Vodik i ugljik iz plastike – mikrovalnom pećnicom

Plastika se izmrvi, pomiješa s katalizatorom i stavi u mikrovalnu pećnicu. To je najnoviji naputak kako da se riješimo nesnosnog plastičnog otpada – i živimo u malo čišćem okolišu.

Nenad Raos subota, 7. studenog 2020. u 06:00

Atmosfera, hidrosfera, litosfera – zračni, vodeni i kameni Zemljni omotači – formirali su se vrlo rano, prije više od četiri milijarde godina. Onda je, prije 3,5 milijarde godina nastao život i stvorio svoj omotač – biosferu – koja je obuhvatila atmosferu i hidrosferu. U paleozoiku biosfera se proširila na kopno, u siluru (prije oko 400 mil. godina) izrasle su prve kopnene biljke, a u devonu (prije oko 350 mil. godina) kopno su počele naseljavati i životinje. No jedna je kopnena životinja u najnovijem geološkom dobu, antropocenu – a to je, razumije se, čovjek (Homo sapiens) – stvorila još jedan omotač našeg planeta. Nije to noosfera (sfera uma), kako ga hoće nazvati romantični znanstvenici, nego plastisfera, sfera plastike.

Zvuči kao vic, a nije. Upravo tom konstatacijom, ukazivanjem na postojanje plastisfere, počinje sažetak članka „Microwave-initiated catalytic deconstruction of plastic waste into hydrogen and high-value carbons (Mikrovalno pokrenuta katalitička razgradnja plastičnog otpada na vodik i visokovrijedne vrste ugljika)“ što je nedavno osvanuo u časopisu Nature Catalysis. I ne bez razloga. Dosad smo proizveli (i u okoliš uglavnom odbacili) 4,9 milijarde tona plastike, a računa se da bi do 2050. taj broj mogao narasti na 12 milijardi – dovoljno da cijelu Zemaljsku kuglu umotamo u 0,02 mm debelu foliju. Toliko će otprilike biti debela naša plastisfera za 30 godina – ako u međuvremenu nešto ne poduzmemo. A to nešto su upravo poduzeli kemičari iz Ujedinjenog kraljevstva i Kine, autori spomenutog rada.

Evo kako se to radi. Prvo se pripreme i pomiješaju otopine željezova i aluminijeva nitrata, njima se doda limunska kiselina pri čemu nastaje narančasti gel. Gel se potom pali i žari na zraku pri temperaturi od 350 oC dok se ne rasprši u čestice promjera oko 5 μm. Te čestice su čestice nadasve jednostavnog i jeftinog katalizatora. Pripisali su mu formulu FeAlOx, no nije riječ o kemijskom spoju nego o smjesi kristaliničnog željezova oksida Fe3O4 (koji sastavom odgovara mineralu magnetitu) i amorfnog aluminijeva oksida, Al2O3, glinice. Katalitički prah se izmiješa u masenom omjeru 1:1 s plastičnim otpadom izmrvljenim do veličine 1 – 5 mm te stavi u mikrovalnu pećnicu.

I što onda? Pećnicu treba uključiti – i sakupljati plin koji iz nje izlazi.

Plastika se počinje taliti, a potom crniti. Plin koji izlazi iz mikrovalke praktički je čisti vodik. Sadržava tek primjese ugljikova monoksida i tragove ugljikova dioksida. Sve je gotovo već za jednu minutu!

Iako su i drugi pokušavali na taj način preraditi umjetne polimere, pretvoriti ih u vodik i ugljik, nitko još nije uspio to napraviti na tako jednostavan i djelotvoran način. Tajna je u česticama katalizatora u kombinaciji s mikrovalnim zračenjem. Jer FeAlOx nije samo katalizator, tj. tvar koja ubrzava karbonizaciju plastike, nego i tvar koja apsorbira mikrovalno zračenje. Čestice se zagriju na 400 oC, a onda se počinju taliti i razgrađivati plastiku oko sebe dok smjesa ne postigne temperaturu od 300 oC te počne crniti, uz izlaženje vodika. Na kraju od plastike preostane ugljik nataložen na česticama katalizatora.

S vodikom znamo što ćemo. Može poslužiti kao gorivo za automobile i veća vozila, da ne govorimo o upotrebi u kemijskoj industriji (za proizvodnju amonijaka, no i biljne masti – koja se dobiva hidrogenizacijom ulja). No što čemo s ugljikom? I u njemu leži dobitak jer se ugljik pojavljuje u obliku nanocjevćica (MWCNTs, multiwalled carbon nanotubes), a taj materijal ima široku tehnološku primjenu. No i bez toga lako ga je zbrinuti, jer ugljik ne onečišćuje tlo nego čini zemlju rahlijom i rodnijom. Željezo i aluminij mogu se prije toga odvojiti, primjerice ispiranjem dušičnom kiselinom – čime se regeneriraju sirovine za katalizator.

Mnoga se vrata otvaraju pred ovom novom i posve jednostavnom tehnologijom, tako jednostavnom da će se moći koristiti i u malim, obrtničkim pogonima ili – što da ne – i u kućanstvu. Istraživanja na otpadnom polietilenu visoke gustoće (high-density polyethylene, HDPE), materijalom za boce, su pokazala da se u plin pretvara 97 % vodika sadržanog u HDPE, a u nanocjevćice otprilike isto toliko ugljika (92 %). Drugim riječima, iz grama HDPE može se dobiti 55,6 milimola vodika, što čini 1,2 litre ili 0,1 gram H2. A drugi polimerni materijali ugljikovodičnog tipa (poliolefini)? Nema razloga za neuspjeh, čak i ako se pomiješani s katalizatorom zajedno stave u mikrovalnu pećnicu.

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a sada je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.