Kako stare plastične boce preraditi u gorivo za dizelske motore?

Stare polietilenske boce ne treba ni spaliti ni pretaliti, a ni (to nikako) u more baciti – najbolje ih je preraditi u gorivo za dizelske motore. Kako? Grickanjem molekula – jednostavno rečeno

Nenad Raos subota, 21. studenog 2020. u 06:00

Na prvi pogled polietilen ne bi trebalo reciklirati ili – bolje rečeno – njegovo recikliranje ne bi trebalo biti problem ni za kemiju 19. stoljeća, pa čak ni za (al)kemiju drevnih Egipćana – kad bi ga, razumije se, u ta davna doba ljudi poznavali. Pod imenom poletilena krije se smjesa zasićenih ugljikovodika, alkana (parafina) velike molekulske mase, a ta se smjesa može poput parafinske svijeće taliti, rastaliti i pretaliti. No to je samo na prvi pogled tako.

Kad se polietilen rastali, a potom skrutne, ne dobiva se proizvod jednake kvalitete kao izvorni polimer, dobiven polimerizacijom etilena (etena). Usto je sakupljanje plastičnog otpada, a posebice njegovo razvrstavanje komplicirano i skupo, pa se pretaljena plastika ne može ni cijenom mjeriti s onom izvornom. Rezultat: otpadom od umjetnih polimera preplavili smo svijet – za milijun godina arheolozi će, a možda i geolozi datirati naše doba prema slojevima umjetnih polimera (bakelitno, rano i kasno polietilensko doba i sl.). Stoga se u posljednje vrijeme ulaže mnogo napora ne bi li otpadni plastični materijali poslužili kao sirovina za kemijsku industriju, drugim riječima ispituju se mogućnosti da se umjetni polimeri kemijskim putem prevedu u nešto drugo.

Jedan takav, vrlo uspješan pokušaj nedavno je objavljen u časopisu Nature Catalysis. Šesnaestoraca znanstvenika iz svih krajeva svijeta, radeći u američkim institutima, objavili su znanstveni rad „Catalytic upcycling of high-density polyethylene via a processive mechanism“. Iza tog dosta nejasnog naslova (Katalitičko prerađivanje polietilena visoke gustoće postepenim mehanizmom) krije se jednostavna zamisao: pretvoriti polietilen u smjesu ugljikovodika umjetnim enzimom.

Ovako cijepaju polimere enzimi...
Ovako cijepaju polimere enzimi...

U živoj prirodi ima mnogo enzima (biokatalizatora) koji razgrađuju polimere. Oni cijepaju molekule proteina (polimeri aminokiselina), nukleinskih kiselina (polimerizirani nukleotidi), celuloze (polimer glukoze), pa i sintetičkih polimera. Mnogo enzima, mnogo supstrata, ali svim je supstratima zajedničko da se sastoje od lančanih (nitastih) molekula, a molekulama svih enzima da imaju kanal kroz koji se provlači molekula supstrata. Ona će na izlazu iz kanala dospjeti na aktivno mjesto enzima – do škara koje će je sjeckati na manje (kraće) djeliće.

...a ovako novi katalizator
...a ovako novi katalizator

Upravo su takav enzim, ali umjetni, napravili autori spomenutog rada. No njihov enzim nije protein, on nije izgrađen od polimeriziranih aminokiselina poput enzima u prirodi, nego od čestica silicijeva dioksida. Čestica mezoporoznog silicijeva dioksida (mSiO2) ima promjer 450 nm, u njoj je mnogo kanalića (pora), a na dnu pora nalaze se nanočestice platine. Molekula polietilena visoke gustoće (HDPE), dužine oko jednog mikrometra (1000 nm) uvlači se u poru te dopire do nanočestice platine koja je cijepa na manje dijelove. Čime? Cijepa je vodikom, reakcijom hidrogenolize.

No vratimo se iz mikrosvijeta u makrosvijet. Postupak se katalitičke hidrogenolize provodi tako da se katalizator pomiješa s polietilenom u omjeru 1:4, pa se zatim pri temperaturi od 300 oC uvodi vodik pod tlakom od 1,38 MPa (14 bara). Postupak traje 24 sata. Njime se dobiva – što?

Dobivaju se dakako ugljikovodici, alkani niže molekulske mase od HDPE, kemijskog spoja formule C10000H20002. (No dobro, malo sam pretjerao, jer i tu je riječ o smjesi molekula različitih veličina.) Rezultat djelovanja vodika i katalizatora na HDPE je smjesa alkana s 8 do 40 ugljikovih atoma u molekuli. Što će točno nastati ovisi o širini pora. Ako katalizator ima pore od 1,7 nm nastaju pretežno ugljikovodici male molekulske mase, a od njih najviše alkan formule C14H30. Širenjem pora maksimum se pomiče prema višim ugljikovodicima (C16H34 za promjer 2,4 nm i C18H38 za 3,5 nm) dok se udjeli produkata sve više približavaju normalnoj statističkoj raspodjeli. To znači da se izborom katalizatora, točnije izborom širine njegovih pora, može odrediti kemijski sastav proizvoda – te ga tako prilagoditi konačnoj upotrebi.

 Dok se polietilen proizvodi iz etilena u velikim pogonima, prerada njegovog otpada opisanim postupkom mogla bi se obavljati u malim pogonima – što smanjuje troškove prikupljanja i prijevoza sirovine. Ni katalizator ne bi trebao biti skup, jer iako sadržava metal skuplji od zlata, platine u njemu ima samo 0,004 % (40 mg po kilogramu). No i platina se može reciklirati, i to vrlo lako.

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. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas 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.