Апсайклинг: как очищать планету с помощью мусора

В 2025 году производство пластика достигнет 600 млн тонн, что почти вдвое превышает суммарный вес всего населения планеты. Разновидности этого материала повсюду: от одежды из синтетических полимерных волокон до смартфонов и мебели. 

Как нефть связана с пластиком

Источник пластика — нефть. Это важнейший и в то же время невозобновляемый ресурс. Когда он закончится, пластик останется и вполне может стать сырьем для нефтепродуктов. Человечество уже произвело свыше 10 миллиардов тонн различных видов синтетических и полусинтетических материалов. Ведь жизненный цикл таких изделий недолог: пластиковая бутылка в среднем живет полгода. Разлагается она при этом больше сотни лет. 

«Фактически мы вкладываем огромное количество ресурсов, сил и энергии, чтобы создать вещь, которую в лучшем случае будем использовать полгода. Основную массу пластиковых изделий просто выбрасывают, небольшую часть сжигают и еще меньшую перерабатывают», — говорит профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета доктор химических наук Павел Постников.

Профессор Павел Постников Фото: © из личного архива Павла Постникова

Есть вещи, которые можно использовать повторно, например пакеты, контейнеры для еды, емкости для напитков. Но те же пластиковые бутылки заново пускать в дело по прямому назначению не рекомендуется — есть риск выделения фталатов и тяжелых металлов. То же касается упаковок для шампуней и моющих средств, пищевой пленки, натяжных потолков и многих других продуктов.

Советская традиция держать дома пакет с пакетами — очень удачная экологическая практика

Павел Постников

Некоторые виды пластика, но далеко не все, можно отправлять на мусоросжигательные заводы и получать энергию для отопления зданий. Подобные предприятия могут быть вполне безвредными для человека, как, например, расположенный в Копенгагене завод Amager Bakke с горнолыжной трассой на крыше. Однако полностью обойтись без выбросов углекислого и других парниковых газов у датчан пока не получается. Так что подобный способ утилизации способствует глобальному потеплению.

Как перерабатывают пластик

Переработка кажется самым логичным решением в такой ситуации. Однако вторую жизнь может получить далеко не каждое изделие. Например, в ПВХ содержится хлор, который при переработке выделяется в атмосферу, вредя окружающей среде и разрушая озоновый слой. Захоронение ПВХ приводит к закислению почв. Однако отказаться от его использования просто невозможно ввиду его уникальных свойств.

К ПВХ относятся как различные пакеты, тубусы и коробки, так и блистеры от таблеток Фото: © thumwadee lertworakul / Shutterstock / FOTODOM

Для вторичной переработки пластик нужно не только собрать, но и отсортировать. Существуют разные способы отделить полимеры друг от друга и прочего мусора. Например, гравитационная сепарация — она происходит в аэротрубе, где отходы разделяются по массе, форме и размеру. Заодно из сырья удаляются частицы пыли, бумаги, стекла, текстиля и различных волокон.

При флотации отходы погружают в воду, куда добавляют «носитель» — пузырьки воздуха, которые прилипают к гидрофобным частицам и выносят их на поверхность, в то время как гидрофильные тонут. Так можно разделить смеси PS,  PVC, PET, PC и смеси полиолефиновых пластиков. 

При сенсорной сортировке отходы идут по конвейеру, где специальное оборудование определяет тип пластика. Поскольку у каждого полимера индивидуальный спектр, сенсор его считывает и отправляет сигнал пневмосистеме, которая его направляет в соответствующий отсек. Так разделяют синтетические вещества, вычленяют дерево, стекло и другие фракции.

Апсайклизация и рециклизация

Отсортированный пластик можно сжечь или захоронить, но практичнее и экологичнее — отправить его на рециклизацию или апсайклизацию. Первый термин означает привычную всем переработку с получением аналогичных по ценности или более дешевых материалов. Второй метод подразумевает, что из отслуживших свое отходов создается нечто более дорогое, чем исходный материал.

Крышки нельзя перерабатывать вместе с бутылками — это разные виды пластика Фото: © Killari Hotaru / Unsplash

«Метод апсайклизации относится к новой концепции — экономике замкнутого цикла, когда мы один и тот же товар перезапускаем и продаем с каждым циклом дороже и дороже. Это действительно очень выгодный подход, но, к сожалению, мы в начале пути. Первые тематические научные работы только начинают появляться», — объясняет Павел Постников.

Самый простой способ ресайклинга — механический. Он не изменяет химическую структуру материала, однако подходит не для всех видов пластика. Вязкий расплав продавливают через тонкое отверстие. На выходе получается пластиковое волокно, которое в том числе можно использовать для 3D-печати.

В такой расплав можно добавить другие отходы, например опилки, стеклянные или углеродные волокна, и получить материал более высокого качества для строительства и не только. Подобным способом ученые уже научились превращать пластиковые бутылки в сигаретные фильтры. Беда в том, что в процессе образуется большое количество микропластика.

Больше половины полимеров — 56 % — попали на рынок после 2000 года Фото: © Rene Notenbomer / Shutterstock / FOTODOM

Существуют химические способы апсайклинга. Например, если взять тот же полиэтиленовый пакет, добавить туда катализатор и провести химическую реакцию, можно получить нефтепродукты в виде смазок или горючих материалов.  

«В данном случае полимерные отходы загружаются в печь под высоким давлением. В результате нагрева полимер превращается в летучие горючие вещества, пригодные в качестве топлива. Однако можно изменить процесс и получать более нужные и дорогие вещества», — говорит профессор Постников.

Зачастую в результате такой трансформации образуется наноразмерный углерод: его широко применяют в электронике. Обычная пластиковая бутылка после сложной обработки превращается в ценный газ (метан) и материал, который используется для создания мощных источников энергии — суперконденсаторов. По сути, это те же самые батарейки, способные давать очень высокую мощность в ограниченный период времени.      

Как мусор может очищать планету

Функциональный апсайклинг позволяет создавать не просто сырье для дальнейшего применения, а готовый полезный материал. В данном случае саму основную полимерную цепь стараются не разрушать, чтобы сохранить полезные свойства полимера. Химические превращения же проходят на поверхности материала с использованием различных реагентов или даже физических воздействий. При таком подходе внутренняя структура полимера остается почти неизменной, а значит, не требуется больших энергозатрат. В результате можно получить адсорбенты, упаковку, катализаторы, строительные и антибактериальные материалы или даже электропроводящие структуры.

Такие «треугольники» вы найдет на любой пластиковой продукции Изображение: © Яна Алябьева / «Сириус(Журнал»

«С помощью функционального апсайклинга мы можем создавать материалы для удаления отходов из экосистем, разлагать их на безопасные компоненты. На мой взгляд, это одно из самых интересных применений для отходов — удалять с их помощью другие отходы. Это могут быть сорбенты, в том числе для особо опасных веществ, или умные упаковки с антибактериальным эффектом», — рассказывает Павел Постников. 

Во время пандемии COVID-19 ученый и его коллеги обратили внимание на свойства защитных масок, которые в то время производили в огромных количествах. Они состоят из очень мелких волокон. Исследователи взяли выброшенные маски и нанесли на них металлоорганический каркас — невидимые глазу пористые структуры. На выходе получился гидрофобный фильтр, который моментально вытягивает из воды бензин, дизель и масла. Таким образом, нефтепродукты можно собрать, отделить, а затем сжечь.

Удаление подкрашенного в розовый цвет дизеля из воды при помощи кусочка защитной маски с нанесенным на него металлоорганическим каркасом заняло 3,6 секунды Изображение: © Elsevier Ltd.

Такой фильтр работает, даже если в воде есть частицы песка, металла и других загрязняющих компонентов, которых много в окружающей среде. 

Профессор Постников убежден, что уже в течение ближайших десяти лет Россия практически полностью откажется от захоронения пластика. Все больше внимания будет уделяться химическому и функциональному апсайклингу. Например, сейчас лекарства и биологически активные добавки получают химическим синтезом из нефти. Но в будущем, вполне возможно, их будут делать из переработанного пластика. Пожалуй, самая главная и сложная задача — вывести такие технологии за пределы лабораторий научных центров и внедрить на производствах.