Конкурент на петрола за $1: Нова технология произвежда авиационно гориво от пластмасови отпадъци

Въздушният транспорт играе ключова роля в световната икономика, като осигурява бързото придвижване на пътниците и товарите между континентите. Този отрасъл обаче нанася значителни щети на околната среда. Авиацията, а и ДВГ автомобилите произвеждат значителни количества парникови газове, което ускорява глобалното изменение на климата. Понастоящем не съществува ефективна алтернатива на течните горива за самолетите и редица автомобили. Електрическите батерии са твърде тежки и имат малък енергиен капацитет, което ги прави неподходящи за полети на дълги разстояния. Водородната технология изисква цялостно препроектиране на самолетите и нова инфраструктура на летищата. Поради това авиацията ще зависи от течните въглеводородни горива в продължение на още много десетилетия.

Успоредно с това човечеството е изправено пред проблема с натрупването на пластмасови отпадъци. По-голямата част от пластмасата не се рециклира, а се изпраща на сметищата или се изхвърля в околната среда, където разграждането ѝ отнема стотици години. Съществуващите методи за рециклиране, като топене и създаване на нови продукти, имат ограничения. Пластмасата губи механичните си свойства след всеки цикъл на рециклиране и така или иначе се оказва боклук.

Идеята за превръщане на пластмасата в моторно гориво се разработва от дълго време. Пластмасата се получава от нефта и по химически състав е много близка до въглеводородните горива. Въпреки това досега не съществуваше технология, която да го направи ефективно, евтино и в промишлен мащаб. Основната трудност е невъзможността да се контролира процесът на разделяне на пластмасата за получаване на качествен авиационен керосин.

Защо е трудно да се получи качествено гориво от отпадъците

Пластмасата е полимер. Това означава, че молекулите ѝ са съставени от много дълги вериги от въглеродни и водородни атоми. За да се превърне твърдата пластмаса в течно гориво, тези вериги трябва да бъдат разделени на по-къси фрагменти.

Обикновено това се прави чрез нагряване без достъп на въздух. При излагане на високи температури връзките между въглеродните атоми се разкъсват. Този процес се нарича пиролиза. Основният проблем при пиролизата е липсата на контрол върху процеса. Молекулните вериги се разкъсват на произволни места.

Резултатът е смес от много различни вещества. Някои от молекулите се разпадат твърде много, превръщайки се в леки газове като метан или пропан. Друга част не се разгражда достатъчно, като се образуват тежки катрани, смоли и твърд кокс. Делът на течните горива, годни за употреба, се оказва твърде малък.

Самолетните двигатели изискват гориво със строго определен състав. То трябва да се състои от въглеводороди с определена дължина и структура. Особено важни в авиацията са течните въглеводороди с пръстеновидна структура – циклоалкани.

Те имат висока енергийна плътност, не замръзват при изключително ниски температури на големи височини и осигуряват стабилно горене. Невъзможно е да се получат такива молекули от пластмасата чрез обикновено нагряване. Необходими са специални вещества – катализатори, които да насочат химичната реакция по желания път.

Двустепенната система за рециклиране

Изследователи от Китай предложиха технология, която позволява да се контролира разцепването на пластмасата и да се получат висококачествени компоненти за реактивно гориво. Те са разделили процеса на рафиниране на два последователни етапа и са ги обединили в едно устройство, което се нарича тандемен проточен реактор.

Технологичният процес се състои от следните последователни етапи:

1. Хидропиролиза в първата камера на реактора: на този етап твърдите полистиренови отпадъци се раздробяват и се подават в първата зона, където се поддържа температура от 460 градуса по Целзий. В присъствието на водород дългите молекулни вериги на полимера се разграждат на по-къси газообразни фрагменти – мономери и олигомери.
2. Прехвърляне на междинни продукти: получените газове и пари непрекъснато постъпват във втората камера на реактора. На този междинен етап не се извършва кондензация, което поддържа висока температура на веществата за последващата реакция.
3. Каталитично хидрогениране във втората камера: Във втората реакторна зона температурата се намалява до 160 градуса по Целзий. Газообразните въглеводороди преминават през катализатор, съдържащ изолирани рутениеви атоми върху носител от кобалтов и алуминиев оксид. Тук се извършва водородно насищане на връзките и циклично пренареждане на молекулите.
4. Кондензация и събиране на крайния продукт: на изхода на втората камера въглеводородните пари се охлаждат, превръщайки се в стабилна течна смес от циклоалкани, която по своя състав и свойства е готова за използване като авиационен керосин.

Същността на катализатора и селективността на дадена реакция

Катализаторът е вещество, което ускорява и насочва химичната реакция, без да се изразходва. При традиционното рафиниране на нефт се използват катализатори, състоящи се от малки метални частици, отложени върху твърда основа. На повърхността на тези частици атомите не са разположени равномерно, което води до протичане на реакцията в различни посоки и до получаване на смес от различни продукти.

Китайските химици са приложили нов клас катализатори – едноатомни катализатори. Те са взели метала рутений и са го разпределили върху основа от кобалтов оксид и алуминий, така че всеки рутениев атом да е отделен от останалите.

Единичните атоми на рутения се задържат здраво върху основата. Основата влияе на електрическите свойства на всеки атом рутений, като променя способността му да взаимодейства с другите вещества. Това прави катализатора високо селективен. Той взаимодейства само с определени части от молекулите, получени от пластмасата на първия етап.

Катализаторът присъединява водородни атоми към разцепените пластмасови фрагменти и пренарежда структурата им, превръщайки ги в пръстеновидни течни въглеводороди (циклоалкани). Този процес протича при сравнително ниска температура и не изисква свръхвисоко налягане. Селективността на реакцията се подобрява повече от 100 пъти в сравнение с използването на конвенционални промишлени катализатори на основата на рутений. Резултатът е гъста течност със свойства, напълно съответстващи на стандартите за авиационното, а и не само авиационното гориво.

Икономическата ефективност на новата технология

Успехът на всяка нова технология за третиране на отпадъците зависи от нейната цена. Ако производството на гориво от отпадъци се окаже по-скъпо от извличането и преработката на нефт, технологията ще остане непотребна.

Ето защо изследователите направиха подробни икономически изчисления. Те взеха предвид разходите за суровините, катализатора, разходите за енергия за загряване на реактора до необходимите температури и разходите за поддръжка на оборудването. Изчисленията показват, че минималните разходи за производство на реактивно гориво по новия метод ще бъдат от 1,0 до 1,8 долара на килограм.

Тази цена е сравнима с цената на конвенционалния авиационен керосин. Освен това използването на пластмасови горива намалява въглеродния отпечатък на авиокомпаниите. Това ще ги избави от необходимостта да купуват квоти за емисии на парникови газове, което прави технологията още по-изгодна от търговска гледна точка. Полученото гориво може да се смесва с конвенционалния керосин или да се използва в чист вид, без да се променя конструкцията на самолета или летищната инфраструктура.

Предизвикателствата, свързани с мащабирането, и бъдещите изследвания

Въпреки положителните резултати, за промишленото приложение на технологията е необходимо да се преодолеят редица предизвикателства.

При експериментите катализаторът е тестван в грамови мащаби. За една промишлена инсталация ще са необходими тонове такъв катализатор. Учените трябва да докажат, че могат да произвеждат едноатомния катализатор в големи обеми, без да губят неговата стабилност и активност.

Второто голямо предизвикателство е да се създаде система за непрекъснато подаване на твърдата суровина. В лабораторията пластмасата се зарежда на партиди. В реалното производство процесът трябва да бъде непрекъснат: твърдите отпадъци трябва непрекъснато да се подават в реактора, а течното гориво да се извежда от него. Разработването на надежден подаващ механизъм за подаване на твърдата раздробена пластмаса в херметически затворения реактор под налягане изисква отделни инженерни решения.

Третата трудност е свързана със състава на изходната суровина. При лабораторните изследвания е използван чист полистирол. На практика битовите отпадъци са смес от различни видове пластмаса (полиетилен, полипропилен, полиетилен терефталат) с примеси от оцветители, мръсотия и други органични вещества. Тези примеси могат да се утаят върху катализатора и бързо да го обезсилят. В бъдеще изследователите планират да тестват катализатора върху смесени и замърсени отпадъци, както и да разработят методи за предварителното им третиране.

Заключение

Разработването на нов метод за рециклиране на пластмаса в компоненти за реактивно гориво показва как фината настройка на химичните процеси на ниво отделни атоми помага за решаването на приложни екологични и икономически проблеми.

Тази технология дава възможност не просто да се изхвърлят пластмасовите отпадъци, но и да се върнат в икономическия оборот под формата на ценен енергоносител. Въвеждането на подобни решения в промишлеността ще намали въздействието върху околната среда, ще намали количеството на отпадъците, погребвани на сметищата, и ще забави изчерпването на изкопаемите горива.