Согласно новому исследованию, пластиковые отходы можно превратить в экологически чистый водород.

Чистый водород, полученный из пластиковых отходов с помощью аккумуляторной кислоты из старых автомобилей и солнечной энергии

Исследователи превратили пластик, который сложно переработать, в водород с помощью аккумуляторной кислоты. По словам ученых, эта система безотходного производства решает сразу несколько проблем, связанных с утилизацией отходов.

(Фото: Сами Серт, Getty Images)

Ученые разработали метод переработки пластиковых отходов в чистый водород с использованием солнечной энергии и кислоты из старых автомобильных аккумуляторов.

По словам исследователей, технология «одного горшка» позволяет перерабатывать трудновоспроизводимый пластик в ценные промышленные химикаты и экологически чистое топливо, потенциально создавая систему безотходного производства, которая решает сразу несколько проблем, связанных с утилизацией отходов.

В 2025 году в мире было произведено более 440 миллионов тонн (400 миллионов метрических тонн) пластиковых отходов, но менее 10% из них было переработано. Проблема заключается в огромном количестве различных видов пластика, которые мы используем. Некоторые из них, например полипропилен и полиэтилен, можно легко переплавить и снова сформовать, в то время как для переработки других требуются специальные химические процессы, позволяющие разделить полимерную структуру на отдельные химические элементы (мономеры).

К этой категории относятся конденсационные полимеры, такие как полиэтилентерефталат (ПЭТ, часто используется для упаковки продуктов питания и напитков), полиуретан (ПУ, который применяется для изготовления мягких подкладок, постельных принадлежностей и изоляционных материалов) и нейлон. В результате химической реакции между двумя различными мономерами образуется вода, которая формирует связи между этими фрагментами, создавая длинную чередующуюся полимерную цепь. Эти связи можно разорвать, добавив в молекулу воду, что приведет к высвобождению мономерных строительных блоков и разрушению пластика.

В новом исследовании ученые пошли еще дальше: они не только извлекают мономеры, но и перерабатывают пластиковые отходы в другие ценные химические продукты.

Мы могли бы извлечь аккумуляторную кислоту и использовать ее вместо щелочи. Это весомый аргумент в пользу экологичности.

Кей Квартенг, научный сотрудник Кембриджского университета

Команда сосредоточилась на водороде — экологически чистом источнике топлива и важном промышленном сырье — и разработала процесс, позволяющий совместить деполимеризацию пластика и получение водорода в одном реакторе. Хотя оба процесса уже изучались по отдельности, никто не пытался совместить их. Исследователи опубликовали результаты своей работы в журнале Joule 6 апреля.

Ученые начали с этапа деполимеризации. Сосредоточившись на ПЭТ, они измельчили образцы пластиковых бутылок в мелкий порошок и растворили его в концентрированной серной кислоте. «Мы нагреваем смесь до 140 °C [градусов по Цельсию, или 284 градусов по Фаренгейту], и это приводит к гидролизу пластика до мономеров», — рассказал Live Science первый автор исследования Кей Квартенг, исследователь из Кембриджского университета. «Для ПЭТ это этиленгликоль и терефталевая кислота», — добавил он, отметив, что оба эти вещества являются ценными промышленными химикатами.

Однако вместо того, чтобы использовать свежую серную кислоту из бутылки, команда решила задействовать другой проблемный источник отходов. «Серная кислота входит в состав автомобильных аккумуляторов, но при их переработке извлекается только свинцовый компонент, — говорит Квартенг. — Мы могли бы извлекать аккумуляторную кислоту и использовать ее вместо свежей. Это весомый аргумент в пользу экологичности».

При образовании терефталевой кислоты она легко выпадает в осадок, оставляя после себя кислую смесь с высоким содержанием этиленгликоля.

Однако для второго этапа, на котором из мономера этиленгликоля образуется водород, обычно требуются щелочные условия. Под воздействием солнечного света этиленгликоль распадается на еще более мелкие химические соединения, но исследователям сначала пришлось разработать новый катализатор, который был бы стабилен в аккумуляторной кислоте.

Они остановились на молибденовой металлической системе и добавили ее непосредственно в смесь. «Когда мы подвергаем катализатор воздействию света, он окисляет этиленгликоль, в результате чего образуются электроны, — говорит Квартенг. — Эти электроны могут превращать протоны, — присутствующие в кислотной смеси, — в водород и окислять этиленгликоль до уксусной кислоты».

Водород и уксусная кислота, образующиеся в ходе этого процесса, менее ценны, чем мономер этиленгликоля, но, что особенно важно, этот подход открывает возможности для других смежных химических процессов, считает Эрвин Райснер, профессор кафедры энергетики и устойчивого развития Кембриджского университета. «Вместо того чтобы получать водород, мы можем гидрировать органические соединения, — сказал он в интервью Live Science. — Это та же система, но вместо выделения водорода мы просто добавляем ненасыщенные органические соединения и гидрируем их напрямую».

Гидрирование — важная промышленная реакция, в ходе которой водород присоединяется к двойной связи, как правило, с использованием водорода, получаемого из ископаемого топлива. Однако в исследовании, опубликованном в журнале Angewandte Chemie International Edition в понедельник (4 мая), ученые продемонстрировали, как их новый метод можно использовать для гидрирования азотсодержащих субстратов с целью получения важных фармацевтических компонентов. «Когда мы используем пластик для гидрирования, мы вдвое сокращаем выбросы углекислого газа», — сказал Квартенг.

Сейчас команда ученых работает над адаптацией реакции под нужды промышленности и планирует протестировать процесс в проточном реакторе — системе, которая непрерывно преобразует реагенты в продукты, а не производит водород партиями.

Использование такого большого количества переработанных реагентов впечатляет, сказал Амит Кумар, исследователь в области катализа из Школы химии Университета Сент-Эндрюс, в интервью Live Science. Однако он отметил, что фотохимическая стадия может оказаться сложной для промышленного применения. «Я думаю, это очень интересно, что можно использовать пластик в качестве источника водорода, а с научной точки зрения очень здорово, что можно использовать видимый свет», — сказал он. «Следующим шагом на пути к коммерциализации станет масштабирование и демонстрация процесса в реальных условиях».Источник статьи