Пластмассы вроде тефлона славятся своей прочностью и печально известны тем, что их почти невозможно переработать. Однако открытие ученых из Национального института квантовой науки и технологий (QST) предлагает новое и мощное решение этой проблемы.

Группа исследователей под руководством старшего научного сотрудника Акиры Идесаки разработала методику, которая использует пучок электронов для разложения политетрафторэтилена (ПТФЭ) на газообразные продукты. По сути, твердый и жаропрочный фторполимер превращается в полезные химические компоненты. Результаты их работы опубликованы в журнале Radiation Physics and Chemistry.

Нагрев во время облучения позволил нам снизить энергию, необходимую для разложения ПТФЭ, на 50% по сравнению с традиционными методами, — пояснил доктор Идесаки. — Это открывает путь к крупномасштабной переработке фторполимеров.

ПТФЭ, известный под торговой маркой Teflon, широко используется в электронике, медицинских устройствах и антипригарной посуде. Его стойкость к нагреву и химикатам обусловлена прочными связями между атомами углерода и фтора. Эти же связи делают его частью семейства устойчивых загрязнителей окружающей среды, так называемых «вечных химикатов» (ПФАС).

Обычные методы разложения ПТФЭ, такие как пиролиз (сжигание без доступа кислорода), требуют экстремально высоких температур (600–1000 °C) и колоссальных затрат энергии. Команда QST показала, что если нагреть ПТФЭ до 370 °C и одновременно облучить его пучком электронов на воздухе, то весь пластик можно полностью превратить в газ.

Как твердое тело становится газом: химия процесса

Секрет метода — в комбинации тепла и радиации. Когда порошок ПТФЭ облучали дозой в 5 МГр при 30 °C, разлагалось лишь 10% материала. Но при 270 °C этот показатель вырос до 86%. А при 370 °C ученые добились полного разложения.

Основными газами, выделявшимися в процессе, были:

• Окисленные фторуглероды — соединения, содержащие фтор и кислород.
• Перфторалканы — соединения, состоящие только из атомов углерода и фтора.

Исследователи идентифицировали их с помощью газовой хроматографии и масс-спектрометрии. Эти газы можно собирать и использовать повторно в качестве сырья для химической промышленности, что способствует более устойчивому, замкнутому циклу использования ресурсов.

Изменения в структуре

Ученые также обнаружили, что нагрев ПТФЭ во время облучения вызывает изменения в его внутренней структуре. Мелкие кристаллические участки внутри материала увеличивались в размерах, что указывало на его структурную перестройку. Инфракрасный и рентгеновский анализ показал, что большая часть окисленных соединений удалялась, а значит, ПТФЭ эффективно разрушался до газообразного состояния.

Облучение при высокой температуре не только ускоряет разложение, но и меняет внутреннее строение ПТФЭ, — отметил первый автор исследования, доктор Хао Ю. — Это помогает понять, почему процесс становится более энергоэффективным с ростом температуры.

Перспективы для промышленности

На основе своих данных исследователи предполагают, что их подход может сократить энергозатраты на переработку тонны ПТФЭ с 2,8–4 МВт*ч (что типично для пиролиза) на 50% при использовании облучения электронами. Такая эффективность может сделать метод коммерчески привлекательным для отраслей, производящих отходы ПТФЭ.

Мы надеемся, что эта технология внесет вклад в более безопасную, чистую и экономичную переработку высокопроизводительных пластиков, — сказал соавтор работы доктор Ясунари Макэва, руководивший проектом.

Реальная польза этого исследования многогранна.

• Во-первых, это прямой путь к решению острой экологической проблемы «вечных химикатов». Если метод удастся масштабировать, мы получим инструмент для безопасной утилизации одного из самых стойких полимеров, который сегодня в лучшем случае захоранивается на свалках, а в худшем — попадает в окружающую среду.
• Во-вторых, это создание прецедента для циркулярной экономики: дорогие и ценные атомы фтора, которые обычно безвозвратно теряются, можно будет возвращать в производственный цикл, экономя ресурсы и снижая потребность в добыче нового сырья.
• В-третьих, для промышленности это потенциальное снижение издержек на утилизацию и возможность улучшить экологический след, что становится все более важным фактором конкуренции.

Основное критическое замечание касается стадии разработки технологии. Исследование проводилось в лабораторных условиях на чистом порошке ПТФЭ. В реальности же отходы — это, как правило, композитные материалы (например, кабельная изоляция с медными жилами или посуда с алюминиевой основой). Неизвестно, как присутствие других материалов повлияет на эффективность и чистоту процесса разложения.

Кроме того, в статье не уделяется достаточного внимания вопросам сбора, очистки и последующего использования образующихся газов. Создание эффективной и безопасной системы для работы с этими фторсодержащими газами на промышленном объекте — это отдельная и весьма сложная инженерная задача, которая может нивелировать преимущества в энергоэффективности.

Ранее ученые разработали водоотталкивающее покрытие для самолетов.