Новый метод позволяет разложить отходы полистирола за 15 минут

Разработанный метод механохимической переработки путем измельчения в шаровой мельнице без использования растворителей позволяет разложить отходы полистирола (ПС) на бензол (С6) и алифатические углеводороды всего за 15 минут.

Исследователи из Университета Акрона (The University of Akron, США) во главе с Цзюньпэн Ван добавили в реакционный сосуд бензойный ангидрид и преобразовали свежеполученный бензол непосредственно в бензофенон, создав однореакторный метод переработки потребительских отходов в полезное химическое сырье, сообщается в пресс-релизе вуза.

Механохимия, которая запускает химические реакции путем стимуляции реагентов посредством механики, является изначально экономически- и энергоэффективным методом. Этот простой процесс уже привлек внимание как стратегия переработки пластиковых отходов, включая пер- и полифторалкильные соединения (ПФАС) и полиэтилен.

Но вместо того, чтобы разрушать или деполимеризовать пластик, команда ученых сосредоточилась на разложении полистирола до простых бензольных фрагментов, которые затем были переработаны в ценные химические вещества.

Исследователи начали с измельчения пластиковых гранул в шестишаровой мельнице с катализатором трихлоридом алюминия, запуская реакцию, известную как деалкилирование по Фриделю — Крафтсу, с образованием бензола и длинноцепочечных алифатических углеводородов.

В течение 15 минут реакция разложила более 90% исходного полистирола, что значительно экономит время и энергию по сравнению с предыдущими методами переработки.

Имея на руках путь к бензолу, команда затем исследовала возможность объединения этого процесса разложения со второй механохимической реакцией, остановившись на ацилировании по Фриделю — Крафтсу для получения бензофенона.

Общий катализатор трихлорид алюминия делает эту последовательность идеально подходящей для однореакторной процедуры, и после начального периода разложения бензойный ангидрид добавляли непосредственно в шаровую мельницу и измельчали еще три часа.

Первые итерации комбинированного процесса дали разочаровывающий выход в 11%, что значительно меньше, чем при раздельных стадиях, но эксперименты по устранению неполадок быстро выявили причину столь низкого выхода.

Тепла, выделяемого в процессе измельчения, было достаточно для испарения значительного количества бензола, выделенного из полистирола, оставляя мало свободного вещества для реакции на второй стадии.

Герметизация измельчающего аппарата парафильмом и использование супрамолекулярной ловушки для удержания этого летучего субстрата сразу же увеличили выход до 39%.

Последующие испытания с реальными бытовыми отходами, включая коробки из пенополистирола, ложки и чашки, показали еще более высокий выход бензофенона, продемонстрировав, что этот процесс также совместим с типичными пластиковыми добавками и загрязнителями.

Дункан Браун, механохимик из Университетского колледжа Лондона, счел этот подход к переработке полистирольных отходов интригующим, но подозревает, что летучесть бензола может затруднить масштабирование этого процесса.

«Главное — знать, сколько тепла выделяется в этом процессе, и это то, с чем нужно разобраться, прежде чем переходить к слишком большим масштабам. Вам понадобится инженер-химик, который поможет вам рассчитать эти цифры и понять, сможете ли вы сделать это безопасно [и] конкурентоспособно с современными передовыми методами», — говорит Дункан Браун.

Несмотря на эту практическую оговорку, Браун считает, что это тем не менее важное открытие. «Валоризация по своей сути устойчива, и механохимия также устойчива. Так что, объединяя эти идеи, вы фактически усиливаете устойчивость. Это действительно прекрасная демонстрация потенциала механохимии как решения такого рода высокоэффективных проблем», — отмечает ученый.

Изделия из полистирола невероятно распространены, например в производстве упаковки, строительстве и медицине. Однако высокая стоимость современных процессов вторичной переработки в сочетании с низкой стоимостью регенерированного материала означает, что полистирол также является одним из наименее перерабатываемых пластиков в мире. Например, в Испании 80% оказывается на свалках, а остальное сжигается.