Новий хімічний метод переробки шин обіцяє чистіше майбутнє

Щороку мільйони шин опиняються на звалищах, створюючи екологічну кризу з далекосяжними наслідками. Лише у Сполучених Штатах у 2021 році було утилізовано понад 274 мільйони шин, з яких майже п’ята частина потрапила на звалища. Накопичення цих відходів становить не лише проблему простору, але й створює екологічні загрози, такі як вимивання хімічних речовин у ґрунт і воду та ризик самозаймання. Хоча піроліз — процес хімічної переробки гуми шляхом високотемпературного розкладання — широко застосовується, він породжує шкідливі побічні продукти, зокрема бензол і діоксини, які становлять небезпеку для здоров’я людини та довкілля.

Нещодавнє дослідження, фінансоване Міністерством енергетики США, під назвою «Деконструкція гуми через С-Н амінування та реорганізацію Аза-Коупа», опубліковане в журналі Nature, представляє новаторський хімічний метод розкладання гумових відходів. Дослідження очолив доктор Олександр Жуховицький, доцент кафедри хімії Університету Північної Кароліни в Чапел-Гілл, який запропонував використовувати С-Н амінування та стратегію реорганізації полімерів для перетворення відпрацьованої гуми на цінні попередники епоксидних смол. Цей підхід відкриває інноваційний і стійкий шлях до переробки, який може змінити підхід до утилізації гумових відходів.

Гума, зокрема синтетична, що використовується в шинах, складається з полімерів, з’єднаних у тривимірну мережу, яка забезпечує міцність і гнучкість. Переробка таких матеріалів ускладнена через щільне зшивання полімерних ланцюгів, що робить гуму стійкою до розкладання. Традиційні методи переробки зосереджені на двох основних підходах: девулканізації, яка руйнує сірчані зв’язки, але послаблює механічні властивості полімеру, та розщепленні полімерних основ за допомогою окислювальних або каталітичних методів, що часто призводить до утворення складних низькоцінних продуктів. Жоден із цих підходів не забезпечує ефективного та масштабного рішення для повторного використання гумових відходів.

«Наше дослідження спрямоване на подолання цих викликів шляхом розробки методу, який розкладає гуму на функціональні матеріали, що мають цінність навіть у вигляді суміші», — зазначив доктор Жуховицький, головний автор дослідження. Учені запропонували використовувати реагент сірчаного диіміду, який дозволяє вводити амінні групи в певні місця полімерних ланцюгів. Цей етап є ключовим, оскільки він готує основу для подальшої реорганізації основи полімеру. Хімічна реакція перебудовує полімерну структуру, розкладаючи гуму на розчинні амін-функціоналізовані матеріали, які можна використовувати для виробництва епоксидних смол.

Дослідники довели високу ефективність цього двоступеневого процесу. У тесті з модельним полімером вони значно зменшили його молекулярну масу — з 58 100 г/моль до приблизно 400 г/моль. Коли метод застосували до використаної гуми, вона повністю розклалася за шість годин, перетворившись на розчинний матеріал з амінними групами, придатний для виготовлення епоксидних смол. Ця ефективність вражає, особливо в порівнянні з традиційними методами переробки, які часто вимагають екстремальних температур або дорогих каталізаторів. Учені досягли результатів за м’яких умов — при температурі 35−50°C у водному середовищі, що робить процес більш екологічним і економічно вигідним.

Епоксидні смоли широко застосовуються в промисловості для виробництва клеїв, покриттів і композитів. Зазвичай їх виготовляють із нафтохімічних речовин, таких як бісфенол А, та затверджувачів. Дослідження показало, що амін-модифіковані полідіени, отримані за новим методом, дозволяють створювати епоксидні матеріали з міцністю, порівнянною з комерційними смолами. «У такі моменти я усвідомлюю силу органічного синтезу, — сказав Максим Ратушний, співавтор статті та колишній постдокторант Університету Північної Кароліни. — Захопливо бачити, як проста, але потужна послідовність органічних перетворень може розщепити стійкий С-С зв’язок і перетворити гуму на базі полібутдієну та поліізопрену на потенційно цінні епоксидні смоли».

Окрім практичного застосування, це дослідження є важливим кроком до екологічно чистих технологій переробки. Учені оцінили вплив свого методу на довкілля за допомогою фактора екологічного впливу (E-factor), який вимірює кількість відходів відносно отриманого продукту. «E-factor — це простий, але потужний показник для порівняння нового процесу з існуючими, а також для виявлення етапів, які можна вдосконалити для впровадження технології в практику», — пояснив доктор Джефф Льюїс, спеціаліст із Центру стійких систем Мічиганського університету. Хоча повний E-factor, що враховує використання розчинників, був високим, простий E-factor, який їх виключає, виявився значно нижчим, вказуючи на можливості для подальшої оптимізації сталості. Команда вже досліджує екологічніші системи розчинників і альтернативні умови реакції для зменшення відходів.

«Наше дослідження знаменує зміну парадигми в підході до проблеми гумових відходів, — зазначила Сідні Тоуелл, співавторка дослідження та аспірантка Університету Північної Кароліни. — Використовуючи С-Н амінування та реорганізацію основи, цей метод відкриває новий шлях до перетворення використаної гуми на цінні матеріали, зменшуючи залежність від звалищ і мінімізуючи шкоду довкіллю». Цей прорив може стати основою для майбутніх технологій, які не лише вирішать проблему накопичення шин, але й сприятимуть розвитку кругової економіки, де відходи перетворюються на ресурси.