Химики превратили пластиковые отходы в новый мощный инструмент для улавливания углекислого газа

Уровень углекислого газа продолжает расти, даже после многолетних обещаний сократить выбросы. В то же время пластиковые отходы попадают в океаны, реки и на свалки. Эти кризисы часто кажутся отдельными, но их объединяет общая нить. И то, и другое создано деятельностью человека, и времени на их решение остается все меньше. Теперь исследователи из Дании сообщают об открытии, которое неожиданным образом связывает эти проблемы.

Химики из Копенгагенского университета разработали метод, позволяющий превращать выброшенный пластик в мощный материал, поглощающий углекислый газ. В этом процессе старые пластиковые бутылки и изношенные текстильные изделия получают вторую жизнь. Вместо загрязнения почвы и морей они помогают извлекать парниковые газы из воздуха и промышленных выбросов. Эта работа предполагает, что сами отходы могут стать частью решения проблемы изменения климата.

Пластик, изготовленный из полиэтилентерефталата, известного как ПЭТ, играет центральную роль. ПЭТ встречается повсюду: от бутылок для напитков и подносов для еды до волокон одежды. После использования большая его часть оказывается захороненной или дрейфующей в океане. Там она медленно распадается на микропластик , который распространяется в воде, воздухе и живых тканях. Системы переработки восстанавливают лишь небольшую часть, оставляя миллиарды тонн.

«Прелесть этого метода в том, что мы решаем проблему, не создавая новой», — сказала Маргарита Подерите с кафедры химии Копенгагенского университета. «Превращая отходы в сырье, способное активно сокращать выбросы парниковых газов, мы делаем экологическую проблему частью решения климатического кризиса».

Использование отходов ПЭТ-пластика для улавливания углекислого газа. (Источник: Science Advances)

От мусора к губке для удаления углерода

«Наша исследовательская группа разработала химический процесс, который преобразует низкокачественный ПЭТ в новое вещество, эффективно поглощающее углекислый газ. Этот метод не конкурирует с традиционной переработкой. Вместо этого он направлен на переработку пластика, который обычно отбраковывают переработчики, поскольку он слишком разложившийся, смешанный или окрашенный», — объяснил Подерите изданию The Brighter Side of News .

«В результате мягкой химической реакции ПЭТ распадается на более мелкие составляющие. Затем мы добавляем этилендиамин, соединение, известное своей способностью связывать углекислый газ. На этом этапе пластик приобретает порошкообразную форму, которую мы назвали BAETA. Она по своим характеристикам не уступает многим передовым материалам для улавливания углерода», — добавила она.

В пересчете на вес ПЭТ уже содержит более 60 процентов углерода. Его структура остается прочной даже после химических изменений. При преобразовании в БАЭТА материал приобретает поверхность, богатую участками, которые притягивают и удерживают молекулы углекислого газа. Это делает его очень эффективным в улавливании газа из воздуха или промышленных выбросов.

Система BAETA работает в широком диапазоне условий. Она улавливает углекислый газ при комнатной температуре и продолжает функционировать при температурах до 150 градусов Цельсия. Это важно, поскольку выхлопные газы заводов и электростанций часто бывают горячими. Многие существующие материалы для улавливания углекислого газа выходят из строя в таких условиях.

«Одно из впечатляющих свойств этого материала заключается в том, что он долго сохраняет свою эффективность и гибкость», — сказал Дживунг Ли, доцент кафедры химии и соавтор исследования. «Благодаря такой устойчивости к высоким температурам, материал можно использовать на выходе из промышленных предприятий, где выхлопные газы обычно горячие».

Переработка отходов ПЭТ в твердые сорбенты CO2 посредством аминолиза. (Источник: Science Advances)

Как работает процесс сбора данных

На практике BAETA размещается внутри установок, прикрепленных к промышленным дымовым трубам. Отработанные газы проходят через материал, а углекислый газ прилипает к его поверхности посредством химических связей. После насыщения материала теплом происходит высвобождение уловленного газа. Это восстанавливает BAETA, позволяя использовать его повторно.

Выбросившийся углекислый газ не обязательно должен возвращаться в атмосферу. Его можно хранить под землей или использовать в промышленных системах, известных как установки Power2X, где CO2 превращается в топливо, химикаты или другие продукты. Такое повторное использование добавляет процессу дополнительную ценность.

Сам химический синтез отличается мягкими условиями. В отличие от некоторых материалов для улавливания углерода, для производства которых требуется высокое давление или экстремальная температура, BAETA образуется при комнатной температуре. Это снижает энергопотребление и делает крупномасштабное производство более реалистичным.

Исследователи уже продемонстрировали работоспособность метода не только для небольших лабораторных образцов. Им удалось успешно преобразовать один килограмм необработанных бытовых ПЭТ-отходов в BAETA. Этот шаг свидетельствует о возможности масштабирования процесса до промышленного уровня, где тонны пластика могут стать материалом для улавливания углерода.

Роль океанического пластика

Потенциальный эффект этого открытия выходит за рамки свалок. Большое количество ПЭТ плавает в океанах, нанося ущерб экосистемам и распадаясь на микропластик , который попадает в пищевые цепи. Этот разложившийся пластик часто не подлежит переработке, однако он хорошо подходит для нового процесса.

Структурные изменения BAETA в процессе поглощения CO2. (Источник: Science Advances)

«Если нам удастся раздобыть сильно разложившийся ПЭТ-пластик, плавающий в мировых океанах, это станет для нас ценным ресурсом», — сказал Подерите. «Он идеально подходит для вторичной переработки с помощью нашего метода».

Эта возможность создает новый стимул для очистки океанов. Пластиковые отходы могут приобрести экономическую ценность в качестве сырья для климатических технологий. Вместо того чтобы рассматривать очистку как затраты, правительства и компании могут рассматривать ее как инвестицию.

Исследователи подчеркивают, что их работа не подрывает переработку отходов. Высококачественный ПЭТ по-прежнему следует перерабатывать в новые продукты. Производство BAETA сосредоточено на пластике, не имеющем другого устойчивого будущего.

«В принципе, мы могли бы использовать новый пластик, — сказал Подерите. — Но наша цель — ПЭТ, который трудно перерабатывать или который слишком сильно разложился. Это будет сотрудничество, а не конкуренция в сфере переработки ».

Переход от лаборатории к промышленности

Исследование опубликовано в журнале Science Advances и подробно описывает химические процессы, лежащие в основе BAETA. Завершив проверку концепции, команда теперь рассматривает возможность сотрудничества с промышленными предприятиями. Их следующая цель – производство материала в тоннах, а не в граммах.

Стабильность и эффективность улавливания CO2 с помощью BAETA и OLs. (Источник: Science Advances)

«Мы видим огромный потенциал этого материала не только в лабораторных условиях, но и в реальных промышленных установках по улавливанию углерода», — сказал Подерите. «Следующий важный шаг — масштабирование и превращение нашего изобретения в финансово устойчивое бизнес-предприятие».

Ученые утверждают, что главная проблема не в технических аспектах. Успех зависит от инвестиций и политической воли. Проекты по улавливанию углерода требуют первоначального финансирования, даже если долгосрочные выгоды очевидны. Убедить лиц, принимающих решения, остается самой сложной задачей.

Тем не менее, исследователи считают, что их работа может изменить то, как общество воспринимает экологические проблемы . Загрязнение пластиком и изменение климата часто рассматриваются как отдельные кризисы. Это открытие показывает, что они могут пересекаться значимым образом.

«Мы говорим не об отдельных проблемах, и решения тоже не будут отдельными», — сказал Ли. «Наши материалы могут создать очень конкретный экономический стимул для очистки океанов от пластика».

Практические последствия исследования

Это исследование указывает на будущее, в котором отходы станут климатическим ресурсом. Преобразуя трудноперерабатываемый пластик в материалы для улавливания углерода, предприятия могли бы сократить выбросы и уменьшить загрязнение пластиком .

Такой подход способствует улучшению качества воздуха, оздоровлению океанов и более эффективному использованию ресурсов. Он также стимулирует появление новых экономических моделей, которые поощряют как очистку окружающей среды, так и сокращение выбросов углерода одновременно.

Для ученых эта работа открывает пути к созданию климатических инструментов из существующих потоков отходов, а не из нового сырья.

Результаты исследования опубликованы в онлайн-журнале Science Advances .

Источник: https://www.thebrighterside.news/post/chemists-convert-plastic-waste-into-a-powerful-new-tool-to-capture-carbon-dioxide/