Из полиэтилена — в сырье для нейлона: новый способ переработки

Исследователи Института катализа имени Лейбница (LIKAT) в Ростоке работают над способом химической переработки полиэтилена, который позволит использовать пластиковые отходы как сырье для нейлона. Группа под руководством доктора Эстебана Мехии уже получила из полиэтилена дикарбоновые кислоты. Теперь ученым нужно повысить избирательность реакции и подготовить процесс к испытаниям на пилотной установке.

Зачем искать альтернативу пиролизу

Полиэтилен, из которого делают в том числе пакеты, и полипропилен составляют значительную часть пластиковых отходов. Один из способов их химической переработки — пиролиз: термическое разложение с получением жидких продуктов, которые можно использовать как химическое сырье.

По словам Мехии, температура при таком процессе может достигать 600 °C. Высокие энергозатраты осложняют задачу снижения углеродного следа переработки. Поэтому группа LIKAT изучает другой путь — окислительное расщепление полиэтилена.

Как расщепить полимер без дорогого катализатора

В окислительных процессах важную роль играют активные формы кислорода, или ROS. Они участвуют в разрушении полимерных цепей. Однако некоторые из известных каталитических методов требуют высокого давления, что усложняет безопасное масштабирование. Применение катализаторов на основе драгоценных металлов также повышает стоимость процесса.

Изучая научную литературу, команда Мехии обратила внимание на опыты с азотной кислотой. Другие исследователи получали из полиэтилена дикарбоновые кислоты с разной длиной цепи, в том числе с применением высококонцентрированной кислоты при 180 °C и микроволнового нагрева. В LIKAT решили проверить, можно ли сделать условия мягче.

Разбавленная кислота, перекись водорода и нагрев до 120 °C

В ходе экспериментов постдокторант Сатьяджит Панда и его коллеги подобрали систему на основе сильно разбавленной азотной кислоты и перекиси водорода. При нагревании до температуры не выше 120 °C кусочки полиэтиленового пакета в этой смеси разрушаются и переходят в раствор. Отдельный катализатор для реакции не требуется.

Но простота состава не означает, что процесс легко контролировать. Превращение полиэтилена в дикарбоновые кислоты проходит через несколько стадий. По словам Мехии, важно точно выдерживать режим нагрева: если промежуточные продукты задерживаются в реакционной смеси слишком долго, на выходе получается сложная смесь веществ.

Главная задача — получить цепь нужной длины

Для дальнейшего использования важен не только выход кислот, но и число атомов углерода в их молекулах. В предыдущих работах других групп длина цепей полученных продуктов составляла от двух до более чем 40 атомов углерода. Такие смеси рассматривали, в частности, для производства поверхностно-активных веществ.

Цель команды LIKAT — сырье для полиамида, для которого нужна дикарбоновая кислота с шестью атомами углерода. Это предъявляет более строгие требования к избирательности реакции и разделению продуктов.

Пока исследователям удалось сузить диапазон длины цепей до 4–10 атомов углерода. Для дальнейшей работы они сотрудничают с доктором Удо Краглем из Ростокского университета и подали заявку на проектное финансирование.

Что предстоит проверить до масштабирования

Совместно со специалистами по аналитике LIKAT команда намерена выяснить, какие промежуточные соединения возникают в ходе реакции, когда они образуются и с какой скоростью превращаются дальше. Понимание этих стадий должно помочь точнее управлять составом конечного продукта.

Еще одно направление — влияние света на активные формы кислорода. Его в фотохимических экспериментах изучает коллега исследователей из Университета Гуаякиля в Эквадоре.

По приведенной в черновике оценке, в мире выпускают около 8 млн тонн полиамидов, преимущественно из нефтяного сырья. Переработанный полиэтилен потенциально может заменить часть этого сырья. Однако пригодность нового метода для крупнотоннажного производства еще предстоит подтвердить: ближайшие задачи — повысить селективность, разобраться в механизме реакции и перейти к пилотному масштабу.

Группа Мехии готовит статью для подачи в Journal of the American Chemical Society.