PVC perdirbimas į sintetinį tepalą: Virginia Tech tyrimas

Į kambarį įeina kredito kortelė, PVC vamzdžio gabalas ir laboratorinė kolba. Skamba kaip anekdoto pradžia, kol nesužinai, kad šie daiktai gali virsti aukštos vertės pramoniniu aliejumi. Šis pertvarkymas, kai viena iš sunkiausiai perdirbamų plastikų rūšių paverčiama sintetinio tepalo komponentu, dabar turi veikiantį koncepcijos įrodymą, sukurtą Virginia Tech komandos.

Polivinilchloridas, arba PVC, yra visur: fono vamzdynuose, langų rėmuose, lanksčiose kredito kortelėse, kabelių apvalkaluose. Jis taip pat cheminiu požiūriu užsispyręs. PVC turi chloro atomus ir įvairių gamintojų skirtų priedų mišinį, o ši kintamumas daro įprastą perdirbimą sudėtingu, brangiu arba abiem. Dėl to susidaro PVC kalnai, kurie dažnai atsiduria sąvartynuose arba deginamosiose.

Nuo minkštų, lipnių atraižų iki naudingos alyvos

Tai, ką atrado Virginia Tech komanda, skamba paprastai tik tada, kai pamatai už to slypinį darbą. Jie ištirpdė išmestos PVC dalis tirpiklyje, pridėjo aliuminio trichloridą ir alfa-olefinus ir kaitino mišinį iki maždaug 158 laipsnių pagal Farenheitą, tai yra apie 70 laipsnių Celsijaus, kelias valandas. Cheminiai žingsniai pakeičia chloro atomus ir palaipsniui sutrumpina polimerų grandines. Gautas produktas yra klampus, polyalphaolefinams panašus aliejus, plačiai naudojamas sintetiniuose tepaluose, įskaitant variklių alyvas.

Liu laboratorijos tyrėjai tiria variklio alyvos mėginius, gautus iš perdirbto plastiko atliekų. 

Būdavo akligatviai. Ankstyvi bandymai davė minkštą, lipnų medžiagos gabalą, kuris atrodė kaip nesėkmė. Vietoje idėjos atmetimo komanda pakeitė požiūrį: užuot bandžius suprojektuoti polimerą su reikiamomis savybėmis, jie sąmoningai dar labiau sutrumpino grandines, kol goo paverte skysčiu su tinkamomis tepimo charakteristikomis. Šis posūkis paversdavo nesėkmę projekto pagrindine įžvalga.

Kaip iš tikrųjų veikia chemija

Procesas naudoja Luiso rūgšties katalizę chloro šalinimui ir naujų angliavandenilių segmentų prijungimui. Aliuminio trichloridas veikia kaip katalizatorius, alfa-olefinai tiekia angliavandenilių fragmentus, o šiluma pagreitina transformacijas. Maždaug per tris valandas ilgos, chloro turinčios PVC grandinės suskyla į trumpesnes, prisotintas molekules, kurios primena polyalphaolefinus, pramonės terminais žinomus kaip PAO.

Kodėl PAO yra svarbūs

PAO vertinami tepalų pramonėje dėl terminio stabilumo, geros srautimo savybės žemoje temperatūroje ir pastovaus klampumo esant krūviui. Šios savybės svarbios ne dėl puošnumo, o dėl patikimumo: ta pati chemija tyliai apsaugo vejapjoves, lengvųjų automobilių variklius ir lėktuvų turbinas. PAO tipo molekulių gamyba iš atliekų plastiko galėtų sumažinti paklausą petrochemikalams ir nukreipti sunkiai perdirbamus PVC srautus nuo šalinimo kelių.

Doktorantas Connor Thompson tiria variklio alyvos mėginį, gautą iš perdirbto plastiko Greg Liu laboratorijoje. Kairėje rankoje jis laiko žaislines plastikines varlytes, panašias į tas, kurios buvo naudojos procese. 

Testavimas ir išorinė patikra

Laboratorijoje pagamintos alyvos neužtenka. Komanda kreipėsi dėl nepriklausomų bandymų ir modeliavimo, kad įvertintų veikimą ir komercinį potencialą. Mėginiai buvo analizuojami tribologų Texas A&M universitete, siekiant įvertinti trinties ir dilimo savybes. Skaičiavimo chemijos parama iš Caltech padėjo išžemėstyti reakcijų energetiką ir nuspėti, kurie molekuliniai fragmentai dominuos produkte. Virginia Tech bendradarbiai sudarė paprastus ekonominius modelius, kad įvertintų mastelio didinimo scenarijus.

Tie bandymai parodė vilčių: perdirbta alyva keliose svarbiose metrikose pasirodė panaši į įprastus PAO bazinius aliejus. Tai nereiškia, kad produktas yra paruoštas rinkai. Tai reiškia, kad metodas galėtų tapti tiltu tarp plastikų atliekų tvarkymo ir tepalų gamybos.

Doktorantas Adrian DiMarco paruošia variklio alyvos mėginį, gautą iš perdirbto plastiko Greg Liu laboratorijoje. 

Pasekmės ir tolesni žingsniai

Čia kertasi dvi problemos. Pirma, PVC sunku perdirbti mastu. Antra, tepalų gamyba turi aplinkos poveikį ir priklauso nuo petrocheminių žaliavų. PVC pavertimas tepalų komponentais sprendžia abi problemas: sukuria didesnės vertės srautą iš atliekų ir sumažina priklausomybę nuo naujų angliavandenilinių žaliavų tam tikriems tepalų klasėms.

Artimiausi iššūkiai yra praktiniai. Ar chemija toleruos didelį priedų įvairovę, randamą realiame PVC atliekų sraute? Ar tirpiklis ir katalizatorius gali būti efektyviai atgauti ir perdirbti? Kaip emisijos ir gyvavimo ciklo poveikis lyginamas su esamais sprendimais? Virginia Tech tyrėjai sprendžia šiuos klausimus tobulindami reakcijos sąlygas, gerindami katalizatorių atgavimą ir modeliuodami tiekimo grandinės scenarijus pramoniniam diegimui.

Ekspertų įžvalga

„Šis darbas kūrybiškai sieja du atkaklius iššūkius, PVC atliekas ir tepalų tiekimą,“ sako dr. Elena Márquez, chemijos inžinerijos specialistė Kembridžo universitete, tyrinėjanti polimerų perdirbimą. „Jei komandai pavyks įrodyti patikimą žaliavų lankstumą ir mažos energijos sąnaudų katalizatorių atgavimą, metodas galėtų būti mastomas. Aplinkos naudos priklauso nuo gyvavimo ciklo detalių, tačiau koncepcija perkelia perdirbimą už paprasto medžiagų atgavimą ir linkro tikro vertės kūrimo.“

Išvada

Virginia Tech studija nėra galutinis produktas, bet aiškus įrodymas, kad chemija gali peradresuoti sudėtingus atliekų srautus į pramoniniu požiūriu vertingas molekules. PVC konvertavimas į PAO tipo tepalus nepašalins plastikų taršos vien tik šiuo sprendimu. Vis dėlto tai suteikia naują įrankį: metodą, randantį vertę tose medžiagose, kurias pramonė ir vartotojai dažnai laiko atliekomis. Tolesnis optimizavimas, ypač susijęs su katalizatorių pernaudojimu ir žaliavų kintamumu, gali paversti šį kelią reikšmingu tiek uždarojo ciklo plastikų strategijų, tiek tvaresnių tepalų tiekimo grandinių komponentu.