Электрические разряды могут превращать отходы пластмасс в газообразный водород и графен, потенциально предлагая способ решения растущей проблемы загрязнения, а также производства экологически чистого топлива. Команда ученых из Rice University (Университета Райса) под руководством Джеймса М. Тура (James M. Tour) подсчитала, что коммерческая ценность графена должна значительно компенсировать затраты на процесс переработки, по сути, предлагая бесплатный источник газообразного водорода, сообщает издание С&EN.
«Теперь это решенная проблема — получить водород бесплатно, просто нужно масштабировать эту проблему в промышленности. Я думаю, что это действительно важное достижение. Это еще раз доказывает, что пластиковые отходы на самом деле являются ресурсом», — говорит Питер Эдвардс (Peter Edwards) из University of Oxford (Оксфордского университета), который разработал микроволновый метод извлечения водорода из пластмасс, но не участвовал в исследовании.
США перерабатывают менее 10% своих пластиковых отходов. Остальные, часто содержащие трудноразделяемые смеси различных пластиков, сжигаются, отправляются на свалки или выбрасывается как мусор. Несмотря на то что пиролиз может превращать смешанные пластиковые отходы в полезные углеводороды, он является энергоемким процессом, который также вызывает экологические проблемы.
Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает слои графена, образовавшиеся в результате воздействия на отходы пластика импульсного джоулевого нагреваИзображение: Kevin Wyss/Tour lab
Между тем существует огромный спрос на водород как экологически чистое топливо и химическое сырье. Тем не менее более 95% мирового производства водорода приходится на паровой реформинг метана (steam-methane reforming), при котором образуется 11 кг углекислого газа на 1 кг водорода. В то же время использование возобновляемых источников электроэнергии для производства «зеленого» водорода требует существенно более дорогих катализаторов, таких как платина.
По мнению Джеймса М. Тура, его процесс может решить обе эти проблемы одновременно, поскольку пластмассы являются богатым источником атомов водорода. Новый метод основан на мгновенном джоулевом нагреве (flash Joule heating), при котором импульс электрического тока перегревает образцы до тех пор, пока они не распадутся.
Мгновенный джоулевый нагрев
Команда ученых ранее использовала этот процесс для переработки анодов графитовых батарей, а также для производства графена из нефтяных отходов, угля и пластика. Хотя в то время они этого не знали, но в ходе предыдущих экспериментов с пластмассами также выделялся водород.
В последней работе исследователи измельчили полиэтилен и добавили небольшое количество токопроводящей добавки, такой как технический углерод. Затем они загрузили материал в небольшую кварцевую трубку с полым электродом, позволяющим выходить газу.
Несколько толчков тока длительностью менее 3 с каждый разогрели образец примерно до 2800 °С. При этом до 93% атомов водорода, присутствующих в полимере, превращаются в газообразный водород с чистотой 87%. Использование смешанных пластиковых отходов также дает водород, хотя и с несколько меньшим выходом и чистотой.
Оставшиеся атомы углерода образовали крошечные чешуйки графена толщиной в несколько атомов, которые агломерировались в неупорядоченные стопки. Ученый утверждает, что полученный материал пригоден для использования в качестве усиливающей добавки для компаундов.
Отмечается, что новый процесс присоединяется к растущему списку добычи водорода из пластиковых отходов. В этот перечень уже входит фотохимический процесс извлечения водорода. В другом варианте используется пиролиз для превращения полимеров в небольшие углеводороды, которые затем можно преобразовать в H2, CO и CO2. В третьем подходе микроволновая технология напрямую высвобождает водород, оставляя углерод в виде нанотрубок.
Ученые отмечают, что джоулевый нагрев не требует катализатора и использует меньше энергии, чем другие способы извлечения водорода из отходов пластмасс, а если проходит с использованием возобновляемой электроэнергии, то выделяется очень мало CO2.
Команда разработчиков уже подсчитала, что даже если бы графен, который они получат, продавался всего по 3 долл./кг (около 5% от его текущей рыночной цены), то доход с лихвой окупил бы все эксплуатационные расходы.
Сегодня механическая вторичная переработка пластмасс, как правило, является очень энергоэффективным способом превратить пластиковые отходы в новое сырье. Поэтому с экологической точки зрения добычу водорода из пластиковых отходов лучше всего применять к отходам, непригодным для вторичной переработки.
Ученые планируют провести более всесторонний анализ жизненного цикла того, как процесс будет работать на пилотной установке, включая потребление энергии, используемой для очистки водорода, а также токсичность задействованных материалов.
Universal Matter, компания-соучредитель, планирует к концу этого года запустить демонстрационный завод в Онтарио, который будет производить примерно 1 т графена в день из отходов и биомассы. Ожидается, что впоследствии можно попытаться улавливать водород, выделяющийся в процессе, который будет не более опасным, чем паровая конверсия метана.