Учёные пытаются уловить углекислый газ из атмосферы при помощи мусора

Новое исследование под руководством Рут Эбенбауэр из Университета Орхуса экспериментирует с переработкой мусора из полистирола в материал, широко используемый в системах улавливания углерода, пытаясь решить две проблемы загрязнения сразу.

Этот материал основан на аминах — простой химической группе, которая работает как губка для CO₂. Амин захватывает молекулы CO₂ при контакте с ними, но «отпускает» CO₂ при нагревании или снижении давления, оставаясь готовым к повторному использованию. Первые «очистители CO₂», испытанные в дымовых трубах, использовали для этого амины, растворённые в воде, но сейчас во всех видах систем улавливания углерода используются твёрдые амины, поскольку они требуют меньше энергии. Эти твёрдые материалы — часто изготавливаемые в виде гранул, похожих на активированный уголь в фильтре для воды — имеют большую площадь поверхности и высокую пористость, благодаря чему амины могут эффективно связываться с молекулами CO₂.

В настоящее время все эти материалы производятся из ископаемого топлива. Они состоят из двух компонентов: самих аминогрупп и ещё одного вещества, которое служит для них каркасом. Исследователи предположили, что полистирол может отлично подойти в качестве этого каркасного компонента. Полистирол используется для производства пенополистирола и твёрдых предметов, таких как одноразовые столовые приборы или футляры для компакт-дисков. В США перерабатывается менее 1% этого материала, в то время как в Европе этот показатель немного лучше — 10%.

Процесс вторичной переработки состоит из двух химических этапов. На первом этапе атомы брома присоединяются к ароматическим кольцам в полистироле с использованием золота в качестве катализатора. На втором этапе вводится двухуглеродная форма амина (обычный ингредиент в широком спектре продуктов) и медный катализатор, который заменяет аминогруппы на местах, где ранее находились атомы брома.

Некоторые аминогруппы остаются отдельно, в то время как другие связываются друг с другом, помогая создать пористость внутри твёрдого материала.

Исследователи протестировали этот процесс на нескольких пластиковых предметах, включая пенополистирол, упаковку для пищевых продуктов, вилку, футляр для компакт-диска и базовую пластину Lego (которая содержит ещё один химический компонент). Они обнаружили, что полученный ими материал хорошо работает в цикле улавливания углерода как при чрезвычайно высокой концентрации CO₂ в дымовой трубе, так и при более низкой концентрации в окружающем воздухе.

Исследователи также обнаружили, что в процессе могут регулировать свойства материала. Они могли увеличивать или уменьшать содержание аминов, а также регулировать долю, которая образовывала связи, создающие пористость, вместо связей, улавливающих CO₂.

Поскольку использованный ими аминосодержащий исходный материал в конечном итоге был получен из ископаемого топлива, они также проверили возможность преобразования нескольких других видов синтетических материалов в амины. Прошлые исследования показали несколько способов сделать это, но они дают несколько более сложные формы аминов, которые могут быть не столь реактивными.

В данном случае эти амины использовались в реакции вторичной переработки уретановой пены, используемой в матрасах, и декоративной отделки зданий. Это сработало: был получен материал для улавливания углерода, полностью изготовленный из отходов, но более крупные аминогруппы, полученные из отходов, показали не столь хорошие результаты. Их способность связывать CO₂ была ниже, и они не смогли поглотить CO₂ из окружающего воздуха.

Но полистирол всё же оправдал ожидания, и здесь прослеживается гибкая концепция. При наличии подходящего источника и технологии получения аминов материал для улавливания углерода можно было бы полностью производить из огромных объёмов пластика, поступающих на свалки. И даже если он будет производиться из пластика лишь наполовину, это всё равно будет шагом вперёд. Это могло бы как обеспечить рынок сбыта для части пластиковых отходов, так и технически снизить углеродный след (хотя подавляющая часть этого следа приходится на энергию, необходимую для работы процесса).