Plastik to nie tylko problem, ale i potencjał, który może zrewolucjonizować przemysł. – Plastik to nie wróg. To dowód, że potrafimy tworzyć rzeczy trwałe. Teraz musimy się nauczyć, jak z nich korzystać odpowiedzialnie – mówi nam prof. Kinga Góra-Marek z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Zespół badawczy pod jej przewodnictwem pracuje nad wykorzystaniem odpadów plastikowych jako surowca do produkcji paliw i cennych związków chemicznych, a kluczem do tego są innowacyjne katalizatory. Dzięki nim plastik, zamiast zaśmiecać planetę, może stać się zasobem przyszłości.
Każdego roku ludzkość produkuje pół miliarda ton plastiku. To masa, której nie da się już schować pod dywan. Z tej góry surowca tylko 15 proc. trafia do spalania, a recykling chemiczny – ten, który naprawdę zamienia odpady w coś wartościowego – stanowi zaledwie 1 proc. Reszta zalega na wysypiskach, w morzach i rzekach. Szacuje się, że do 2050 roku w oceanach będzie więcej plastiku niż ryb.
Ale zamiast z plastikiem tylko walczyć, można go wykorzystać jako surowiec przyszłości. Zespół prof. Kingi Góry-Marek z Uniwersytetu Jagiellońskiego pracuje właśnie nad tym: chce zamienić odpady plastikowe w paliwa i cenne związki chemiczne. Kluczem są katalizatory – substancje, które przyspieszają reakcje chemiczne i nadają im nowy, kontrolowany kierunek.
Kamień, który się gotuje
„Zeolit” po grecku znaczy „gotujący się kamień” – opowiada prof. Kinga Góra-Marek. – Tak nazwano go jeszcze w XVIII wieku, gdy szwedzki mineralog Axel Cronstedt podgrzał tajemniczy minerał i zobaczył, że wydziela się z niego ogromna ilość pary wodnej.
Ten minerał – zeolit – stał się później jednym z największych przełomów w przemyśle chemicznym. Od lat 60. XX wieku w rafineriach pozwala rozkładać ciężką ropę naftową na lżejsze frakcje: benzynę, olej napędowy oraz olefiny – surowce do produkcji wielu ważnych związków chemicznych. Przed wprowadzeniem zeolitów aż 60% baryłki ropy stawało się odpadem. Po ich dodaniu – tylko 1 proc.
– To była prawdziwa rewolucja – podkreśla badaczka. – Katalizator sprawia, że reakcje zachodzą w znacznie niższej temperaturze, są bardziej efektywne, a my możemy „ustawiać” produkty dokładnie według potrzeb przemysłu. Dziś to jedna z najlepiej opracowanych technologii na świecie. My idziemy krok dalej: zamiast ropy używamy plastiku.
Czym jest cracking katalityczny?
To proces, w którym długie cząsteczki węglowodorów (z ropy lub plastiku) są rozbijane na krótsze. Dzięki katalizatorom (głównie zeolitom) dzieje się to w niższej temperaturze i z pełną kontrolą nad ilością i jakością produktów: benzyną, komponentami oleju napędowego czy olefinami.
Zeolity to mikroskopijne „kamienie” o porowatej strukturze – rozmiar kanałów jest porównywalny z wielkością wielu cząsteczek organicznych, dlatego działają jak sita – przepuszczają jedne cząsteczki, a zatrzymują inne.
Dzięki temu ich kanały działają jak precyzyjne mikroreaktory a reakcje chemiczne zachodzące w ich wnętrzu są kontrolowane przez rozmiar i kształt kanałów. Można to porównać do systemu zamków i kluczy: tylko cząsteczki o odpowiednim kształcie „pasują do zamka” w strukturze zeolitu. Katalizatory te mogą kierować reakcję w stronę pożądanych produktów.
Pięć sekund życia katalizatora
W rafineriach ropa przekształcana jest w benzynę. Katalizator w takich warunkach musi wytrzymywać temperatury rzędu 450–550°C. Wygląda niepozornie – jak puder – ale wewnątrz zachodzi prawdziwa chemiczna walka.
– Nasz katalizator żyje tylko kilka sekund – wyjaśnia prof. Góra-Marek. – Potem oblepia się węglem i „umiera”. Na szczęście działa drugi obieg – proces regeneracji katalizatora. Tu, temperatura jest znacznie wyższa, sięga nawet 750°C. W rafinerii do regeneracji służy dodatkowy reaktor – gdzie depozyt węglowy jest wypalany i katalizator wraca do pracy. To ciągły cykl życia i śmierci. W dużych rafineriach ten 5 sekundowy cykl życia i śmierci dotyczy jednorazowo 500–1000 ton katalizatora. W naszym laboratorium proces ten badany jest w mikroskali.
Zespół UJ od ponad dziesięciu lat rozwija własny mikro-reaktor operando. Dzięki niemu mogą obserwować katalizator „na gorąco”, w warunkach rzeczywistego działania, w wysokiej temperaturze, w czasie kontaktu z plastikiem lub innymi reagentami, a nie tylko przed lub po wyjęciu z reaktora. – Badamy, jakie właściwości katalizatora musimy zmodyfikować, aby z plastiku otrzymać pożądany produkt.
Plastik trafia do rafinerii – czyli jak butelki i folie stają się paliwem
Z chemicznego punktu widzenia plastik to niemal idealny surowiec – czysty węgiel i wodór. Wystarczy znaleźć sposób, by wiązania pomiędzy atomami węgla i wodoru rozbić i ułożyć od nowa. Każda plastikowa butelka to gotowe źródło węgla i wodoru, czystsze niż ropa naftowa. Dodatkowo, plastik jest bardziej reaktywny niż ropa naftowa, więc jego obecność w procesie krakingu ropy naftowej w rafinerii jest korzystna, zwiększa ilość otrzymywanej benzyny i olefin. – mówi prof. Góra-Marek.
W laboratorium UJ dzieje się to we wspomnianym reaktorze operando – miniaturowej rafinerii. Plastik (w formie stopionej lub pokruszonej) jest krakowany na katalizatorach zeolitowych i zamienia się w mieszankę, z której można uzyskać paliwa lub ważne półprodukty chemiczne (np. propen, buten) wykorzystywane później w przemyśle.
– To, co dziś uważamy za odpad, może stać się częścią zamkniętego obiegu – tłumaczy naukowczyni. – Zamiast produkować nowe tworzywa z ropy, korzystamy z tych już niepotrzebnych, przekształcając je w paliwa i surowce do produkcji nowych materiałów.
Współpraca ze Stanami i … brak kontaktu z polskim przemysłem
Paradoksalnie w zakresie opracowania katalizatorów łatwiej jest im współpracować z amerykańską firmą Grace – jednym z największych producentów katalizatorów na świecie – niż z rodzimymi koncernami.
– Może polski przemysł nie jest jeszcze gotowy, by patrzeć na odpady jak na surowiec, z którego można pozyskać w kontrolowany sposób wiele cennych związków zamiast po prostu go spalić lub poddawać w niekontrolowany sposób pirolizie – przyznaje badaczka. A takie pozytywne rozwiązania już istnieją. Przykładowo, w Australii działa instalacja technologii Cat-HTR, stworzonej przez profesora chemii na Uniwersytecie w Sydney, Thomasa Maschmeyera, pozwalająca przekształcać niesegregowane, zanieczyszczone odpady z tworzyw sztucznych w produkty handlowe. Jednym z pierwszych partnerów technologicznych została fińska firma Neste, lider w dziedzinie paliw odnawialnych.
W latach 50. XX wieku produkowano zaledwie 2 miliony ton plastiku rocznie. Dziś – ponad 500 milionów ton. Dziennie to około 1,37 miliona ton – wylicza prof. Góra-Marek. – A prognozy na 2050 rok mówią o podwojeniu tej ilości. Tymczasem recykling chemiczny wciąż stanowi mniej niż 1 proc. surowca. Większość plastiku ląduje na wysypiskach albo w spalarniach.
– Musimy coś z tym zrobić – podkreśla naukowczyni. – Plastik sam się nie rozłoży. Ale możemy sprawić, że znowu stanie się częścią obiegu materii, zamiast być przeszkodą dla środowiska.
Energia, która żyje
Punktem wyjścia dla większości tworzyw sztucznych jest ropa naftowa, która jest bogata w atomy węgla i wodoru połączone w pierścienie i łańcuchy. Te cząsteczki nazywane są węglowodorami. Wynalezienie nowych sposobów rozbicia i rekombinacji tych węglowodorów, właśnie za pomocą katalizatorów, doprowadziło do powstania oszałamiającej gamy paliw, chemikaliów i materiałów, które stanowią podstawę współczesnego życia, w tym ogromnej gamy tworzyw sztucznych o takich cechach, które sprawiają, że plastik jest tak użyteczny. Wyobraźmy sobie, gdyby wszystkie nasze pojemniki nadal były wykonane ze szkła, ceramiki lub metalu. A jak działałaby elektryczność, gdyby nie istniały nieprzewodzące tworzywa sztuczne?
– To, co zrobiliśmy z ropą, możemy zrobić z plastikiem – mówi prof. Góra-Marek. – Nie tylko po to, by produkować więcej paliw, ale także aby odzyskać to, co już mamy, i nie zostawiać po sobie góry śmieci.
I choć sama sceptycznie podchodzi do „zielonej energii” jako marketingowego sloganu, wierzy w coś innego: w mądre, odpowiedzialne wykorzystywanie tego, co już stworzyliśmy.
– Plastik to nie wróg. To tylko dowód na to, że potrafimy tworzyć rzeczy trwałe. Teraz musimy się nauczyć, jak z nich korzystać odpowiedzialnie.
Plastik otacza nas wszędzie: w ubraniach, jedzeniu, elektronice. Ale może któregoś dnia to właśnie on – a nie ropa – będzie pierwszym źródłem pozyskiwania energii i wartościowych związków chemicznych.
Projekt zespołu z Uniwersytetu Jagiellońskiego pokazuje, że nauka potrafi wrócić do pozornie prostych rzeczy i nadać im nowe życie. Czasem wystarczy tylko wykorzystać doświadczenie płynące już z istniejących rozwiązań przemysłowych i … gotujący się kamień, żeby świat ruszył w innym, bardziej zrównoważonym kierunku.
–
Zdjęcie tytułowe: shutterstock/Parilov
