Разработан метод получения дешевых материалов для очистки воды из отходов пластика
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) в составе международной коллаборации разработали способ получения пористых металлорганических каркасов (MOF) для очистки воды и газов из отходов полиэтилентерефталата (ПЭТ). Новая технология позволяет одновременно перерабатывать пластик и получать полезные материалы.
ПЭТ считается одним из наиболее пригодных для переработки пластиков. Однако большинство существующих технологий позволяют либо разложить его до исходных молекулярных компонентов и снова произвести ПЭТ или просто механически его переработать.
Авторы 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», — рассказала один из авторов исследования, научный сотрудник международной научно-исследовательской лаборатории «Невалентные взаимодействия в химии материалов» ТПУ Ольга Гусельникова.
Предложенный метод переработки ученые апробировали на пищевых контейнерах, бутылочном пластике, промышленных отходах, тканях из полиэстера, а также смесях ПЭТ с полиэтиленом. Для переработки пластика подобрали такие температуру, продолжительность реакции и количество реагентов, чтобы получить высокий выход целевых соединений. Из них далее синтезировали MOF.
Полученные из отходов ПЭТ MOF сохранили кристалличность, микропористость и термическую устойчивость на уровне коммерческих аналогов, при этом стоимость их получения, по расчетам ученых, примерно в 5–7 раз ниже для нитросодержащих соединений и в 75-80 раз ниже для йодсодержащих соединений.
«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», — отметила Ольга Гусельникова.
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.
В исследовании принимали участие ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, Венского технического университета (Австрия), Университета Страны Басков (Испания) и Новосибирского института органической химии имени Н.Н. Ворожцова.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.