Tworzywo PVC, które należy do szczególnie trudnych w recyklingu materiałów, może otrzymać drugie życie. Naukowcy z Virginia Tech opracowali metodę przekształcania odpadów z polichlorku winylu w polialfaolefinę – składnik wykorzystywany do produkcji wysokowydajnych środków smarnych, w tym olejów silnikowych.
Opracowana technologia może jednocześnie rozwiązać dwa problemy: zagospodarować trudne do recyklingu odpady z PVC oraz ograniczyć zależność produkcji środków smarnych od tradycyjnych surowców. Wyniki badań zespołu Guolianga „Grega” Liu z Virginia Tech opublikowano w czasopiśmie Nature.
PVC zamienione w składnik oleju silnikowego
Naukowcy z Virginia Tech opracowali proces, w którym polichlorek winylu (PVC) jest przekształcany w polialfaolefinę (PAO). To właśnie ten materiał jest ważnym składnikiem wysokowydajnych środków smarnych, w tym olejów silnikowych.
Pomysł jest interesujący przede wszystkim dlatego, że PVC sprawia wyjątkowo dużo problemów podczas recyklingu. Tworzywo zawiera chlor, a dodatkowo w zależności od sposobu produkcji może zawierać różne dodatki. Te cechy komplikują jego ponowne wykorzystanie. W rezultacie znaczne ilości odpadów PVC trafiają ostatecznie na składowiska.
Tymczasem zapotrzebowanie na środki smarne pozostaje wysokie. Oleje i inne substancje tego typu są wykorzystywane w bardzo różnych urządzeniach – od kosiarek i samochodów osobowych po silniki odrzutowe.
Naukowcy postanowili więc połączyć oba problemy: zamiast próbować wykorzystać PVC ponownie w podobnej postaci, rozłożyli jego strukturę i przekształcili ją w materiał o zupełnie innym zastosowaniu.
Jak powstaje olej z odpadów PVC?
Proces opracowany przez zespół Grega Liu rozpoczyna się od PVC podobnego do tego, które można znaleźć między innymi w domowych instalacjach wodociągowych, konstrukcjach okiennych czy kartach kredytowych.
Tworzywo trafia do rozpuszczalnika. Następnie naukowcy dodają do mieszaniny chlorek glinu oraz alfa-olefiny. Całość jest podgrzewana do temperatury 158 stopni Fahrenheita, czyli około 70°C, przez trzy godziny.
Po zakończeniu procesu z rozpuszczalnika można wyodrębnić stosunkowo gęsty olej. Materiał ten wykazuje właściwości pozwalające wykorzystać go jako środek smarny.
To właśnie sposób prowadzenia procesu odróżnia opracowaną metodę od prostego ponownego przetworzenia tworzywa. PVC nie jest tutaj jedynie rozdrabniane i formowane w kolejny produkt. Jego łańcuchy polimerowe są chemicznie rozbijane, a powstałe mniejsze cząsteczki stają się podstawą do wytworzenia materiału o innych właściwościach.
Przełom nastąpił po nieudanych eksperymentach
Co ciekawe, początkowo badania nie prowadziły do otrzymania użytecznego produktu.
Zespół próbował chemicznie przekształcać cząsteczki PVC w inne materiały. Naukowcy zakładali, że obecność chloru w polimerze może umożliwić stosunkowo łatwe zastępowanie atomów chloru innymi grupami chemicznymi.
Rezultaty były jednak rozczarowujące. Otrzymywane materiały pozostawały miękkie i lepkie, a ich właściwości nie odpowiadały oczekiwaniom badaczy.
Wtedy Greg Liu zmienił podejście. Zamiast zatrzymywać proces na etapie powstawania dużych, miękkich fragmentów polimeru, zaproponował dalsze rozbijanie łańcuchów PVC na mniejsze części.
Ta pozornie prosta zmiana kierunku badań okazała się kluczowa. W miarę rozkładania PVC na mniejsze cząsteczki zespół zaczął otrzymywać materiał, który nie wyglądał już jak nieudany produkt uboczny, lecz jak potencjalnie wartościowy składnik przemysłowy.
Od plastikowych odpadów do wysokowydajnego środka smarnego
Naukowcy musieli następnie sprawdzić, jakie właściwości ma otrzymany materiał.
W tym celu Greg Liu nawiązał współpracę z innymi badaczami. Próbki otrzymanego oleju trafiły do zespołu Alego Erdemira na Texas A&M University, gdzie zostały poddane testom.
W badaniach uczestniczył również William Goddard z Caltech, który zajmował się obliczeniami chemicznymi. Z kolei Xi Chen z Virginia Tech przygotował analizę ekonomiczną i produkcyjną. Jej celem było określenie, jak w przyszłości można byłoby wytwarzać nowy olej na znacznie większą skalę.
To ważny element projektu, ponieważ samo wykazanie, że z PVC można uzyskać środek smarny, nie wystarcza jeszcze do zastosowania technologii w przemyśle. Konieczne jest również ustalenie, czy proces można odpowiednio rozbudować i prowadzić w sposób uzasadniony ekonomicznie.
Dlaczego PVC jest tak trudnym odpadem?
W przypadku tego projektu szczególne znaczenie ma charakter samego PVC.
Polichlorek winylu zawiera chlor, a w jego skład mogą wchodzić różnego rodzaju dodatki stosowane podczas produkcji. Oznacza to, że skład odpadu może być bardziej złożony niż w przypadku niektórych innych tworzyw.
Zespół Virginia Tech nie próbował jednak wykorzystać zużytego PVC ponownie jako tego samego materiału. Zamiast tego wykorzystał reakcje chemiczne do rozłożenia jego polimerowych łańcuchów i uzyskania cząsteczek, które można wykorzystać do stworzenia polialfaolefiny.
W efekcie odpadowy plastik może stać się surowcem dla produktu o znacznie wyższej wartości użytkowej – wysokowydajnego środka smarnego.
Badacze chcą zwiększyć skalę produkcji
Naukowcy podkreślają, że obecny etap badań jest początkiem dalszych prac. Ich celem jest przede wszystkim zwiększenie skali produkcji oleju oraz dalsze udoskonalenie procesu, tak aby jego wytwarzanie było bardziej zrównoważone.
Greg Liu zwraca uwagę, że środki smarne są praktycznie niewidocznym elementem funkcjonowania współczesnych maszyn, choć bez nich wiele urządzeń nie mogłoby prawidłowo pracować. Oleje są wykorzystywane zarówno w niewielkich urządzeniach, jak kosiarki, jak i w samochodach czy silnikach lotniczych.
Dlatego możliwość produkowania ich częściowo z trudnych do zagospodarowania odpadów plastikowych może mieć znaczenie nie tylko dla gospodarki odpadami, ale również dla przemysłu środków smarnych.
Nowy kierunek dla recyklingu PVC
Badania Virginia Tech pokazują podejście określane jako upcykling PVC, czyli przekształcanie odpadowego materiału w produkt o wartości użytkowej.
Projekt wyrósł z wcześniejszych prac zespołu Liu. W badaniach opublikowanych wcześniej w Science i Nature Sustainability naukowcy opracowywali sposoby przekształcania innych rodzajów odpadów plastikowych w surfaktanty wykorzystywane między innymi w mydłach i detergentach.
Po tych doświadczeniach zespół postanowił sprawdzić, czy podobne podejście można zastosować do PVC.
Rezultatem jest metoda prowadząca od trudnego w recyklingu tworzywa do polialfaolefiny wykorzystywanej w produkcji środków smarnych.
Co dokładnie udało się osiągnąć?
Najważniejsze elementy opracowanej technologii to:
- wykorzystanie odpadów z PVC jako surowca,
- chemiczne rozbijanie łańcuchów polimerowych,
- zastosowanie chlorku glinu i alfa-olefin,
- prowadzenie reakcji w rozpuszczalniku,
- ogrzewanie mieszaniny do około 70°C przez trzy godziny,
- uzyskanie gęstego oleju,
- wykorzystanie otrzymanego materiału jako składnika wysokowydajnego środka smarnego.
Badanie zespołu Virginia Tech nie oznacza jeszcze, że odpady PVC zostaną w najbliższym czasie masowo przekształcone w olej silnikowy. Naukowcy pracują obecnie nad zwiększeniem skali procesu i jego dalszym udoskonaleniem. Pokazali jednak, że tworzywo uznawane za wyjątkowo trudne w recyklingu może zostać chemicznie przekształcone w wartościowy materiał wykorzystywany w technologii środków smarnych.
Dodaj komentarz
Komentarze