Plastik zamiast paliw kopalnych? Nowy reaktor produkuje wodór z odpadów

Reaktor produkuje wodór z odpadów, wykorzystując do tego energię naturalnego światła. Naukowcy z Uniwersytetu Cambridge zbudowali urządzenie o powierzchni jednego metra kwadratowego i przetestowali je na zewnątrz. To ważny krok w stronę technologii, która mogłaby jednocześnie pomagać w zagospodarowaniu odpadów oraz produkcji paliwa bez bezpośredniego wykorzystywania paliw kopalnych.

Zapotrzebowanie na wodór niemal podwoiło się w ciągu ostatnich dwóch dekad. Problem polega na tym, że ponad 95 proc. tego surowca nadal powstaje z paliw kopalnych lub jako produkt uboczny procesów petrochemicznych. Jednocześnie na świecie przybywa trudnych do ponownego wykorzystania odpadów z tworzyw sztucznych. Zespół z Cambridge pracuje nad rozwiązaniem, które może połączyć te dwa wyzwania.

W czasopiśmie „Nature Chemical Engineering” naukowcy opisali fotoreaktor zdolny do przetwarzania składników pochodzących między innymi z butelek PET, celulozy i glukozy. W reakcji napędzanej światłem powstaje wodór, a także związki organiczne, takie jak mrówczany, octany, glikolany i pochodne aldehydu glikolowego.

Od laboratoryjnej płytki do metrowego reaktora

Sam pomysł fotoreformingu odpadów nie jest całkowicie nowy. Zespół kierowany przez profesora Erwina Reisnera od kilku lat rozwija metody wykorzystywania światła słonecznego do zamiany tworzyw sztucznych i biomasy w przydatne paliwa oraz związki chemiczne.

Dotychczas jedną z głównych przeszkód pozostawało jednak zwiększenie rozmiarów urządzenia. Wcześniejsze konstrukcje miały powierzchnię około 25 centymetrów kwadratowych i były badane przede wszystkim w laboratorium przy sztucznym oświetleniu. Nowy układ osiągnął powierzchnię jednego metra kwadratowego i przez sześć godzin pracował na zewnątrz, przed budynkiem wydziału chemii Uniwersytetu Cambridge.

Metrowy reaktor przetestowano w naturalnym świetle słonecznym, które w czasie doświadczenia było mniej więcej o połowę słabsze od promieniowania stosowanego w laboratoryjnych symulatorach. Z glukozy uzyskano 5,24 milimola wodoru na metr kwadratowy, natomiast z wcześniej przygotowanej celulozy – 1,51 milimola. Wraz z wodorem powstawały również inne związki, które mogą znaleźć zastosowanie w przemyśle chemicznym.

To nadal niewielkie ilości, ale najważniejszym osiągnięciem jest pokazanie, że urządzenie może działać poza kontrolowanym środowiskiem laboratoryjnym i zostać wykonane w znacznie większym rozmiarze.

Jak plastik może stać się źródłem wodoru?

Reaktor nie „połyka” całej butelki bez wcześniejszego przygotowania. Zużyte opakowanie PET trzeba najpierw rozdrobnić i poddać obróbce w roztworze alkalicznym. W ten sposób długie łańcuchy tworzywa są rozbijane na prostsze związki, które mogą zostać wykorzystane w procesie fotoreformingu.

Tak przygotowany płyn trafia do reaktora wyposażonego w materiał półprzewodnikowy pochłaniający światło oraz katalizator wspomagający wydzielanie wodoru. Gdy promieniowanie pada na półprzewodnik, uwalniane są elektrony. Zachodzące następnie reakcje prowadzą do utleniania związków pochodzących z odpadów i łączenia protonów z elektronami, w wyniku czego powstaje wodór.

Prawdziwe fragmenty butelki PET zostały dotychczas sprawdzone w mniejszych układach laboratoryjnych. Po 22 godzinach doświadczenia naukowcy uzyskali wodór oraz użyteczne produkty utleniania. Metrowy prototyp na zewnątrz pracował natomiast z glukozą i celulozą.

Oznacza to, że badacze wykazali zarówno możliwość przetwarzania tworzywa PET, jak i skalowania samego urządzenia, choć oba elementy nie zostały jeszcze połączone w jednym dużym teście.

Autorzy badania zwracają uwagę na szerszy cel projektu:

– „Przekształcanie strumieni odpadów w wartościowe produkty z wykorzystaniem czystych źródeł energii jest atrakcyjną strategią pozwalającą mierzyć się zarówno z wyzwaniami energetycznymi, jak i środowiskowymi” – napisali naukowcy.

W praktyce oznacza to próbę przekształcania problematycznych odpadów w produkty mające realną wartość, przy użyciu odnawialnego źródła energii.

Katalizator nanoszony zwykłym natryskiem

Jednym z najważniejszych osiągnięć zespołu jest sposób wykonania aktywnych paneli. Tradycyjna produkcja podobnych materiałów może wymagać wysokich temperatur, substancji wiążących oraz złożonych procesów chemicznych. Zwiększa to koszty i utrudnia budowę większych urządzeń.

Naukowcy zastosowali szklane panele pokryte warstwą domieszkowanego glinem tytanianu strontu, który pochłania promieniowanie. Na powierzchnię nanieśli następnie cienką warstwę związków kobaltu i cyrkonu pełniącą funkcję kokatalizatora.

Obie powłoki można nakładać metodą natryskową, przy użyciu sprzętu przypominającego popularny pistolet lakierniczy. Proces odbywa się w temperaturze pokojowej i nie wymaga stosowania drogich metali szlachetnych, takich jak platyna.

– „Jest to łatwiejsze pod względem energetycznym, a przy tym tworzymy większą wartość niż w klasycznych procesach” – powiedział profesor Erwin Reisner.

Badacz wyjaśnił w ten sposób, że utlenianie związków pochodzących z odpadów wymaga mniej energii niż klasyczne rozszczepianie wody, a jednocześnie pozwala wytwarzać dodatkowe produkty przydatne dla przemysłu.

Przed technologią nadal stoją wyzwania

Nowy reaktor jest obiecującym prototypem, ale nie jest jeszcze gotowy do zastosowania przemysłowego. Obecnie uzyskiwany w nim wodór pozostaje znacznie droższy od produkowanego z paliw kopalnych.

Konieczne jest również zwiększenie trwałości katalizatora. Podczas jednego z testów po 22 godzinach około 60 proc. kobaltu przeszło do roztworu. Ponowne naniesienie warstwy przywracało sprawność urządzenia, jednak regularne odnawianie powłoki byłoby niepraktyczne w instalacji przemysłowej.

Kolejnym ograniczeniem jest półprzewodnik wykorzystujący głównie promieniowanie ultrafioletowe, które stanowi jedynie niewielką część energii docierającej ze Słońca. Badacze chcą opracować materiał pochłaniający również światło widzialne, zwiększyć wydajność procesu i przystosować reaktor do pracy ciągłej, bez konieczności ręcznego napełniania go kolejnymi porcjami roztworu.

Mimo tych ograniczeń eksperyment jest istotnym krokiem naprzód. Pokazuje, że fotoreaktor można powiększyć z laboratoryjnej płytki do urządzenia o powierzchni metra kwadratowego, wykonać za pomocą stosunkowo prostych technik i uruchomić pod naturalnym światłem.

Technologia nie rozwiąże samodzielnie problemu zanieczyszczenia plastikiem i nie zastąpi ograniczania produkcji jednorazowych opakowań. Może jednak w przyszłości stać się dodatkową metodą zagospodarowania odpadów, których nie udaje się ponownie wykorzystać tradycyjnymi sposobami.

Zamiast pozostawać bezużytecznym śmieciem, zużyta butelka mogłaby dostarczać składników potrzebnych do produkcji wodoru i wartościowych związków chemicznych. Najnowsze badania z Cambridge pokazują, że taki scenariusz stopniowo wychodzi poza granice małego laboratorium.

Źródło: anthropocenemagazine.org