поліетилен

Wikimedia Commons

Група хіміків з Шанхайського інституту органічної хімії Китайської академії наук і Університету Каліфорнії розробила метод перетворення поліетилену в рідкі вуглеводні і парафіни. Для цього вчені використовували комбінацію з двох каталізаторів, які працюють «в тандемі». дослідження опубліковано в журналі Science Advances.

Молекули поліетилену являють собою довгі і, часто, розгалужені вуглеводневі ланцюжка - (CH2-CH2) n-. В одній молекулі комерційного пластика, з якого складаються пляшки і пакети, може бути від сотень до десятків тисяч атомів вуглецю. Бензин, дизельне паливо і мазут теж є сумішшю вуглеводнів, молекули яких, в свою чергу, складаються з 7-21 атомів вуглецю. Тому створивши спосіб ефективно «вкорочувати» поліетилен, хіміки отримають можливість переробляти вторинну сировину в паливо.

Автори нової роботи пропонують такий спосіб, заснований на комбінації трьох класичних реакцій вуглеводнів - дегидрировании, метатезіс і гидрировании. Дегидрирование - процес відриву молекули водню від вуглеводневої каркаса, в результаті цього процесу одинарні зв'язку -CH2-CH2- перетворюються в подвійні -CH = CH-. Гідрування - зворотний йому процес, що перетворює кратні зв'язку в одинарні шляхом приєднання водню. У поліетилені кратних зв'язків практично немає.

Схема «укорочення» поліетилену

Xiangqing Jia et al. / Science Advances, 2016

Ключовий реакцією, що зменшує кількість атомів в вуглецевого ланцюга, є реакція метатезису. У неї вступають лише молекули, що володіють кратними зв'язками. Суть метатезису полягає в наступному: до спеціальній речовині-каталізатору приєднуються дві молекули, що містять подвійні зв'язки, їх можна уявити собі у вигляді ланцюжків, синьою і червоною. Каталізатор перерозподіляє подвійні зв'язку, спочатку «склеюючи» між собою ланцюжки (утворюється квадрат з атомів вуглецю), а потім розриваючи боку квадрата. В результаті ми отримуємо дві нові червоно-сині ланцюжки.

Якщо припустити, що червона ланцюжок була довгою - 1000 атомів вуглецю, а синя короткою - всього 10, то в результаті метатезису утворюються два ланцюжки по 505 атомів. Додавши надмірна кількість коротких ланцюжків (на порядки більше, ніж довгих), послідовні реакції метатезису приведуть до поступового зменшення середньої довжини ланцюжків.

Кожна з цих реакцій вимагає свого каталізатора. Так, гідрування і дегідрування йде на іридієвих комплексних каталізаторах, в промисловому метатезіс використовується оксид ренію, нанесений на окис алюмінію. В експериментах, поставлених в новій роботі, хіміки змішували в лабораторному реакторі обидва каталізатора з поліетиленом і н-октаном, вуглеводнем, що складається з 8 атомів вуглецю і 18 атомів водню.

На першій стадії процесу поліетилен і октан піддавалися дегидрированию - утворювалися подвійні зв'язку. Потім відбувалася реакція метатезису і гідрування її продуктів.

Суміш нагрівали до 175 ° C і залишали на три дні. У разі низькомолекулярного поліетилену (близько 120 атомів вуглецю в ланцюзі) авторам вдалося знизити довжину ланцюгів до 20-40 атомів в ланцюжку і менш. Важливо відзначити, що метатезіс може відбуватися і між молекулами октану. Аналогічним чином хіміки провели ще кілька експериментів, зокрема, вводячи у взаємодію звичайний промисловий поліетилен і петролейний ефір.

A - використані види пластиків і виходи рідких і воскоподібні продуктів. B - фотографії процесу. З - мас-спектр продуктів переробки

Xiangqing Jia et al. / Science Advances, 2016

Вченим вдалося добитися повної переробки пластику в рідкі вуглеводні і тверді парафіни за добу протікання реакції. За словами хіміків, настільки м'які умови перетворення поліетилену раніше не були описані. До того ж, використані каталізатори не втрачають своєї активності навіть якщо в поліетилені присутні стабілізуючі добавки - наприклад, стеарат цинку або поліфеноли.

Багато промислових полімери має дуже високу хімічну стабільність, в природних умовах, наприклад, поліетилен практично не розкладається. Однак нещодавно японські біологи знайшли штам бактерій, який здатний переробляти поліетилентерефталат - пластик, активно застосовується для виготовлення пляшок.

Володимир Корольов