Пластик, который когда-то загрязнял окружающую среду, теперь может служить источником чистой энергии.
Источник: https://www.earth.com/news/plastics-that-once-polluted-could-now-power-clean-energy/
Автор: Андрей Ионеску
Сотрудник Earth.com
Ученые нашли способ превратить пластиковые отходы из проблемы в потенциал. Превращая выброшенный пластик в передовые углеродные материалы, эти отходы могут помочь очистить воду, улавливать парниковые газы и хранить энергию для следующего поколения батарей и суперконденсаторов.
Новое исследование объединяет новейшие методы преобразования отходов полимеров в высокоценный углерод.
В команду входят исследователи из Гуанчжоуского института преобразования энергии Китайской академии наук и Южно-Китайского технологического университета, а также другие специалисты.
Идея проста: перестаньте рассматривать пластик как безвыходное положение и начните добывать из него углерод.
Переосмысление потенциала пластиковых отходов
В настоящее время в мире ежегодно производится более 390 миллионов тонн пластика. Большая часть этого пластика попадает на свалки, сжигается или попадает в реки и моря.
Механическая переработка помогает, но часто снижает качество и может создавать новое загрязнение. Сжигание позволяет получить энергию, но за счет более высоких выбросов.
Рассматриваемый здесь подход идет по другому пути. Он позволяет извлекать углерод — основной компонент пластика — и преобразовывать его в полезные, долговечные и ценные формы.
«Наша цель — превратить пластиковые отходы из экологической проблемы в устойчивый ресурс», — сказал соавтор статьи д-р Гайсю Ян из Гуанчжоуского института.
«Используя передовые технологии карбонизации, мы можем извлекать углерод из пластмасс и повторно использовать его в энергетике и экологии».
Создание углерода из отходов
В обзоре описано, как отходы пластмасс могут превращаться в углеродные нанотрубки, графен, пористый углерод и углеродные квантовые точки. Каждый из этих материалов обладает различным потенциалом.
Нанотрубки обладают прочностью и проводимостью. Графен обеспечивает быстрые пути прохождения электронов и большую площадь поверхности. Пористые углероды действуют как губки для молекул и ионов.
Углеродные точки добавляют оптические эффекты и каталитическую активность. Суть не в том, чтобы произвести «любой углерод», а в том, чтобы управлять процессом так, чтобы конечная форма соответствовала задаче.
Превращение пластика в энергию
Некоторые способы хорошо известны. Каталитический пиролиз разлагает пластик при высоких температурах, а катализаторы подталкивают химические реакции в направлении желаемых структур.
Одностадийный синтез объединяет несколько этапов в одном реакторе, упрощая масштабирование. А еще есть мгновенный джоулев нагрев: всплеск электрической энергии, который может реорганизовать пластик за миллисекунды.
В рассмотренных установках он позволяет производить высококачественный графен с потреблением менее 0,1 киловатт-часа на килограмм сырья. Другие методы настраивают условия для получения нанотрубок или создания иерархических пор, которые увеличивают площадь поверхности и транспортные характеристики.
Это не просто лабораторные курьезы. Многие из этих процессов могут обрабатывать смешанные или загрязненные пластики, поскольку конечной целью является получение углеродной структуры, а не чистый полимер.
Углерод, который очищает и питает
Самая интересная часть истории находится за пределами реактора. Углерод, полученный из пластиковых отходов, может извлекать CO₂ из газовых смесей, очищать сточные воды от тяжелых металлов и антибиотиков, а также служить быстрыми и стабильными электродами.
В одном из примеров, приведенных авторами, пористый углерод, полученный из пластиковых отходов, достиг показателей хранения энергии, близких к теоретическому пределу для селеновых батарей, при этом хорошо выдерживая многократные циклы заряда-разряда.
Для литий-ионных и суперконденсаторных батарей электроды из пластика, преобразованного в углерод, могут обеспечивать высокую мощность и длительный срок службы благодаря настроенной пористости и высокой проводимости.
Благодаря сочетанию очистки и создания добавленной стоимости экономика начинает выглядеть по-другому. «Сырье» доступно в изобилии и дешево. Продукты могут продаваться по высоким ценам на энергетическом и экологическом рынках.
Это открывает дверь для бизнес-моделей, в которых удаление отходов и производство материалов взаимно усиливают друг друга.
Соединяя лабораторию и промышленность
В обзоре не умалчиваются сложные моменты. Катализаторы должны быть долговечными, доступными и селективными. Качество продукции должно быть стабильным, когда сырье представляет собой неоднородную смесь пластмасс и добавок.
Энергопотребление и выбросы должны быть минимальными при переходе от граммов к тоннам. А последующие этапы — формовка порошков в электроды, интеграция сорбентов в фильтры — должны быть разработаны для реальных устройств.
Авторы утверждают, что прогресс зависит от более тесной интеграции между материаловедением, катализацией и экологической инженерией.
Улучшенные конструкции реакторов позволяют контролировать тепло- и массоперенос. Более совершенные катализаторы могут направлять процесс сборки углерода с меньшим количеством побочных продуктов. Стандартизированные метрики помогают объективно сравнивать различные способы по таким критериям, как потребляемая энергия, углеродная эффективность, выход и производительность в целевых областях применения.
От отходов к ресурсам
«Это многообещающий путь к циркулярной углеродной экономике», — сказал соавтор статьи Ян Чен из Южно-Китайского технологического университета. «Преобразование пластиковых отходов в функциональные углеродные материалы может помочь замкнуть круг между контролем загрязнения и возобновляемой энергией».
Эта «петля» имеет большое значение. Если углерод, извлеченный из пластика, попадает в батареи, фильтры и катализаторы, он остается полезным и не попадает на свалки и в океаны.
Если само преобразование осуществляется с использованием чистой электроэнергии и улавливает выбросы в процессе, то с точки зрения климата это может выглядеть очень выгодно. А если местные заводы могут перерабатывать местные отходы, то города получают новый рычаг для сокращения утечки пластика и создания рабочих мест.
Пластик, переосмысленный для получения энергии
Пластик не исчезнет в одночасье, как и горы отходов, которые уже существуют. Но смена подхода — от утилизации к преобразованию — открывает новые возможности.
Технологии, описанные в этом обзоре, не заменят все потоки переработки, но они могут взять самые сложные и грязные фракции и превратить их в то, что в любом случае необходимо для перехода к чистой энергии.
Это обещание является практичным и обнадеживающим. Преобразование пластика в специально разработанный углерод позволяет уменьшить количество стойких загрязняющих веществ и получить материалы, которые улавливают CO₂, очищают воду и хранят энергию.
Благодаря более совершенным катализаторам, более интеллектуальным реакторам и тщательному проектированию жизненного цикла мусор становится технологией, а проблема — частью решения.
Исследование опубликовано в журнале Sustainable Carbon Materials.
