«О поверхностях мы не знаем ничего»

«О поверхностях мы не знаем ничего»

Пластиковые отходы действительно можно превратить в доходы

Апсайклинг лучше, чем ресайклинг, с точки зрения охраны окружающей среды в том числе. Как правильно использовать апсайклинг, знает Павел Постников — доктор химических наук, профессор Томского политехнического университета и руководитель научного кластера.

Павел Постников

Фото: Андрей Афанасьев, Коммерсантъ

Мы выросли из классической органической химии — начали применять наш опыт, наши знания в области создания новых материалов. По большей части мы занимаемся фундаментальной наукой — для нас важно разрабатывать новые принципы, методы, подходы, чтобы сделать нашу жизнь лучше.

Сейчас у нас есть несколько ключевых направлений, которые взаимопересекаются, обогащают друг друга. Наше классическое направление — это органическая химия, создание новых методов и подходов к получению новых полезных веществ. Данное направление возглавляет Наталья Солдатова — молодой кандидат наук. Еще одно направление — это химия стабильных радикалов, где у нас успешно работает группа, возглавляемая молодым кандидатом наук Павлом Петуниным. Мы получаем молекулярные магнетики, представляющие собой, по сути, сверхмалые магниты.

Еще одно важное направление — химия материалов. Здесь у нас выделилось еще одно поднаправление — функциональная обработка полимерных отходов. Сейчас это направление — одно из самых трендовых в мире. К сожалению, в России оно пока только зарождается — это связано в первую очередь с отсутствием культуры сбора и переработки отходов. Тем не менее, мы к этому придем в ближайшем будущем.

Мы начали работать именно с точки зрения функциональной переработки, однако так или иначе занимаемся вопросами апсайклинга и ресайклинга полимерных отходов.

Апсайклинг — это вторичное использование материалов и вещей с созданием для них нового функционала и увеличения их ценности.

Ресайклинг означает процесс производства аналогичных по ценности материалов из отходов.

Полезный продукт из ненужного сырья

Сейчас все пластиковые отходы могут быть переработаны, утилизированы с помощью пяти главных подходов.

Очевидно, что самыми дешевыми являются захоронение либо сжигание. Захоронение создает угрозы образования частиц микропластика.

С помощью сжигания мы получаем энергию, восстанавливаем энергетический баланс, однако любое сгорание полимеров приводит к тому, что мы нарушаем баланс углеродный: у нас выделяется углекислый газ, что с точки зрения проблемы глобального потепления совсем не нужно. К тому же не все полимеры можно сжигать. Например, те же самые пластиковые окна — это поливинилхлорид, он сжиганию практически не подлежит, поскольку содержит хлор, и во многих странах его сжигание запрещено.

Поэтому химики всего мира, и мы в том числе, работают над тем, как превратить полимерные отходы во что-то полезное.

Тут очень важно найти баланс между затраченными энергоресурсами, эмиссией углекислого газа и сохранением функциональных свойств полимеров. Наиболее продвинутый подход — реполимеризация, когда полимерный отход превращается опять в мономер, потом полимеризуется и мы опять получаем полимер высокого качества. Проблема этого подхода — фактически отсутствие добавленной стоимости продукта, потому что мы получаем тот же самый материал для того же самого использования, но при этом должны тратить энергию, реагенты, для того чтобы вывести этот процесс. Это не всегда выгодно.

Один из самых дешевых методов — механическая переработка, когда полимерные отходы просто раздрабливают или измельчают и формируют композитные материалы — дорожные покрытия, строительные материалы. Это очень распространенный метод, но и в таком случае образуется микропластик, как и при захоронении: дорожное движение приводит к деструкции того же самого покрытия.

Именно поэтому учеными рассматриваются методы апсайклинга как наиболее перспективные. Что если мы будем брать тот же самый материал и получать что-то более полезное, чем исходный полимер? В результате мы получаем материал с улучшенными свойствами, причем зачастую более дорогой, чем исходные отходы, даже чем исходные полимеры, из которых эти отходы получены.

ПЭТ и с чем его едят

Методы апсайклинга сейчас подразделяются на химические и то, что мы называем функциональным апсайклингом. Химические выглядят довольно просто: берем полимерные отходы и начинаем их химически превращать в смазки, топливо, технический углерод. Мы сохраняем углеродный баланс, у нас практически не выделяется углекислый газ, но в то же время мы получаем качественный продукт для создания тех же самых катализаторов.

В функциональном апсайклинге задача связана больше с поверхностной химией. Цель — максимально сохранить свойства исходного полимера. Это довольно логично — мы же этот полимер получаем, используем для чего-то, зачем же превращать его полезные свойства во что-то совершенно другое? Если мы вносим какие-то незначительные изменения без существенной деструкции, без разрушения полимерной цепи, то можем совмещать эти свойства.

Вообще мы довольно давно работаем с полимерами, но лишь недавно обратили внимание на полиэтилентерефталат (ПЭТ). Его производится огромное количество, а с точки зрения его химической природы этот полимер — кладезь всех возможных превращений.

Во-первых, с ним легко работать с химической точки зрения. Во-вторых, что для нас было интересно, ПЭТ сам по себе содержит терефталевую кислоту как элементарное звено полимерной цепи. Терефталевая кислота — основной компонент для синтеза металлорганических каркасов. Это органический лиганд, который используется очень широко. На данный момент металлорганические каркасы синтезируются даже промышленно — к сожалению, только в Германии.

Сорбент и катализатор

И мы предположили: что если нам взять все эти отходы и начать их превращать в полезные металлорганические каркасы? Это действительно получилось, и мы сделали несколько работ по данному направлению, но добавили сюда свою любимую поверхностную химию и функциональные материалы.

Если мы можем получать металлорганические каркасы из ПЭТа, то почему бы нам не взять его как основу, субстрат для синтеза этих производных? Действительно, мы можем просто порезать бутылку, добавить туда какой-либо металл и на поверхности вырастить наш функциональный, обладающий нужными свойствами металлорганический каркас.

Здесь мы говорим в большей степени о технологическом применении подобных композитных материалов. Металлорганический каркас — это в первую очередь сорбент и катализатор. Вполне очевидно, что в промышленности они могут применяться именно как сорбенты в аппаратах колонного типа.

Но здесь начинается очень большая технологическая проблема: металлорганический каркас — это мелкие порошки, поэтому они просто забивают колонну. Для того чтобы прокачать жидкость через эту колонну, требуется мощная насосная техника. Проницаемость металлорганических каркасов — очень важный технологический проект.

А если мы берем ПЭТ, это гранулы, пластинки, более крупный порошок, он не дает такого серьезного гидравлического сопротивления. И мы это показали. Как раз при сохранении эффективности сорбционной емкости — всех основных свойств металлорганического каркаса, мы можем в 1000 раз быстрее пропускать жидкости через слой материала.

По большей части мы занимаемся фундаментальной наукой. Загадок на наш век хватит

Фото: Андрей Афанасьев, Коммерсантъ

Как разложить пестициды

Мы не остановились на этом. Если у нас есть какие-то каталитические свойства, мы можем их модифицировать. В силу того, что в химии поверхности мы очень много занимаемся таким направлением, как плазмонный катализ, мы предположили, что введение таких частиц может увеличить активность. И в результате в тот же самый ПЭТ мы вносим специфические каталитические наночастицы, после чего начинаем их использовать для того, чтобы разлагать пестициды. Опасные пестициды. Интересно, что эта реакция в качестве источника энергии требует видимый свет. У нас это получается прекрасно: каталитическая активность зашкаливает, и мы сочетаем свойства двух разнородных материалов.

Это новая технология, которая требует значительных технологических исследований — а на данном этапе это в большей степени наука. Тем не менее, наука перспективная.

Мы работаем на опережение. В России сейчас как такового рынка металлорганических каркасов, как и материалов на их основе, нет. За рубежом — есть. Мы открыты к сотрудничеству.

Если к нам придут, не обязательно с производства, а даже наши коллеги, которые в большей степени интересуются технологическими проектами, мы им с радостью поможем.

Не так давно мы показали, что металлорганические каркасы — это не только материал с нужными свойствами, но еще и сырье для получения весьма интересных форм углерода. Если мы на пластинках ПЭТ формируем металлорганический каркас, то потом лазерной установкой можем превращать его в углеродную поверхность. На его листах мы можем рисовать схемы, проводящие дорожки, делать очень дешевые датчики изгиба. Это небольшой сенсор, который мы, допустим, можем закрепить на балке, и когда эта балка изгибается, мы видим этот процесс с помощью обычного изменения сопротивления датчика.

Это неновая вещь, но теперь мы можем это делать из дешевых отходов полиэтилентерефталата. Вот за такими дешевыми, доступными сенсорами, возможно, будущее.

Ветряки — плохо, маски — хорошо

Еще одна проблема, которая нас всерьез волнует,— это переработка сложных композиций. Например, на Западе очень популярны ветроэлектрогенераторы как альтернатива традиционным источникам энергии. Есть они и в нашей стране. Однако мало кто задумывается о глобальной экологической проблеме, которую они несут.

Лопасти ветряков производятся из высокосшитых полимерных композитов, в которых содержится стекловолокно или углеродные волокна. Их задача — не только быть высокопрочными, но и стабильными в отношении погодных условий. Но что сделать с огромной лопастью, где ее захоронить? Такие полимеры даже механически перерабатываются с трудом. Что с этим делать?

Пока ответа на этот вопрос нет, но ученые, и мы в том числе, работают над этой проблемой. Думаю, в конечном счете человечество научится перерабатывать отходы во что-то полезное и безопасное. Тут нет альтернативы — ресурсы истощаются, а найти им замену невероятно сложно. Кто знает — вероятно, залежи пластика в недалеком будущем станут полезным ископаемым и ценным ресурсом.

Вообще важно обращать внимание на то, что лежит у тебя под ногами. В последние годы это маски, которые миллиардами выбрасываются и считаются чем-то ненужным. Мы превратили их в сорбент. Зачем полностью перерабатывать маску, если можно сохранить ее полезные свойства, подумали мы.

Маска — это спандекс, неплетеное полотно из полипропиленовых волокон, имеющее развитую поверхность. Мы нанесли на этот материал гидрофобный металлорганический каркас, который очень легко впитывает в себя те же нефтепродукты. Эта технология достаточно проста и дешева, чтобы ее внедрять в массовом порядке. А есть еще одноразовые больничные простыни, пеленки, подгузники… Их объемы огромны. Пора осознать: нам от полимеров никуда уже не деться — надо научиться их грамотно использовать.

Другого пути нет.

Мы знаем, что ничего не знаем

Есть ли для нас что-то непонятное? Безусловно.

Мы занимаемся химией поверхности, но зачастую она остается непознанной. На поверхности с точки зрения органической химии происходят подчас «невозможные» реакции, обусловленные приповерхностным тонким слоем. Именно на поверхности прослеживается переход от молекулярного в нано- и макросостояние.

Кроме того, поверхность энергетически неоднородна. Мы хорошо знаем, что такое молекула и как она будет реагировать с теми или иными веществами. Мы в состоянии это предсказывать и этим управлять.

Для поверхности, как бы мы этого ни хотели, мы только создаем методологию в широком смысле этого слова. Так что загадок на наш век хватит. Но мы уже сейчас с уверенностью можем утверждать, что будущее химии материалов лежит именно в методах тонкого манипулирования свойствами приповерхностных слоев, как в случае макроматериалов, так и современных двумерных структур — тонких пленок.