Аспирант Коннор Томпсон исследует образец моторного масла, созданного из переработанных пластиковых отходов в лаборатории Греги Лю. В левой руке он держит игрушечные пластиковые лягушки, похожие на те, что использовались в процессе. Фото: Люк Хейс из Технологического института штата Вирджиния.
В Технологическом институте штата Вирджиния исследовательская группа под руководством химика и инженера-химика Гуоляна «Грега» Лю разработала оригинальную методику преобразования поливинилхлорида (ПВХ) в полиальфаолефины — востребованный класс соединений, применяемых для создания высокоэффективных смазочных материалов, в том числе моторного масла. Результаты этой работы увидели свет 5 августа на страницах журнала Nature.
Актуальность разработки продиктована сразу двумя экологическими вызовами. С одной стороны, ПВХ крайне сложно перерабатывать: из-за присутствия хлора и широкого спектра добавок, варьирующихся в зависимости от технологии производства, значительная часть этого пластика оседает на свалках. С другой стороны, мировой спрос на смазочные материалы, такие как моторное масло, неуклонно растёт, а их производство сопряжено с немалыми экологическими издержками. Предложенный учёными подход позволяет одновременно сократить объём пластиковых отходов и получить ценный продукт, востребованный в промышленности.
Превращение отходов ПВХ в смазку
Смазочные материалы редко попадают в центр внимания, однако без них невозможно функционирование современной техники — от газонокосилок и легковых автомобилей до реактивных двигателей. Поэтому стабильные поставки исходных компонентов для их производства имеют критическое значение. Лаборатория Лю предлагает дополнительный канал утилизации ПВХ, помогая сдерживать разрастающийся пластиковый кризис.
Технология начинается с материала, аналогичного тому, из которого изготавливают бытовую сантехнику, оконные рамы и даже кредитные карты. ПВХ помещают в растворитель, после чего добавляют трихлорид и альфа-олефины. Полученную смесь нагревают до 158 градусов по Фаренгейту и выдерживают в течение трёх часов. По завершении реакции из раствора извлекают относительно густое масло, пригодное для использования в качестве смазки.
«Во-первых, мы доказали, что можно использовать пластиковые отходы для производства высокоэффективных смазочных материалов. Во-вторых, эти смазочные материалы являются экологически чистыми и могут поддержать растущий рынок в устойчивости», — пояснил Лю.
Проект стал логическим продолжением более ранних работ команды, опубликованных в журналах Science и Nature Sustainability. В ходе тех исследований учёные разработали методы конверсии иных видов пластиковых отходов в жидкие соединения, применяемые в мыле и моющих средствах. После достигнутых успехов Лю и его коллеги задались вопросом: можно ли применить аналогичный подход к ПВХ, который ранее считался почти непригодным для вторичной переработки.
«Мы хотим улучшить переработку и вторичное использование ПВХ», — подчеркнул исследователь.
Для реализации новой задачи Лю собрал команду аспирантов. Возглавить работу поручили Эрику Муньянеза Нувайо, аспиранту последнего года обучения в докторантуре. Коннор С. Томпсон, первоначально задействованный в другом научном проекте, принял предложение Лю переключиться на новое направление. В состав группы также вошла Эбби Чивиелло, аспирантка первого курса, которая быстро добилась значимых результатов. Лю признался, что нередко называл своих подопечных мушкетёрами.
На начальном этапе исследователи экспериментировали с химическими методами превращения молекул ПВХ в различные материалы. По словам Лю, замысел был прост: ПВХ, являясь одной из наиболее модифицированных форм полиэтилена, должен легко трансформироваться в другие молекулы путём замены атомов хлора. Однако первые результаты оказались далеки от ожидаемых — полученный материал не демонстрировал выдающихся свойств.
лы обработаны мягкими, немного липкими и не способны обеспечить тот уровень производительности, который интересует исследователей.
«Однажды я понял: если этот полимер такой липкий и такой мягкий, почему бы мне просто не разбить полимерные цепи на более мелкие сегменты?» — сказал Лю.
Это изменение направления оказалось обоснованным. Пока продолжалось производство ПВХ, производство новых молекул и исследование полученного материала, Лю начал понимать, что их создание обеспечивает более ценное, чем обработка обычных продуктов.
Тестирование того, что создала команду
Чтобы точно определить, что такое новое масло, Лю обратился к исследователям, обладающим дополнительным опытом.
Образцы были отправлены Али Эрдемиру в Техасский университет A&M, где исследователи протестировали окончательные материалы. Лю также сотрудничал с Уильямом Годдардом из Калифорнийского технологического института в области сельскохозяйственных расчетов.
Коллега из Технологического института штата Вирджиния Си Чен представил экономический и производственный анализ, разработанный модели того, как нефть в конечном итоге может производиться в гораздо больших масштабах.
Теперь исследователи хотят сделать процесс производства смазочных материалов более устойчивым, а также сделать полученный продукт более доступным.
«Смазочные материалы — молчаливый герой. Мы часто не замечаем их освещения, но они тихо работают. Мы хотим иметь возможность добывать нефть в больших масштабах, чтобы охватить больше людей в мире», — сказал он. — сказал Лю.