Слишком много современного пластика невозможно переработать
Приятно перерабатывать. Есть определенное чувство выполненного долга, которое приходит от сортировки бутылок из-под газировки, пластиковых пакетов и стаканчиков из-под йогурта от остального мусора. Чем больше пластика вы положите в эту синюю корзину, тем больше вы избежите попадания на свалки и в океаны, верно?
Неправильный. Независимо от того, насколько тщательно вы чистите и разделяете свой пластик, большая его часть все равно оказывается в куче мусора.
Возьмите гибкие продуктовые наборы. Эти пленки содержат несколько слоев различных пластиков. Поскольку каждый пластик должен быть переработан отдельно, эти пленки не подлежат вторичной переработке. Продуктовые пакеты и термоусадочная пленка слишком хрупкие, они могут запутаться с другими материалами на конвейерной ленте. Полипропилен в стаканчиках для йогурта и других предметах также обычно не перерабатывается; при переработке мешанины из полипропилена получается темный вонючий пластик, который мало кто из производителей будет использовать.
В Соединенных Штатах обычно перерабатываются только два вида пластика: из пластиковых бутылок из-под газировки, полиэтилентерефталата или ПЭТ; а пластик, используемый в кувшинах для молока и контейнерах для моющих средств, - полиэтилен высокой плотности или HDPE. Вместе эти пластмассы составляют лишь около четверти пластикового мусора в мире, сообщили исследователи в 2017 году в журнале Science Advances. И когда эти пластмассы перерабатываются, они не очень хороши. Переплавка пластика для переработки меняет его консистенцию, поэтому ПЭТ из бутылок приходится смешивать с совершенно новым пластиком, чтобы получить прочный конечный продукт. Переработка смеси разноцветных кусочков полиэтилена высокой плотности позволяет получить темный пластик, пригодный только для изготовления таких продуктов, как парковые скамейки и мусорные баки, в которых такие свойства, как цвет, не имеют большого значения.
Трудности переработки пластика во все, что хотят использовать производители, - главная причина того, почему мир замусорен таким количеством пластиковых отходов, - говорит Эрик Бекман, инженер-химик из Университета Питтсбурга. По данным Агентства по охране окружающей среды США, только в 2018 году в США было захоронено 27 миллионов тонн пластика и переработано всего 3 миллиона. Низкий уровень утилизации - проблема не только США. Из 6,3 миллиарда тонн пластика, который был выброшен по всему миру, только около 9 процентов были переработаны. Еще 12 процентов сгорели, и почти 80 процентов скопились на суше или в водных путях.
Хорошие новости/плохие новости
Количество пластика, перерабатываемого в Соединенных Штатах, увеличилось за последние несколько десятилетий, но эти уровни все еще меркнут по сравнению с количеством пластика, попадающего на свалки.
Обращение с пластиковыми отходами, 1960-2018 гг
Поскольку пластик собирается повсюду, от вершины Эвереста до дна Марианской впадины, существует острая необходимость уменьшить количество выбрасываемого пластика (СН: 16.01.21, стр. 5). Некоторые люди предлагают заменить пластмассы биоразлагаемыми материалами, но эти заменители, как правило, не такие прочные и дешевые в производстве, как пластмассы (SN: 22.06.19, стр. 18). Поскольку на самом деле пластик не исчезнет в ближайшее время, химики, которые понимают все тонкости и недостатки всего этого надоедливого пластика, работают над тем, чтобы упростить его переработку и превратить в более качественный материал, который можно использовать для большего количества вещей.
«Не будет единой технологии, которая могла бы стать ответом», - говорит Эд Дэниелс, старший руководитель проекта в Институте REMADE в Западной Генриетте, штат Нью-Йорк, который финансирует исследования новых методов переработки. Некоторые проекты вот-вот превратятся в промышленность; другие все еще являются многообещающими лабораторными экспериментами. Но все они сосредоточены на создании будущего, в котором любой пластик, попадающий в мусорный бак, может получить вторую и третью жизнь в новом продукте.
Разбираем пластик
Одним из самых больших узких мест в переработке пластика является то, что каждый материал должен перерабатываться отдельно. «Большинство пластиков похожи на масло и воду», - говорит химик Джеффри Коутс из Корнельского университета. Они просто не смешиваются. Возьмем, к примеру, полиэтиленовый кувшин для моющего средства и его полипропиленовую крышку. «Если вы расплавите их, и я сделаю из этого бутылку, и я сожму ее, она фактически треснет сбоку», - говорит Коутс.«Он безумно хрупкий. Совершенно бесполезный.
Вот почему в первую очередь вторсырье из пластика предназначено для переработки материалов, где люди и машины выполняют сортировку. Затем отделенный пластик можно мыть, измельчать, плавить и формовать заново. Система хорошо работает для простых предметов, таких как бутылки из-под газировки и кувшины для молока. Но не для таких предметов, как контейнеры для дезодорантов, где бутылка, рукоятка и крышка могут быть сделаны из разных видов пластика. Пленки для упаковки пищевых продуктов, которые содержат несколько слоев различных пластиков, особенно сложно разобрать. Ежегодно во всем мире производится 100 миллионов тонн этих многослойных пленок. По словам инженера-химика Джорджа Хубера из Университета Висконсин-Мэдисон, после выбрасывания этот пластик попадает на свалки.
Чтобы решить эту проблему, Хубер и его коллеги разработали стратегию работы со сложными смесями пластмасс. В процессе используется ряд жидких растворителей для растворения отдельных пластиковых компонентов продукта. Хитрость заключается в выборе правильных растворителей для растворения только одного вида пластика за раз, говорит Хубер.
Команда протестировала этот метод на упаковочной пленке, содержащей полиэтилен и ПЭТ, а также на пластиковом кислородном барьере из этиленвинилового спирта или EVOH, который сохраняет продукты свежими.
Перемешивание пленки в толуольном растворителе сначала растворяло полиэтиленовый слой. Погружение оставшейся пленки EVOH-PET в растворитель, называемый ДМСО, удалило EVOH. Затем исследователи вытащили оставшуюся ПЭТ-пленку и извлекли два других пластика из их отдельных растворителей, смешав химические вещества-антирастворители. Эти химические вещества заставляли молекулы пластика, диспергированные в жидкостях, собираться в твердые комки, которые можно было выловить.
Этот процесс восстановил практически весь пластик из оригинальной пленки, сообщили исследователи в ноябре прошлого года в журнале Science Advances. При тестировании на смеси гранул из полиэтилена, ПЭТ и EVOH промывочные растворители восстанавливали более 95 процентов каждого материала, что намекает на то, что эти растворители можно использовать для удаления пластиковых компонентов с более объемных предметов, чем упаковочная пленка. Таким образом, теоретически предприятия по утилизации могут использовать эту технику для разборки мультипластиковых контейнеров с дезодорантами и других продуктов различных форм и размеров.
Хубер и его коллеги планируют найти растворители для растворения других видов пластика, таких как полистирол в пенополистироле. Но потребуется гораздо больше работы, чтобы сделать эту стратегию эффективной при сортировке всех сложных комбинаций пластика в реальных вторсырьях.
Ложная реклама
Многие пластмассовые изделия помечены номером внутри треугольника, который символизирует переработку. Тем не менее, только пластмассы с 1 (полиэтилентерефталат) или 2 (полиэтилен высокой плотности) широко перерабатываются в Соединенных Штатах. Остальные обычно отправляются на свалку.
ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ
Бутылки для воды и безалкогольных напитков, салатники, формочки для печенья, соусы для салатов и контейнеры для арахисового масла
HDPE
Бутылочки для молока и сока, пакеты для заморозки, бутылки для шампуня и моющих средств
ПВХ
Контейнеры для косметики, коммерческая пищевая пленка
LDPE
Сжатые бутылки, пищевая пленка, мешки для мусора
PP
Посуда для микроволновых печей, ванночки для мороженого, контейнеры для йогурта, крышки от бутылок с моющими средствами
ПС
футляры для компакт-дисков, пластиковые одноразовые стаканчики, пластиковые столовые приборы, видеофутляры
EPS
Стаканчики для горячих напитков из пенополистирола, подносы для еды на вынос, защитная упаковка для хрупких предметов
Другой
Бутылки-холодильники, гибкие пленки, мультиматериальная упаковка
Изготовление пластиковой смеси
Также могут быть химические сокращения, которые позволяют перерабатывать многослойные пленки и другие смеси пластмасс в том виде, в каком они есть. Добавки, называемые компатибилизаторами, помогают смешивать различные расплавленные пластмассы, так что несортированные материалы можно рассматривать как одно целое. Но универсального компатибилизатора, позволяющего смешивать все виды пластика, не существует. А существующие присадки, улучшающие совместимость, не используются широко, потому что они не очень эффективны, а добавление большого количества присадки, улучшающей совместимость, в пластиковую смесь становится дорогостоящим.
Чтобы повысить жизнеспособность, Коутс и его коллеги создали сильнодействующий компатибилизатор для полиэтилена и полипропилена. Вместе эти два пластика составляют более половины пластика в мире. Новая молекула компатибилизатора содержит два сегмента полиэтилена с вкраплениями двух сегментов полипропилена. Эти чередующиеся сегменты соединяются с молекулами пластика одного типа в смеси, объединяя полиэтилен и полипропилен. Это как если бы полиэтилен был сделан из лего, а полипропилен - из дупло, а исследователи сделали специальный строительный блок с разъемами, которые подходят к обоим типам блоков.
Наличие двух полиэтиленовых и двух полипропиленовых соединителей для каждой молекулы компатибилизатора, а не одного, сделало этот компатибилизатор более сильным, чем предыдущие версии, сообщили Коутс и его коллеги в 2017 году в журнале Science. Первое испытание нового компатибилизатора включало сварку полос полиэтилена и полипропилена. Обычно два материала легко отделяются друг от друга. Но со слоем компатибилизатора между ними пластиковые полоски сломались, а не уплотнение компатибилизатора, когда их разъединили.
Во втором испытании исследователи смешали компатибилизатор с расплавленной смесью полиэтилена и полипропилена. Чтобы создать прочный новый пластик, потребовалось всего 1 процент компатибилизатора.
«Это безумно мощные добавки», - говорит Коутс. Другие компатибилизаторы должны были быть добавлены в концентрациях до 10 процентов, чтобы скрепить эти два пластика. Новый компатибилизатор теперь является основой для стартапа Коутса, Intermix Performance Materials, базирующегося в Итаке, Северная Каролина. Ю.
Как новый
Даже если каждый кусок пластикового мусора можно было бы легко переработать, это все равно не решило бы мировую проблему пластика. Есть пара серьезных проблем с тем, как в настоящее время работает переработка, которые серьезно ограничивают возможности использования переработанных материалов.
Во-первых, переработанный пластик унаследовал все красители, антипирены и другие добавки, которые придавали каждому оригинальному пластиковому изделию неповторимый внешний вид. «Пластик, который вы на самом деле извлекаете в конце всего этого, на самом деле представляет собой очень сложную смесь», - говорит химик Сюзанна Скотт из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Немногие производители могут использовать пластик со случайным набором свойств, чтобы сделать что-то новое.
Кроме того, переработка разрушает некоторые химические связи в молекулах пластика, что влияет на прочность и консистенцию материала. Плавить и переплавлять пластик - это как разогревать пиццу в микроволновке - вы получаете в основном то, что положили, только не так хорошо. Это ограничивает количество раз, когда пластик можно перерабатывать, прежде чем он будет захоронен.
Решение обеих проблем может заключаться в новом виде процесса переработки, называемом химической переработкой, который обещает производить чистый новый пластик бесконечное количество раз. Химическая переработка включает в себя разделение пластика на молекулярном уровне.
Молекулы, из которых состоят пластмассы, называются полимерами, которые состоят из более мелких мономеров. Используя тепло и химикаты, можно разобрать полимеры на мономеры, отделить эти строительные блоки от красителей и других загрязняющих веществ и снова собрать мономеры в новый пластик.
«Химическая переработка действительно начала проявляться как сила, я бы сказал, в течение последних трех или четырех лет», - говорит Бекман из Университета Питтсбурга. Но большинство методов химической переработки слишком дороги или энергоемки для коммерческого использования. «Он не готов к прайм-тайму», - говорит он.
Разные пластики требуют разных процессов химической переработки, и некоторые из них разлагаются легче, чем другие. «Самый дальний путь - это ПЭТ, - говорит Бекман. «Этот полимер легко разобрать». Несколько компаний разрабатывают методы химической переработки ПЭТ, в том числе французская компания Carbios.
Carbios тестирует ферменты, вырабатываемые микроорганизмами, для разрушения ПЭТ. Исследователи компании описали свою работу над одним из таких ферментов в апреле прошлого года в журнале Nature. Микробы обычно используют фермент, называемый кутиназой компоста листьев, для разложения воскового покрытия на листьях растений. Но кутиназа также хорошо расщепляет ПЭТ на его мономеры: этиленгликоль и терефталевую кислоту.
Микробная помощь
Фермент, естественным образом вырабатываемый микробами, расщепил около 50 процентов полиэтилентерефталата или ПЭТ (синяя линия). Модифицированная версия фермента разрушила более 80 процентов пластика (черная пунктирная линия). Увеличение количества фермента с 1 миллиграмма на грамм ПЭТФ до 3 миллиграммов сделало его еще более эффективным, расщепляя около 90 процентов ПЭТ.
Расщепление ПЭТ ферментом
«Фермент подобен молекулярным ножницам», - говорит Ален Марти, главный научный сотрудник Carbios. Но поскольку он эволюционировал для разложения растительного материала, а не пластика, он не идеален. Чтобы фермент лучше разрезал ПЭТ, «мы переконструировали то, что мы называем активным центром фермента», - говорит Марти. Это включало замену некоторых аминокислот в этом месте стыковки ПЭТ на другие.
Когда исследователи проверили свой мутантный фермент на цветных пластиковых хлопьях из ПЭТ-бутылок, применяя 3 миллиграмма фермента на грамм ПЭТ, около 90 процентов пластика разрушилось примерно за 10 часов. Исходный фермент достиг максимума примерно на 50 процентов. Используя мономеры терефталевой кислоты, полученные в ходе этого процесса, исследователи изготовили новые пластиковые бутылки, столь же прочные, как и оригинальные.
Carbios в настоящее время строит завод недалеко от Лиона, Франция, чтобы начать химическую переработку ПЭТ в конце этого года.
Легкие условия
Но другие пластики, такие как полиэтилен и полипропилен, гораздо труднее разрушить путем химической переработки. Например, для разделения молекул полиэтилена требуется температура выше 400° по Цельсию. При такой высокой температуре химия хаотична. Молекулы пластика распадаются случайным образом, образуя сложную смесь соединений, которые можно сжигать в качестве топлива, но не использовать для создания новых материалов.
Скотт, химик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, предлагает частично расщеплять эти прочные пластмассы более контролируемым способом в более мягких условиях, чтобы получить другие виды полезных молекул. Недавно она и ее коллеги придумали способ превращения полиэтилена в алкилароматические соединения, которые можно использовать в качестве биоразлагаемых ингредиентов в шампунях, моющих средствах и других продуктах. Процесс включает помещение полиэтилена в реакционную камеру, установленную на 280°C, с порошком катализатора, содержащим наночастицы платины.
Полиэтилен представляет собой длинную молекулу, в которой атомы водорода соединены с углеродным остовом, длина которого может составлять тысячи атомов углерода. По словам Скотта, платина хорошо разрушает углерод-водородные связи. «Когда вы делаете это, вы генерируете водород в реакторе, и платиновый катализатор может использовать водород для разрыва углерод-углеродных связей [в основной цепи молекулы]. Таким образом, он фактически разрезает цепь на более мелкие части».
Поскольку эта реакция протекает при относительно умеренной температуре 280°C, она происходит упорядоченно, расщепляя длинные молекулы полиэтилена на более короткие цепи, каждая из которых имеет длину около 30 атомов углерода. Затем эти фрагменты образуют шестисторонние кольцевые структуры, характерные для алкилароматических соединений.
После 24 часов в реакционной камере «большинство продуктов представляют собой жидкости, и большинство жидкостей представляют собой алкилароматические соединения», - говорит Скотт. В экспериментах около 69 процентов пластика в пакете из полиэтилена низкой плотности превратилось в жидкость. Было преобразовано около 55 процентов крышки бутылки из полиэтилена высокой плотности. По словам Скотта, в процессе также образуются углеводородные газы, которые можно использовать для выработки тепла для проведения реакции на заводе по переработке..
На данный момент это всего лишь лабораторная демонстрация, и, как и многие новые стратегии переработки, до коммерческого использования еще далеко. И никакая модернизация конвейера переработки не избавит мир от растущих гор пластикового мусора. «Для решения этой задачи нам понадобится набор технологий, - говорит Дэниелс из Института REMADE. Но каждая новая технология - направлена ли она на упрощение переработки пластмасс или на превращение их в более полезные материалы - может помочь.
Построено на совесть
Производимые сегодня пластмассы никогда не предназначались для многократного использования. Вот почему переработка пластика, особенно в такой же хороший материал, как новый, так сложна. Но исследователи возвращаются к чертежной доске, чтобы спросить себя: «Как выглядит следующее поколение материалов? Как вы разрабатываете материал, чтобы он никогда не попадал на свалку?» - говорит Эрик Бекман, инженер-химик из Университета Питтсбурга. «Химики пытаются понять, можно ли разработать полимер, который распадается по команде».
О разработке класса полимеров нового поколения, называемых PDK, для поли(дикетоенаминов) сообщалось в Nature Chemistry в 2019 году. «PDK обладают способностью разрывать свои связи в относительно мягких условиях. - безусловно, с гораздо меньшей энергоемкостью, чем любой из пластиков, которые используются в настоящее время», - говорит соавтор исследования Бретт Хелмс, химик из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в Калифорнии. Простого погружения пластика в раствор кислоты с pH 1 или 2 достаточно, чтобы разрушить связи между его мономерными строительными блоками.
«Материалы обычно не имеют такого низкого pH, поэтому если вы поместите PDK в уксус, полимер не начнет разрушаться», - говорит Хелмс. Но это может облегчить переработку. Затем мономеры PDK можно снова и снова использовать для производства нового пластика.
Повсеместно распространенные пластмассы, такие как полиэтилентерефталат или ПЭТ, и полиэтилен настолько дешевы в производстве, что любому прорывному полимеру будет трудно выйти на рынок, говорит Бекман. Так что на данный момент перерабатываемый пластик - это просто академический курьез. Но, возможно, через десятилетия пластмассы, предназначенные для вторичной переработки с самого начала, помогут решить мировую проблему пластиковых отходов. - Мария Темминг