В Virginia Tech исследователи с помощью инновационной технологии превращают полиэтилен в мыло путем апсайклинга. Это открытие основано на неожиданном сходстве полиэтилена и жирных кислот, которые используются для изготовления мыла. Команда успешно создала короткоцепочечные молекулы полиэтилена, разбивая полиэтиленовые цепи с помощью нового процесса термолиза с градиентом температуры. Теперь это можно использовать для изготовления мыла.
Исследователи из Virginia Tech успешно разработали инновационную технологию, и они производят мыло из полиэтилена. Процесс включает в себя преобразование пластика в ценные поверхностно-активные вещества. Эти химикаты широко используются в производстве основных повседневных продуктов, таких как мыло и моющие средства.
Пластик и мыло сильно различаются по текстуре, внешнему виду и, что еще важнее, по практическому применению. Между ними существует удивительная молекулярная связь. Полиэтилен, один из наиболее часто используемых пластиков в мире, демонстрирует удивительно близкое сходство с химической структурой жирной кислоты. Эта жирная кислота используется в качестве химического прекурсора для производства мыла. Несмотря на то, что оба материала состоят из длинных цепочек углерода, ближе к концу цепи в жирных кислотах есть дополнительная группа атомов.
Сходство между полиэтиленом и жирными кислотами натолкнуло Голиана «Грега» Лю , доцента кафедры химии в Научном колледже Вирджинского технологического университета , на мысль о возможности превращения полиэтилена в жирные кислоты . С помощью нескольких дополнительных шагов это можно было бы использовать для производства мыла. Ему нужно было найти способ разбить длинную полиэтиленовую цепь на более короткие, но не слишком короткие цепи.
Эффективность также имела важное значение. Лю твердо верил, что существует огромная возможность революционизировать процесс вторичной переработки, превратив, казалось бы, незначительные пластиковые отходы в ценный и практичный товар.
Источник вдохновения
Наслаждаясь уютным зимним вечером у камина, Лю испытал момент вдохновения. Он наблюдал за дымом, поднимающимся от огня, и понял, что он состоит из мелких частиц, образующихся при сгорании древесины. Хотя важно избегать сжигания пластика в каминах из соображений безопасности и охраны окружающей среды, любопытство Лю было задето, когда он размышлял о потенциальном результате безопасного сжигания полиэтилена в лаборатории.
Лю, обладатель стипендии Блэквуда для молодых преподавателей в области биологических наук на кафедре химии, сказал: «Дрова в основном состоят из полимеров, таких как целлюлоза. При сжигании дров эти полимеры расщепляются на короткие цепочки, а затем на небольшие газообразные молекулы, прежде чем полностью окислиться до диоксида углерода».
«Если мы аналогичным образом расщепим молекулы синтетического полиэтилена, но остановим процесс до того, как они полностью распадаются на мелкие газообразные молекулы, то мы должны получить короткоцепочечные молекулы, подобные полиэтилену», — добавил профессор Лю.
В сотрудничестве с Чжэнь Сюй и Эриком Муньянеза , двумя аспирантами-химиками из его лаборатории, Лю создал компактный и эффективный реактор, напоминающий печь. Эта инновационная конструкция позволила применить термолиз с температурным градиентом для нагрева полиэтилена , что дало выдающиеся результаты.
См. также : Грибы, питающиеся пластиком в искусственной пластисфере, могут помочь в борьбе с глобальными отходами.
Процесс
В нижней части печи достигается достаточно высокая температура, чтобы разорвать полимерные цепи , а в верхней части она снижается до достаточно низкой температуры, чтобы предотвратить дальнейшее разрушение. После процесса термолиза они собрали оставшееся вещество, что напоминало удаление сажи из дымохода. К их радости, интуиция Лю оказалась верной, поскольку вещество состояло из короткоцепочечного полиэтилена , а именно, в виде воска.
По словам профессора Лю, «это был первый шаг в разработке метода переработки пластика в мыло».
Исследователи превратили полиэтилен в мыло с помощью апсайклинга, создав первое в мире мыло из пластика . Затем команда добавила еще несколько этапов, таких как омыление — процесс, используемый в производстве мыла . Для дальнейшего совершенствования процесса команда обратилась за помощью к экспертам по компьютерному моделированию, экономическим аналитикам и другим специалистам.
Некоторые из этих экспертов были привлечены благодаря их связям с Институтом инноваций в области макромолекул в Virginia Tech. Группа работала сообща, чтобы тщательно документировать и улучшать процесс апсайклинга, достигнув точки, когда он теперь готов к распространению среди научного сообщества.
Чжэнь Сюй , ведущий автор статьи, сказал: «Наше исследование демонстрирует новый способ переработки пластика без использования новых катализаторов или сложных процедур. В этой работе мы показали потенциал тандемной стратегии переработки пластика. Это вдохновит людей на разработку более креативных методов переработки в будущем».
Применимо к другим пластикам
Изначально этот проект был вдохновлён полиэтиленом. Однако метод вторичной переработки можно применять и к другому виду пластика — полипропилену . От упаковки товаров и пищевых контейнеров до тканей — эти два материала составляют значительную часть пластика, с которым потребители сталкиваются ежедневно.
Преимущества метода апсайклинга
Инновационный метод переработки отходов Лю имеет следующие преимущества.
- По сравнению с некоторыми методами переработки, используемыми в настоящее время, этот метод устраняет необходимость в особой сортировке пластика для предотвращения загрязнения.
- Он может одновременно обрабатывать оба типа пластика, устраняя необходимость трудоемкого разделения.
- Это не только повышает экономическую эффективность метода, но и минимизирует его воздействие на окружающую среду.
- Для этого метода апсайклинга сначала требуются только пластик и тепло. В то время как последующие этапы процесса требуют некоторых дополнительных ингредиентов для преобразования молекул воска в жирные кислоты и мыло, первоначальное преобразование пластика представляет собой простую и прямую реакцию.
Требования к эффективности апсайклинга
Для того чтобы апсайклинг имел существенное влияние, конечный продукт должен обладать достаточной ценностью, чтобы не только компенсировать расходы на процесс, но и сделать его более экономически привлекательным, чем имеющиеся альтернативы переработки. Мыло и сопутствующие товары пользуются большим спросом, аналогичным спросу на пластмассы.
Профессор Лю сказал: «Это исследование закладывает основу для нового способа сокращения отходов путем направления использованного пластика на производство других полезных материалов».
Он надеется, что предприятия по переработке во всем мире постепенно примут эту технологию. Потребители в конечном итоге смогут приобретать инновационные и устойчивые мыльные продукты, которые помогут сократить количество пластиковых отходов на свалках.
См. также : От отходов к топливу: реактор на солнечной энергии преобразует CO2 и пластик в экологически чистое топливо
«По этой причине превращение пластмасс в мыло может быть экономически целесообразным», — добавил профессор Лю.
Ведущий автор исследования Чжэнь Сюй заявил: «Следует понимать, что загрязнение пластиком — это глобальная проблема, а не проблема нескольких ведущих стран. По сравнению со сложными процессами и катализаторами или реагентами, простой процесс может быть более доступен многим другим странам мира. Я надеюсь, это станет хорошим началом в борьбе с загрязнением пластиком».
Профессор Лю является членом программы нанонауки, престижной части уважаемой Академии комплексной науки Колледжа наук. Кроме того, он также связан с кафедрой материаловедения и инженерии в знаменитом колледже инженерии Вирджинского технического университета. Исследователи превращают полиэтилен в мыло путем переработки, и проект включал сотрудничество с исследователями из Департамента химической инженерии. Сотрудничество сыграло важную роль в содействии разработке исследовательской работы.
