Как эфирные масла могут помочь в переработке полистирола?

Пластиковый мусор — одна из самых больших экологических головоломок нашего времени. Если бутылки из ПЭТ успешно перерабатываются в новые изделия, а полиэтилен находит вторую жизнь, то с полистиролом (PS) всё сложнее. Из него делают лотки для еды, пенопластовые упаковки для техники и кофейные стаканчики. Этот материал лёгкий, дешёвый и удобный, но после однократного использования он десятилетиями лежит на свалках или попадает в океан. Существующие методы его переработки энергозатратны и небезопасны [1]. Но что если решение этой проблемы пахнет апельсином или хвоей?

В чём проблема полистирола?

Большинство пластиков перерабатывают механически: их сортируют, моют, измельчают в крошку и плавят, чтобы отлить новые изделия. С полистиролом этот номер проходит плохо. При нагревании он не просто плавится, а начинает разлагаться, выделяя токсичные стирол и другие вредные вещества. Процесс, называемый экструзией, требует строгого контроля и мощных систем фильтрации, что делает его дорогим и опасным для окружающей среды. Поэтому большая часть полистирольных отходов просто выбрасывается.

Исследователи обратили взгляд на природу в поисках безопасных растворителей. И нашли их в эфирных маслах! Оказалось, что такие вещества, как d-лимонен (который содержится в апельсиновой и лимонной цедре и составляет до 90 % эфирного масла), скипидар (получаемый из живицы хвойных деревьев, содержание лимонена до 10 %) и некоторые другие эфирные масла, обладают удивительной способностью растворять полистирол. Почему это работает? Всё дело в химическом сродстве. Молекулы полистирола похожи на длинные запутанные цепочки. Эфирные масла, будучи органическими растворителями, могут проникать между этими цепочками, раздвигать их и постепенно разрывать связи, переводя твёрдый пластик в густой, вязкий гель или жидкость [2]. Иначе говоря, полистирол — неполярный полимер, поэтому растворяется в неполярном растворителе.

Как проходило исследование? Было поставлено несколько задач:

1. Найти лучший «ароматный» растворитель .

Были протестированы различные эфирные масла (апельсиновое, мандариновое, грейпфрутовое, сосновое и пихтовое) и чистый лимонен. Оказалось, что d-лимонен — чемпион по скорости и эффективности растворения. Он справлялся с задачей за несколько часов, в то время как другим маслам требовались сутки. Пример растворения полистирола в скипидаре на рисунке 1, сравнительные результаты по эфирным маслам представлены в таблице 1.

Рис. 1. Результат растворения вспененного полистирола в скипидаре

Таблица 1

Зависимость растворяемой массы ПС от растворителя

2. Проверить разные виды пластика . Эксперимент показал, что как вспененный полистирол (пенопласт), так и плотный листовой (например, из крышек для кофе) успешно растворяются, но с разной скоростью. Рыхлый пенопласт, имеющий большую площадь поверхности, «тает» на глазах.
3. Дать вторую жизнь раствору . Самый интересный этап — это что делать с полученной жидкостью. Её можно не просто утилизировать, а использовать как ценное сырьё. Раствор разливали по формам и давали растворителю испариться. В результате получались новые пластиковые плёнки или детали.
4. Протестировать новый материал . Механические испытания показали, что полученные образцы сохраняют прочность и гибкость. Важно, что процесс можно повторять снова и снова — переработанный полистирол снова растворялся в лимонене, чтобы стать чем-то новым. Также материал сохранял свои свойства в широком диапазоне температур. Пример готового полимера на рисунке 2.

Рис. 2. Высушенный раствор черного вспененного полистирола в лимонене

Какие перспективы у этого метода? Это открытие выглядит крайне многообещающе для создания безопасной и «зелёной» технологии переработки.

Безопасность: В отличие от высокотемпературной плавки, растворение происходит при комнатной температуре без вредных выбросов.

Экономика: Эфирные масла, особенно отходы цитрусовой промышленности, могут стать дешёвой основой для технологии. На рисунках 3–4 представлена качественная реакция получения лимонена из кожуры апельсинов.

Рис. 3. Вываривание цедры апельсинов в дистиллированной воде и отстаивание верхнего слоя жидкости с повышенным содержанием масла

Рис. 4. Проверка наличия лимонена в отваре: слева растворы перманганата калия и йода, справа обесцвечивание раствора йода (желтый) и изменение цвета р-ра перманганата калия (коричневый)

Эффективность метода мала, больший выход лимонена из цедры цитрусовых достигается перегонкой [3].

Замкнутый цикл: Возможность многократно растворять и заново формовать один и тот же пластик соответствует принципам циклической экономики.

Конечно, у метода есть и вызовы. Нужно наладить эффективный сбор и очистку использованного растворителя, чтобы сделать процесс рентабельным. Но сам факт, что аромат апельсина может помочь решить проблему пластикового загрязнения, дарит настоящую надежду. Возможно, в недалёком будущем пункты приема вторсырья будут пахнуть не свалкой, а цитрусовым садом.

Литература:

1. Переработка пластмасс. — URL: https://rcycle.net/plastmassy/ pererabotka-polistirola-vtorichnye-othody-utilizatsiya
2. Исследование свойств лимонена. — URL: https://lekostyle.com/files/ pdf/Dlimonen.pdf
3. Получение лимонена. — URL: https://studwood.net/1120066/ matematika_himiya_fizika/prirodnye_istochniki_limonena