Słońce zmienia plastikowe śmieci w czysty wodór. Naukowcy mówią o przełomie

Plastikowe butelki, nylonowe tkaniny, pianki poliuretanowe i zużyty kwas z akumulatorów samochodowych zwykle kojarzą się z problemem. Naukowcy z Uniwersytetu Cambridge pokazali jednak, że dwa kłopotliwe strumienie odpadów można połączyć w jednym procesie i uzyskać coś wartościowego: czysty wodór oraz przydatne chemikalia przemysłowe.

Nowa metoda wykorzystuje światło słoneczne, kwas siarkowy odzyskany ze zużytych akumulatorów oraz specjalnie opracowany fotokatalizator. Technologia nosi nazwę solar-powered acid photoreforming, czyli słoneczne fotoreformowanie kwasowe. Jej największa zaleta polega na tym, że pozwala przetwarzać trudne odpady w warunkach mniej energochłonnych niż wiele klasycznych metod chemicznego recyklingu.

To dobra wiadomość dla środowiska, choć na razie mówimy o technologii rozwijanej i testowanej laboratoryjnie. Jeśli uda się ją dopracować oraz przenieść na większą skalę, może stać się ważnym uzupełnieniem recyklingu, zwłaszcza tam, gdzie tradycyjne metody zawodzą.

Dwa problemy, jedno rozwiązanie

Pomysł badaczy z Cambridge jest wyjątkowo ciekawy, bo łączy dwa rodzaje odpadów. Z jednej strony mamy plastik, którego ogromne ilości trafiają na wysypiska, do spalarni albo do środowiska. Z drugiej — zużyte akumulatory ołowiowo-kwasowe, z których zwykle odzyskuje się przede wszystkim ołów, a kwas bywa neutralizowany jako kłopotliwy produkt uboczny.

Naukowcy postanowili wykorzystać ten kwas jako narzędzie do rozkładania plastiku. W pierwszym etapie kwas siarkowy rozbija długie łańcuchy polimerowe na mniejsze związki chemiczne. W przypadku butelek PET powstają między innymi glikol etylenowy i kwas tereftalowy, czyli substancje, które same w sobie mają wartość przemysłową.

W kolejnym etapie do pracy wkracza fotokatalizator. Pod wpływem światła rozkłada on wybrane związki i umożliwia produkcję wodoru oraz kwasu octowego. Co ważne, cały proces został pomyślany tak, aby korzystać z energii słonecznej i jednocześnie nadawać nowe zastosowanie odpadom, które dotąd były trudne do zagospodarowania.

Fotokatalizator, który wytrzymuje kwas

Kluczowym elementem odkrycia jest fotokatalizator odporny na silnie kwaśne środowisko. Wcześniej właśnie kwas był jednym z największych problemów, bo mógł niszczyć materiały wykorzystywane w podobnych reakcjach. Zespół z Cambridge opracował jednak układ, który działa w takich warunkach i nie traci szybko skuteczności.

„Od dawna używano kwasów do rozkładania plastiku, ale nigdy nie mieliśmy taniego i skalowalnego fotokatalizatora, który potrafiłby je wytrzymać” – powiedział Kay Kwarteng, główny autor pracy i doktorant w grupie prof. Erwina Reisnera.

To właśnie ten element otworzył drogę do połączenia dwóch procesów: rozkładu plastiku i produkcji wodoru. W laboratoryjnych testach reaktor pracował stabilnie przez ponad 260 godzin bez zauważalnego spadku wydajności, co jest ważnym sygnałem dla dalszych prac nad technologią.

Wodór i chemikalia zamiast kolejnych śmieci

Wodór jest dziś postrzegany jako jeden z ważnych nośników energii przyszłości. Może być wykorzystywany w przemyśle, transporcie i energetyce, a przy jego użyciu nie powstaje dwutlenek węgla w miejscu wykorzystania. Problem polega na tym, że duża część obecnie produkowanego wodoru nadal pochodzi z paliw kopalnych.

Dlatego naukowcy na całym świecie szukają metod, które pozwolą wytwarzać wodór w sposób czystszy i bardziej zrównoważony. Przekształcanie odpadów plastikowych przy udziale światła słonecznego może być jednym z obiecujących kierunków.

W procesie opracowanym w Cambridge powstaje nie tylko wodór, ale także kwas octowy i inne związki, które mogą mieć zastosowanie przemysłowe. Dzięki temu plastik nie jest traktowany wyłącznie jako śmieć, lecz jako zasób chemiczny, z którego można odzyskać wartość.

„To niewykorzystany zasób. Możemy odzyskać kwas z akumulatorów i użyć go ponownie. To mocny argument za zrównoważonym podejściem” – podkreślił Kay Kwarteng.

To nie jest jeszcze gotowa fabryka

Choć wyniki brzmią imponująco, warto zachować rozsądek. Technologia jest obiecująca, ale nadal wymaga dalszych badań, dopracowania i sprawdzenia w warunkach przemysłowych. Laboratorium to jedno, a stabilna, opłacalna instalacja działająca na dużą skalę — zupełnie inne wyzwanie.

Przed naukowcami stoją między innymi pytania o koszty, wydajność, trwałość katalizatora, oczyszczanie surowców, bezpieczeństwo pracy z kwasem oraz separację produktów końcowych. Plastikowe odpady są bardzo różnorodne. Zawierają barwniki, dodatki, zanieczyszczenia i różne typy polimerów, które mogą zachowywać się inaczej w procesie chemicznym.

Podobne kierunki badań prowadzą także inne zespoły, między innymi naukowcy z Uniwersytetu Adelaide, którzy analizują możliwości produkcji wodoru, gazu syntezowego i cennych chemikaliów z plastiku za pomocą systemów zasilanych energią słoneczną. Eksperci zwracają uwagę, że przejście od sukcesu laboratoryjnego do realnego zastosowania nadal pozostaje dużym wyzwaniem.

Szansa dla gospodarki obiegu zamkniętego

Największa wartość tej technologii polega na tym, że dobrze wpisuje się w ideę gospodarki obiegu zamkniętego. Zamiast wydobywać nowe surowce i produkować kolejne odpady, można próbować odzyskiwać wartość z tego, co już zostało wytworzone i wyrzucone.

Jeżeli plastikowe odpady oraz zużyty kwas z akumulatorów uda się wykorzystać razem, powstanie system, w którym jeden problem pomaga rozwiązać drugi. To podejście szczególnie ważne w czasach, gdy świat zmaga się jednocześnie z kryzysem odpadów, potrzebą czystej energii i presją na ograniczanie emisji.

Uniwersytet Cambridge pracuje nad komercjalizacją rozwiązania we współpracy z Cambridge Enterprise. Wokół technologii powstała również spółka Protonera, która ma pomóc w dalszym rozwijaniu i wdrażaniu tego pomysłu.

Źródło: sciencedirect.com, sciencedirect.com