według raportu opublikowanego w 2023 roku w prestiżowym czasopiśmie "Nature" globalne wskaźniki recyklingu tych materiałów wahają się od zaledwie procenta do 10 proc. Reszta trafia na wysypiska lub - co gorsza - do środowiska, gdzie rozkłada się przez dziesiątki lat, zamieniając się w szkodliwe mikroplastiki.
Dlaczego tak się dzieje? Poliolefiny są wyjątkowo odporne na rozkład - ich struktura chemiczna opiera się na bardzo mocnych wiązaniach węgiel-węgiel, które trudno rozbić. Obecne metody recyklingu wymagają nie tylko ogromnych nakładów energii, ale też niezwykle dokładnego sortowania odpadów. Nawet niewielka domieszka innego rodzaju plastiku lub resztki jedzenia mogą zniweczyć cały proces.
Zespół chemików z Northwestern University pod kierownictwem prof. Tobina Marksa opracował teraz innowacyjny, tani katalizator na bazie niklu, który pozwala selektywnie rozkładać poliolefiny, nawet gdy są zmieszane z innymi rodzajami plastiku. Co więcej, katalizator ten radzi sobie także z zanieczyszczeniami, takimi jak polichlorek winylu (PVC), który dotąd był prawdziwą zmorą recyklingu ze względu na toksyczność i skłonność do blokowania działania innych katalizatorów.
Jak działa nowy proces? Bez żmudnego sortowania można poddać mieszankę plastikowych odpadów działaniu katalizatora i wodoru. W efekcie poliolefiny zamieniają się w cenne oleje i woski, które można wykorzystać do produkcji smarów, paliw czy świec. Co istotne, katalizator jest wielokrotnego użytku, a jego wydajność przewyższa dotychczas stosowane rozwiązania nawet dziesięciokrotnie!
Dotychczasowe metody recyklingu poliolefin polegały głównie na ich mechanicznym rozdrabnianiu i przetapianiu, co prowadziło do powstawania niskiej jakości granulatów. Alternatywą było tzw. piroliza, czyli rozkład termiczny w temperaturach sięgających nawet 700 stopni Celsjusza - proces kosztowny i energochłonny.
CZYTAJ TEŻ: Jak prawidłowo segregować odpady bio? Sprawdź, czego nie wrzucać do brązowego pojemnika
Autorzy pracy zwrócili się ku hydrogenolizie, procesowi wykorzystującemu wodór i katalizator do rozkładu poliolefin na mniejsze, użyteczne węglowodory. Chociaż podejścia oparte na hydrogenolizie już istnieją, zazwyczaj wymagają one bardzo wysokiej temperatury oraz drogich katalizatorów wykonanych z metali szlachetnych, takich jak platyna i pallad.
Skala produkcji poliolefin jest ogromna, ale światowe zasoby metali szlachetnych są bardzo ograniczone. Nie możemy wykorzystać całych zasobów metali do celów chemicznych. A nawet gdybyśmy to zrobili i tak nie byłoby ich wystarczająco dużo, aby rozwiązać problem plastiku. Dlatego interesują nas metale powszechnie występujące na Ziemi - podkreśla pierwszy autor pracy, Qingheng Lai.
Dla katalizatora do recyklingu poliolefin zespół z Northwestern wybrał nikiel, pozyskiwany z taniego i komercyjnie dostępnego związku niklu. Podczas gdy inne katalizatory oparte na nanocząstkach niklu mają wiele miejsc reakcyjnych, zespół zaprojektował molekularny katalizator z pojedynczym miejscem reakcyjnym. To pozwala działać niczym wysoce wyspecjalizowany skalpel, tnąc konkretne wiązania węgiel-węgiel - zamiast mniej kontrolowanego narzędzia, które bezkrytycznie rozkłada całą strukturę plastiku. W efekcie katalizator umożliwia selektywny rozkład poliolefin.
W porównaniu z innymi katalizatorami na bazie niklu, nasz proces wykorzystuje katalizator z pojedynczym miejscem reakcyjnym, który działa w temperaturze o 100 stopni niższej i przy o połowę niższym ciśnieniu wodoru. Używamy też 10 razy mniejszej ilości katalizatora, a nasza aktywność jest 10 razy większa. Tak więc wygrywamy we wszystkich kategoriach - podkreśla, współautor pracy, Yosi Kratish.
Co ciekawe, zespół badawczy odkrył, że obecność PVC – dotąd uważanego za przeszkodę nie do pokonania – wręcz przyspiesza działanie katalizatora! Nawet przy 25-procentowej zawartości PVC w mieszance odpadów, proces przebiegał sprawniej niż bez niego. To prawdziwy przełom, który może umożliwić recykling odpadów dotąd uznawanych za niemożliwe do odzyskania.