Tým Oak Ridge National Laboratory přeměňuje polyethylen na palivo bez použití ušlechtilých kovů nebo extrémních teplot. Metoda by mohla otevřít dveře k recyklaci milionů tun plastového odpadu ekonomicky výhodným způsobem.
Miliony tun sáčků, obalů a kuchyňských prkének z polyethylenu, nejprodukovanějšího plastu na planetě, končí každoročně na skládkách bez reálného ekonomického využití. Vědci z Oak Ridge National Laboratory v Tennessee právě ukázali, že tento osud se může změnit: podařilo se jim přeměnit tyto předměty denní potřeby na benzín a naftu pomocí roztavených hliníkových solí, aniž by museli využívat vysoké teploty nebo drahé materiály. Výsledky byly zveřejněny v časopise Journal of the American Chemical Society a představují průlom v chemické recyklaci.
Úskalí, které se zdálo být nepřekonatelné
Přeměna plastů na palivo není nová myšlenka, ale dosud jedinou technicky proveditelnou cestou byla pyrolýza, proces, který vyžaduje zahřátí materiálu na teplotu 450 až 500 stupňů Celsia. Takto vysoká teplota zvyšuje spotřebu energie, prodražuje operaci a velmi ztěžuje její zavedení do průmyslového měřítka. Polyethylen, polymer všudypřítomný v sáčcích ze supermarketů a bílých kuchyňských nádobách, byl obzvláště odolný: jeho dlouhé molekulární řetězce odolávají rozpadu bez masivního vstupu energie.
Palivo při teplotě domácí trouby
Tým ORNL zvolil radikálně odlišnou strategii. Místo kalcinace plast ponořili do směsi roztavených solí obsahujících chlorid hlinitý. Tyto soli, anorganické sloučeniny schopné zachovat si stabilitu v intenzivních reakčních podmínkách, mají dvojí funkci: fungují jako rozpouštědlo a zároveň jako katalyzátor, tj. jako látka, která urychluje reakci, aniž by se při ní spotřebovávala.
Mechanismus funguje takto: atomy hliníku ve směsi se vážou na polymerní řetězce a vytvářejí místa s velmi vysokou kyselostí. Tyto body fungují jako molekulární nůžky, které rozbíjejí obrovské polyethylenové řetězce na mnohem kratší molekuly, odpovídající těm, z nichž se skládá běžný benzin nebo nafta. Nejpozoruhodnější je, že k tomu všemu dochází při teplotě nižší než 200 °C, což je teplota srovnatelná s teplotou běžné kuchyňské trouby.
Sledování uhlíku krok za krokem
K přesnému ověření toho, co se uvnitř reakce děje, vědci využili řadu pokročilých analytických technik: měkkou rentgenovou spektroskopii, nukleární magnetickou rezonanci, neutronový rozptyl a plynovou chromatografii. Pomocí izotopového značení, metody, která umožňuje sledovat dráhu jednotlivých atomů, tým sledoval chování uhlíku v průběhu celého procesu.
Výsledky odhalily, že jednodušší polymerní řetězce mají tendenci vytvářet molekuly typické pro benzín, zatímco složitější struktury směřují ke složkám podobným naftě. Tato úroveň detailů otevírá možnost jemného vyladění procesu tak, aby podle potřeby přednostně produkoval jedno nebo druhé palivo.
Tři technické výhody jedním tahem
Odborníci z ORNL zdůrazňují, že jejich metoda se obejde bez tří prvků, které jsou překážkou běžných alternativ: katalyzátorů na bázi ušlechtilých kovů, jako je platina, organických rozpouštědel a externího přívodu vodíku. Zhenzhen Yang, vědecký pracovník laboratoře a jeden z hlavních autorů studie, shrnuje: „Je to poprvé, kdy byly roztavené soli použity jako prostředek k výrobě chemických látek s vysokou přidanou hodnotou z odpadu bez katalytického iniciátoru a rozpouštědla a při teplotě nižší než 200 stupňů Celsia„.
Za mírných podmínek dosahuje výtěžnost benzinu přibližně 60 %, což je hodnota, kterou sám tým označuje za slibnou pro budoucí průmyslové aplikace.
Překážkou je vlhkost
Navzdory povzbudivým výsledkům není systém zatím připraven na uvedení do velkého měřítka. Hlavní překážkou je, že použité hliníkové soli jsou hygroskopické: absorbují vlhkost z prostředí, což časem zhoršuje jejich stabilitu. Tým nyní zkoumá způsoby, jak tyto soli chránit nebo odstínit, například jejich potažením halogenidy nebo uhlíkovými materiály, aby byla zajištěna jejich trvanlivost v reálném průmyslovém prostředí.
Levná a hojná surovina
Pokud se technologie podaří rozšířit, může mít značný dopad. Polyethylen je nejrozšířenějším plastem na světě, a proto je snadno a levně dostupnou surovinou. Samotné hliníkové soli jsou levnými komerčními produkty. Liqi Qiu, postdoktorand na univerzitě v Tennessee, který se na projektu podílí, zdůrazňuje, že „výchozí materiál je hojně zastoupen ve spotřebitelském odpadu a náš katalytický systém, roztavené soli hliníku, je velmi levný.
Pokud by se realizoval v průmyslovém měřítku, výsledkem by byla nákladově efektivní cesta k přeměně plastového odpadu na vysoce kvalitní dopravní a průmyslová paliva a zároveň by se snížil tlak na skládky. Patent je v současné době v řízení, takže budeme muset být trpěliví, abychom zjistili, zda se tento slibný laboratorní průlom stane skutečným řešením.