Пластиковые горы: как остановить превращение планеты в свалку

Миру нужно все больше пластика, и его по-прежнему выгоднее выбросить, чем переработать. Исправить ситуацию должны новые технологии, конвертирующие экологическую ответственность в реальную прибыль.

Пластмассовая жизнь

С 1950-х мировая промышленность произвела 8,3 млрд тонн пластика, или пластмассы — будем считать эти слова синонимами. За это время годовой спрос вырос в 230 раз и достиг 460 млн т. Только за последние 20 лет годовое производство пластика удвоилось.

При этом перерабатывается лишь небольшая часть пластмассовых отходов. Так, в США в 2018 году перерабатывалось менее 9% производимого пластика. В экологически продвинутом ЕС в 2019-м на переработку шло лишь 41% пластиковой упаковки. 

Объемы переработки пластика растут, но в абсолютных цифрах медленнее, чем объемы его производства. Так, с 2009-го по 2019 год объем упаковочного пластика на одного жителя ЕС увеличился на 6,7 кг, а объем его переработки — только на 4,7 кг.

В результате на планете копится мусор. И если на суше расположение свалок, по крайней мере, поддается контролю, то океан медленно превращается в одну большую свалку. Возможно, самое наглядное тому свидетельство — «горные породы» из пластмасс, занесенных морскими волнами на необитаемые острова. По некоторым прогнозам, к 2050 году пластика в океане по суммарной массе станет больше, чем рыбы.

Переплавить, сжечь или захоронить?

Для полной переработки пластикового мусора не хватает не только предприятий, но и технологий. Стандартный путь переработки пластмассовых отходов — измельчить и переплавить. Но пластик все-таки не металл. Каждый цикл переплавки ухудшает его качество. Особенно трудно перерабатывать изделия, состоящие из нескольких полимеров. Многие видели на пакетах из супермаркетов гордую надпись «до 35% вторсырья». Однако сами эти пакеты уже не подлежат переплавке. В них смешаны полимеры с разной температурой плавления, и пока один плавится, другой рискует загореться. Переплавка дает пластику вторую жизнь, но куда хуже справляется с третьей. Вместо замкнутого цикла, где материал используется снова и снова, получается разомкнутый.

Не переработанный пластик можно оставить на свалке или сжечь. Со стихийных свалок он попадает прямиком в природу, включая реки и моря. Но даже оборудованный по всем правилам полигон не обеспечивает полную и вечную изоляцию мусора от окружающей среды. Сжигание отходов в обычном костре, широко практикуемое в сельской местности, может дать разнообразные токсичные продукты вплоть до фосгена — боевого отравляющего вещества. Газообразные отходы мусоросжигательных заводов не так страшны, но и не всегда безобидны. Их состав зависит от вида пластика. Полиэтилен можно дожечь до водяного пара и углекислого газа, а вот при горении поливинилхлорида образуется хлороводород. Соединяясь с атмосферной влагой, он образует соляную кислоту, выпадающую кислотными дождями.

Расцепка вагонов

Чтобы раз за разом делать из пластика новый пластик, нужны новые технологии. Над этим работает множество ученых по всему миру. Задача осложняется тем, что на рынке много разных пластмасс, и универсального решения для их переработки быть не может.

Один из перспективных подходов — разлагать полимер на мономеры. Молекула полимера состоит из одинаковых звеньев-мономеров, как поезд из вагонов. Например, в молекуле полиэтиленовой пленки таких «вагонов» несколько тысяч.

Полиэтилен делают из этилена, полипропилен — из пропилена, и т.д. Небольшие молекулы сырья объединяются в длинную цепочку, становясь мономерами в большой молекуле полимера. Разложение полимера до мономеров обращает этот процесс вспять. В частности, из полиэтилена получается газ этилен. Из него можно вновь сделать полимер, столь же качественный, как и из первичного сырья. Этот цикл можно повторять снова и снова.

Однако такое разложение обычно требует дорогих катализаторов, токсичных растворителей или больших энергозатрат. К тому же разложение на мономеры не бывает полным. Часть фрагментов, на которые распадается молекула полимера, вступает в «незапланированные связи» и образует бесполезные побочные продукты. В итоге переработка пластика получается нерентабельной.

Новые решения

Недавно исследователи из США и Индии разработали многообещающий способ разложения полиэтилентерефталата (ПЭТ). Именно из него делается большинство пластиковых бутылок. В 2021 году этот полимер составлял целых 12% мировых твердых бытовых отходов — всех, а не только пластиковых. При этом в США в 2018 году перерабатывалось только 29% упаковок для напитков из ПЭТ. 

Авторы новой статьи нагревали материал до 265°C (по меркам химической промышленности это немного) при атмосферном давлении. В процессе использовались недорогие и нетоксичные вещества: активированный уголь и молибденовый катализатор, а также влага, естественным образом присутствующая в воздухе. В результате ПЭТ разлагался до мономера. Всего за четыре часа выделялось 94% от полного содержания мономера в пластике. Мономер выделялся в виде пара, но потом конденсировался в холодной зоне реактора. Другими словами, его не требовалось очищать от других продуктов реакции.

Метод работает не только для ПЭТ, но и для родственных ему пластиков из класса полиэфиров. Исследователи опробовали его на пластиковых бутылках, набивке подушек и других видах мусора. Технология хорошо показала себя и на смешанных пластиках. Если в составе вторсырья был полиэфир, он разлагался до мономера, а другие компоненты оставались нетронутыми. Возможно, пластиковый мусор для такой переработки даже не придется сортировать, отделяя ПЭТ от других пластмасс — процесс сам отделит зерна от плевел. 

Впрочем, это лишь одно из множества перспективных исследований. Так, в 2023 году другая научная группа предложила при переработке полиэтилена и полипропилена использовать как катализатор не дорогую платину, а дешевую поваренную соль.

Кроме того, разложение до мономеров — не единственный путь. Еще одна команда исследователей нашла неожиданное решение проблемы смешанных пластиков. Вместо того, чтобы сортировать их и перерабатывать по отдельности, можно соединять в одну молекулу мономеры разных полимеров. Казалось бы, из идеи прицепить железнодорожный вагон к трамвайному не выйдет ничего хорошего. Да они и не сцепятся, потому что у них несовместимые сцепки. Однако химики разработали особые вещества, которые назвали динамическими сшивающими агентами. Они соединяют несоединимые части в единую прочную молекулу.

Наконец, из пластика можно делать не только пластик, но и, например, водород и графен.

В общем, в идеях недостатка нет. Нужно дорабатывать и масштабировать технологии, перенося их из лабораторий на заводы. Иначе однажды мы рискуем обнаружить себя живущими на пластиковой свалке.