Ученые Томского политехнического университета вместе с международными коллегами нашли способ превращать отходы ПЭТ в пористые металлорганические каркасы, которые подходят для очистки воды и газов. Как сообщила пресс-служба Минобрнауки РФ порталу Наука Mail, технология решает сразу две задачи: утилизирует пластик и дает полезный материал. По оценкам исследователей, такие каркасы по эффективности не хуже коммерческих аналогов, а стоят в 5−80 раз дешевле. Результаты работы ученых опубликованы в журнале Materials Horizons (Q1, IF: 11,4).
ПЭТ — один из самых пригодных для переработки пластиков, но существующие технологии либо раскладывают его до исходных молекул для нового ПЭТ, либо перерабатывают механически. При многократной переработке пластик теряет прочность и вязкость, а экономическая ценность продуктов почти не растет.
Ученые Томского политеха с коллегами предложили другой путь: из отходов ПЭТ они получают MOF-материалы — гибридные кристаллические структуры с множеством микроскопических пор. Пластик измельчают до фракции меньше миллиметра, помещают в реакционную среду и получают 2-нитротерефталевую и 2-йодтерефталевую кислоты, из которых затем синтезируют металлорганические каркасы. Эти трехмерные «молекулярные губки» подходят для очистки воды и газов, разделения веществ и катализа.
Электрофильная модификация ароматического фрагмента ПЭТ считает крайне сложным процессом. Из-за этого обычно переработка и химические изменения образующейся терефталевой кислоты выполняются последовательно. Сначала полимер разрушают, затем выделяют и очищают промежуточный продукт и только после этого вводят в его структуру нужную функциональную группу. Мы объединили два этих действия в одном реакционном процессе. Это позволило сократить число операций, отказаться от выделения и очистки нескольких промежуточных соединений и уменьшить количество необходимого оборудования. А значит, удешевить технологию.
Метод опробовали на разных источниках: пищевых контейнерах, бутылочном пластике, промышленных отходах, полиэстровых тканях и смесях ПЭТ с полиэтиленом. Подобрав температуру, длительность реакции и количество реагентов, ученые добились высокого выхода целевых соединений, из которых затем синтезировали MOF.
По расчетам, стоимость нитросодержащих соединений снизилась в 5−7 раз по сравнению с коммерческими аналогами, а йодсодержащих — в 75−80 раз. При этом полученные из отходов ПЭТ MOF сохранили кристалличность, микропористость и термическую устойчивость на уровне коммерческих образцов.
Применение дешевых компонентов из отходов ПЭТ может сделать MOF доступнее для очистки воды и химических производств. Например, йодсодержащие MOF-материалы обладают повышенной способностью улавливать хлорированные органические загрязнители, а нитросодержащие каркасы могут выступать эффективным катализатором.
В будущем ученые планируют работать над масштабированием технологии и анализом всего технологического цикла — от сбора и измельчения отходов до получения и использования конечных MOF-материалов — для оценки экологического преимущества нового метода.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что ученые раскрыли механизм разрушения «вечных химикатов» ультрафиолетом.