Полиэтилен - один из самых распространенных в мире пластиков, который используется в бутылках и упаковочной пленке, но он также является одним из самых трудноразлагаемых. Самому полиэтилену потребуются сотни лет, чтобы полностью разложиться. Ученые работают над решением этой проблемы, поскольку полиэтиленовый мусор засоряет свалки, засоряет пляжи и океаны.
Основным препятствием для разрушения полиэтилена является особенность его молекулярной структуры. Он содержит нереактивные углеродные цепочки, представляющие собой ковалентные связи, которые удерживают атомы вместе настолько прочно, что для их разрыва требуется большое количество силы и энергии. Однако ученые прилагают усилия, чтобы найти решение для разрушения полиэтилена. В новом исследовании, опубликованном в четверг в журнале Science, предлагается метод эффективного преобразования полиэтилена в пропилен - химическое вещество, которое легче использовать для будущих химических реакций.
Превращение полиэтилена в пригодные для использования полимеры может повысить стоимость пластика и стать альтернативой его выбрасыванию, объясняет Сюзанна Скотт, профессор химии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и автор отдельного нового исследования, в котором для достижения той же цели использовалась аналогичная техника. В препринте, опубликованном во вторник, Скотт и ее соавторы также описали подход, при котором они удаляли водород из цепей полиэтилена, создавая реактивные связи, которые легче разрушить.
Полиэтилен существует с 1930-х годов, но ученым потребовалось 20 лет, чтобы усовершенствовать пластик, сделав его более жестким, твердым и термостойким. В настоящее время связи углерод-углерод и углерод-водород в полиэтилене практически не разрываются, что помогло создать множество материалов - от пластиковых бутылок для воды до изоляции кабелей. Однако эти же химические связи затрудняют его разрушение без больших энергетических затрат.
Чтобы разрушить одинарные связи углерод-углерод в полиэтилене, обычно требуется нагреть его при высокой температуре в специальных условиях: без кислорода или с использованием катализатора и добавлением водорода. Однако ни один из этих методов не может полностью устранить нереактивные связи. Джон Хартвиг, профессор химии Калифорнийского университета в Беркли и старший автор исследования, опубликованного в журнале Science, искал способ разделить эти углеродные цепи, установив более реакционноспособную связь между каждой парой атомов.
Связь, известная как двойная, возникает, когда две пары электронов делятся между атомами. Хотя двойная связь прочнее одинарной, она менее стабильна, поэтому ее легче расщепить. Они, как и команда Скотта, последовательно удаляли водород из все меньших и меньших углеродных цепочек, создавая очень крошечные кусочки реактивного материала. Когда двойная связь была расщеплена, ученые получили продукты, которые также имели реактивные связи, что позволило использовать эти кусочки снова. Затем они соединили эти маленькие кусочки вместе в другой последовательности, чтобы получить пропилен, еще один полимер.
Около 80 процентов конечных продуктов, полученных в результате этой реакции, составлял пропилен. "В других методах образуются смеси продуктов", которые могут иметь только нишевое применение, объясняет Хартвиг. Создание преимущественно пропилена важно, говорит он, потому что он пользуется очень большим спросом. Пропилен является ключевым строительным блоком для ряда других химических веществ, используемых в процессах производства спирта для растирания и полиэфиров.
Такой выход пропилена "весьма интересен", - говорит Махди Абу-Омар, профессор зеленой химии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, не имеющий отношения к исследованию, - потому что в конечном продукте каждые два из трех атомов углерода поступают из отходов.
В новом исследовании, опубликованном в препринте, метод Скотт и ее коллег позволил получить 94 процента пропилена. По ее словам, метод, схожий с методом, опубликованным в журнале Science, имеет более непрерывный поток и использует меньше органического химического вещества, называемого этиленом. Это объясняется тем, что они одновременно добавляли этилен и удаляли пропилен по мере его образования. "Мы называем это круговым методом, когда вы разбираете полимер на части, получаете кусочки обратно и собираете их по-новому, чтобы получить из них полимер", - говорит Скотт.
Эти исследования находятся в русле прошлых попыток разложения полиэтилена. В работе 2020 года была предложена модель органической реакции, в которой двойные связи углерод-углерод могут быть перераспределены с помощью металлического катализатора для ускорения процесса.
Хотя полиэтилен сам по себе нетоксичен, он может взаимодействовать с другими молекулами, которые могут быть токсичными и способны загрязнять поверхность пластика. Более того, когда полиэтилен разлагается в окружающей среде, существует вероятность того, что животные проглотят крошечные кусочки полимера, известные как микропластик, который также может быть впитан в почву. Хотя мы все еще не знаем истинного экологического воздействия микропластика, исследования показывают, что попадание микропластика в организм человека может привести к повреждению клеток, токсичности развития и повышенному риску развития рака.
"Это интересная научная и социальная проблема", - говорит Скотт. "Мы все понимаем, что [деградация пластика] - это проблема, которую нам срочно нужно решить, и это захватывает, поскольку люди продвигают всю эту область вперед такими темпами, которые обычно не наблюдаются в исследованиях".