Lydytos druskos leidžia paversti polietileną kurais

Karštos druskos indas, o ne įkaitusi krosnis, tapo netikėta priemone paversti kasdienį plastiką kuru. Šią metodiką sukūrė Oak Ridge Nacionalinės Laboratorijos (ORNL) tyrėjai ir jų partneriai; ji naudoja lydytas druskas polietileno skaidymui į benzino tipo ir dyzelino tipo angliavandenilius esant temperatūroms žemiau 200 laipsnių Celsijaus.

Druska, cheminiai procesai ir žemos temperatūros posūkis

Polietilenas yra visur: prekybos maišeliuose, pakuočių plėvelėse, pjaustymo lentelėse ir daugelyje vienkartinių gaminių. Jis yra cheminiai atsparus, kas paaiškina tiek jo naudingumą, tiek ilgalaikį išlikimą išmetus. Tradicinės terminės perdirbimo technikos, pavyzdžiui, pirolizė, reikalauja intensyvios kaitros, paprastai 450–500 laipsnių Celsijaus, kad būtų suskaidytos tos ilgos anglies grandinės iki naudingų mažesnių molekulių. Tokia aukšta temperatūra reiškia dideles energijos sąnaudas ir medžiagų iššūkius reaktoriams bei katalizatoriams.

ORNL komanda pasirinko kitokį kelią. Kaitinama netirpių druskų mišinys, kol jis ištirpsta. Į tą lydytą terpę įvedami aliuminio chlorido centrai. Įmetamas polietilenas. Lydyta druska veikia kaip reakcijos aplinka ir kaip katalizatorius, leidžiantis grandinių skaidymąsi ir molekulinius pertvarkymus prie kur kas mažesnių temperatūrų. Laboratorinėse bandymų serijose procesas masės atžvilgiu davė maždaug 60 procentų benzino tipo produktu, o kitos frakcijos priminė dyzelino srities junginius.

Privalumai yra trijų rūšių. Pirma, reikalingos temperatūros yra neįprastai žemos plastikų skaidymui. Antra, lydytos druskos eliminuoja poreikį brangiems tauriųjų metalų katalizatoriams. Trečia, nereikia išorinio vandenilio tiekimo ar organinio tirpiklio. Kartu šios savybės daro metodą cheminiu požiūriu santūresnį ir potencialiai pigesnį eksploatuoti, jei jį pavyktų ištiesinti pramonei.

Ko komanda rado atominiame lygyje

Norint suprasti, kodėl druska veikia, reikia pažvelgti, kas atsitinka su polimerų grandinėmis. Polietilenas susideda iš ilgų anglies ir vandenilio grandinių. Lydytose druskose esantys aliuminio junginiai sukuria stiprius rugštinius centrus, kurie gali skatinti teigiamai įkrautų anglies centrų, t. y. karbokationų, susidarymą. Kai tie karbokationai susiformuoja, grandinė tampa pažeidžiama ir gali fragmentuotis į mažesnius angliavandenilio fragmentus, būdingus kurams.

Norėdami sekti šiuos transformacijos etapus, tyrėjai naudojo deuteriavimo žymėjimą. Deuteris, sunkesnė vandenilio izotopė, puikiai tinka kaip žymeklis reakcijų studijose. Neutronų sklaida ORNL Spallation Neutron Source padėjo komandai stebėti, kaip vandenilio atomai juda ir persiskirsto skaidymo metu, nes neutronai yra labai jautrūs lengviesiems elementams, tokiems kaip vandenilis ir jo izotopai.

Papildomi matavimai Lawrence Berkeley Nacionalinės Laboratorijos Pažangiuoju šviesos šaltiniu naudojo minkštųjų rentgeno spindulių spektroskopiją, kad ištirtų pokyčius aliuminio centruose. Šie eksperimentai rodė, jog formuojasi elektronais prisotinti tarpiniai junginiai, kurie sąveikauja su aliuminiu, palaikydami mechanistinį vaizdą, kuriame aliuminis koordinuoja su laikinais aromatiniais arba karbokationiniais tarpinais ir taip nukreipia reakcijos kelią.

Analitiniai įrodymai ir atkuriamumas

Grupė papildė spektroskopinius duomenis branduolinio magnetinio rezonanso, rentgeno difrakcijos, dujų chromatografijos–masių spektrometrijos ir skaičiavimų modeliavimų metodais. Kartu šios priemonės išaiškino, kodėl paprastesnės polietileno grandinės dažniau duoda benzino srities molekules, tuo tarpu labiau išsišakoję arba sudėtingesni polimerai generuoja sunkesnes, dyzelino tipo frakcijas.

Naujas lydytų druskų pagrindu veikiantis sistema paverčia polietileno atliekas benzino ir dyzelino tipo kurais transportui ir gamybai. 

Kodėl dešimtmečių tyrimai su lydytomis druskomis buvo svarbūs

Lydytos druskos nėra naujiena chemijoje. ORNL darbas su šiomis medžiagomis siekia bent 1960-uosius, kai lydytų druskų reaktoriai buvo bandomi branduolinėms taikoms. Tie istoriniai investicijos sukaupė gilias žinias, kaip tvarkyti, charakterizuoti ir modeliuoti druskų sistemas sudėtingomis sąlygomis. Ši patirtis pasirodė naudinga, kai Dai ir kolegos pritaikė lydytų druskų chemiją polimerų konversijai.

Lydytos druskos toleruoja korozines chemijas ir didelį joninį stiprumą, todėl jos gali išlikti stabilios ten, kur organiniai tirpikliai ar dujiniai katalizatoriai stringa. Jei dabartinį metodą pavyks inžineriniu lygiu paversti nuolatine technologija, druskos terpės stabilumas galėtų supaprastinti reaktoriaus dizainą ir sumažinti kai kurias mastelio padidinimo kliūtis, kurios sunkina terminės konversijos technologijas.

Vis dėlto praktinių kliūčių yra. Aliuminio turinti druska sugeria vandenį, o toks higroskopiškumas silpnina stabilumą. Komanda ieško uždarymo strategijų ir druskų formulių, atsparių drėgmės įsisavinimui, pavyzdžiui, pridedant halogenų komponentų arba apsauginių anglies pagrindo sluoksnių, kurie pagerintų fazinį atskyrimą ir tolimesnį tvarkymą.

Potenciali įtaka ir pramonės perspektyvos

Jei chemija atlaikys inžinerinius patikrinimus, pasekmės gali būti reikšmingos. Polietilenas yra gausiausias komercinis plastikas ir nuolatinė miesto atliekų srauto dalis. Paverčiant tą polimerą vertingais angliavandenilių skystaisiais produktais, būtų galima sukurti žaliavas cheminėms gamykloms arba maišytoms transporto kuro sudedamosioms dalims, mažinant priklausomybę nuo žaliavinių iškastinių išteklių ir suteikiant kelią kai kurių plastikų atliekų įtraukimo atgal į pramoninį naudojimą.

Ekonomika atrodo perspektyvi popieriuje: katalizatorių sistema remiasi pigiomis aliuminio druskomis vietoje brangių tauriųjų metalų, o žemesnė temperatūra sumažina energijos poreikį. Komanda pateikė paraišką patentui dėl šios technologijos ir teigia, kad kiti žingsniai yra pilotiniai projektai, galintys parodyti nuolatinį darbą ir patikimą druskų valdymą realiomis tiekimų sąlygomis.

Ekspertės įžvalga

"Šis požiūris išsiskiria tuo, kad reakcijos terpė veikia kaip aktyvus dalyvis, o ne tik pasyvus indas," sako dr. Elena Rios, medžiagų chemikė ir atliekų į chemiją specialistė, nepriklausoma nuo tyrimo. "Lydytos druskos gali sukurti neįprastas rūgštinių ir bazinių savybių zonas bei jonų koordinaciją, ko paprastai nėra dujinės fazės pirolizėje. Iššūkis bus suprojektuoti inžinerinius sprendimus, kurie palaikytų druskas sausas ir kontroliuojamas masteliu."

Dr. Rios priduria praktinę pastabą: "Pilotiniai bandymai su realiomis miesto atliekų srovėmis yra būtini. Mišrios plastiko rūšys, teršalai ir priedai keičia reakcijų chemiją ir produkto sudėtį. Jei komandai pavyks išlaikyti selektyvumą su realiais įėjimais, procesas gali būti transformuojantis."

Išvados

ORNL vadovaujami darbai demonstruoja įtikinamą ir cheminį elegantišką kelią paversti polietileną kurams panašiais angliavandeniliais naudojant lydytas aliuminio druskas neįprastai žemose temperatūrose. Analitiniai tyrimai rodo, kad aliuminio vedama karbokationinė chemija yra pagrindinis variklis, o metodas apeina brangių katalizatorių ir vandenilio tiekimo poreikį. Vis dėlto drėgmės jautrumas ir realių plastiko atliekų tiekimo sudėtingumas reaktoriui lieka praktinėmis kliūtimis.

Jei inžineriniai sprendimai suvaldys druskas ir išlaikys katalizinį aktyvumą nuolatiniame režime, lydytų druskų konversija galėtų tapti vienu iš įrankių didesniame atliekų į išteklius sprendimų rinkinyje. Tai nebus vienintelė priemonė plastiko atliekų krizei spręsti, bet gali perkelti dalį polietileno iš sąvartynų arba deginimo į pramonės žaliavų grandinę.

ORNL ir partnerių institucijų tyrėjai toliau tobulina chemiją ir vertina mastelio išplėtimo kelius. Dešimtmečių lydytų druskų mokslo ir modernių analitinių įrankių derinys atvėrė naują kryptį, kuri verta dėmesio, kai intensyvėja pasauliniai pastangos uždaryti medžiagų ciklus.