Вчені перетворили пластик на паливо без каталізаторів

Дослідники з Єльського університету розробили революційний метод переробки пластикових відходів, який дозволяє ефективно та економічно вигідно перетворювати їх на паливо та інші цінні продукти. Новий підхід використовує процес піролізу без каталізаторів, що робить його значно дешевшим за традиційні методи.

Дослідження очолили професори Єльської інженерної школи Лянбін Ху та Шу Ху, які є членами Центру матеріальних інновацій та Інституту енергетичних наук Єльського університету. Їхня робота спрямована на вирішення проблеми накопичення тонн пластикових відходів на звалищах щодня.

Піроліз являє собою процес молекулярного розкладання матеріалів за допомогою нагрівання без доступу кисню. У цьому випадку метод використовується для розкладання пластику на компоненти, з яких можна виробляти паливо та інші продукти.

Традиційні методи піролізу часто використовують каталізатори для прискорення хімічних реакцій та досягнення високого виходу продукції, але цей підхід має значні обмеження. Лянбін Ху, професор електротехніки, комп'ютерної інженерії та матеріалознавства в Єльському університеті та директор Центру матеріальних інновацій, пояснює: «Коли ми говоримо про каталізатори, вони дуже дорогі, і є проблема терміну служби, оскільки каталізатори зрештою руйнуються різними способами».

Методи, які не використовують каталізатори, зазвичай мають низькі показники перетворення відходів у корисні продукти. Для цього проекту дослідники знайшли спосіб обійти обидві ці перешкоди та розробили високоселективний, енергоефективний метод піролізу без каталізаторів, який може перетворювати пластик на цінні хімічні речовини.

Ключем до успіху стала 3D-друкована електрично нагрівана колонна реакторна система з вуглецю, що складається з трьох секцій зі зменшуваним розміром пор. Перша секція має пори діаметром один міліметр, наступна секція містить пори розміром 500 мікрометрів, а третя секція виготовлена з порами розміром 200 нанометрів. Коли хімічні речовини проходять через реактор, ієрархічна пориста структура відіграє ключову роль у контролі прогресу реакції хімічних речовин.

По-перше, ця структура запобігає просуванню більших молекул через реактор до того, як вони будуть належним чином розкладені. По-друге, вона забезпечує спосіб контролю температури в реакторі, що запобігає коксуванню та іншим ефектам, які можуть перешкоджати процесу.

Для тестування системи дослідники випробували реактор на зразку звичайного пластику, відомого як поліетилен. Результати виявилися вражаючими: вони повідомляють про рекордно високий вихід майже 66% пластикових відходів, перетворених на хімічні речовини, які можна використовувати для виробництва палива.

Використання 3D-друку для створення структури дозволило дослідникам точно контролювати розміри пор реактора та досліджувати ефекти піролізу. Щоб продемонструвати більш масштабований дизайн, дослідники також використали пристрій, виготовлений з комерційно доступного вуглецевого повсті.

Вони виявили, що цей дизайн, навіть без оптимізації, яку забезпечувала 3D-друкована структура, все ще покращував селективність продуктів піролізу та досягав задовільного виходу, перетворюючи понад 56% пластику на корисні хімічні речовини.

Шу Ху, доцент кафедри хімічної та екологічної інженерії, коментує: «Ці результати дуже обнадійливі та показують великий потенціал для впровадження цієї системи в реальне застосування та пропонують практичну стратегію для перетворення пластикових відходів на цінні матеріали».

Результати цієї роботи опубліковані в журналі Nature Chemical Engineering. У дослідженні також брали участь співробітники з Університету Пердью, Університету Делавера, Міссурійського університету науки і технологій, Університету Західної Вірджинії, Університету Вісконсін-Медісон, Принстонського університету, Національної лабораторії відновлюваної енергії та консорціуму BOTTLE.

Новий метод має потенціал для вирішення глобальної проблеми пластикових відходів, пропонуючи економічно ефективний спосіб їх переробки в корисні продукти. Відсутність потреби в дорогих каталізаторах робить цю технологію більш доступною для широкого впровадження, що може значно вплинути на зменшення накопичення пластикових відходів у навколишньому середовищі.