Химики предложили способ переработки хлорсодержащих органических отходов

Российские ученые предложили способ переработки хлорсодержащих органических отходов, образующихся при производстве винилхлорида — мономера пластика ПВХ. Из таких отходов можно получать углеродные нановолокна, которые впоследствии могут применяться как носители катализаторов или добавки в строительные и полимерные материалы. Исследование опубликовано в журнале Doklady Chemistry.

На химических производствах часто остаются потенциально токсичные органические отходы. Проблема их утилизации стоит особенно остро. Чаще всего такие отходы сжигают или захоранивают, что нежелательно, так как при этом наносится вред окружающей среде. Оптимальное решение этой проблемы — перерабатывать отходы в полезные вещества или материалы. При промышленном синтезе винилхлорида, из которого затем получают пластик ПВХ, на тонну продукта образуется 30 килограмм хлорорганических отходов. В составе таких отходов — смесь из хлорсодержащих углеводородов, которая очень трудно поддается переработке.

Ученые из Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН и Иркутского национального исследовательского технического университета разработали способ переработки хлорорганических отходов в углеродные нановолокна, которые могут применяться как армирующая добавка в полимеры и строительные материалы. Для этого химики предложили проводить пиролиз (термическое разложение) отходов в присутствии никелевых катализаторов. Этот металл используется для реакций с участием хлорорганических соединений особенно часто, так как его активность, в отличие от других катализаторов, в присутствии хлора почти не падает. В ходе эксперимента исследователи использовали в качестве катализатора сплав, состоящий на 80% из никеля и на 20% из хрома. Сначала химики тестировали сплав в реакторе с модельным хлорорганическим соединением — чистым 1,2-дихлороэтаном — и наблюдали образование углеродных нановолокон, которое сопровождалось разрушением структуры исходного массивного сплава. Образующиеся дисперсные частицы сплава катализируют рост углеродных нановолокон с большой производительностью. Получаемый углеродный продукт содержит наночастицы на основе никеля, закрепленные в структуре углеродных нановолокон, и может быть использован как нанесенный катализатор для различных процессов гетерогенного катализа.

Авторы провели эксперименты с реальными хлорорганическими отходами, образующимися при производстве винилхлорида в Саянске (Иркутская область). Химикам удалось успешно синтезировать углеродные нановолокна и из реальных отходов, хотя выход продукта и уменьшился по сравнению с модельным сырьем, составив 23–30 грамм на каждый грамм использованного катализатора против 47 грамм продукта на грамм катализатора. Ученые связали это с более неоднородным и сложным составом реальных органических отходов. Например, в них содержались ароматические хлорсодержащие углеводороды, которые труднее поддаются переработке. Кроме того, с помощью электронной микроскопии исследователи показали, что в случае с реальными отходами углеродные нановолокна получались более хрупкими, хотя при этом также повышалась их пористость. Химики объяснили это действием хлора, который может частично блокировать поверхность активных частиц, снижая тем самым эффективность катализатора.

Ученые также предложили технологическую схему производства, учитывающую возможность переработки хлорорганических отходов на месте. Она может применяться на действующих промышленных предприятиях для получения полезного материала — углеродных нановолокон, которые можно добавлять, например, в состав ПВХ для улучшения его физико-механических свойств. По мнению одного из авторов работы, кандидата химических наук Ильи Мишакова, практическая ценность этой работы, несомненно, лежит в области развития каталитических методов защиты окружающей среды. Разработанный способ позволит перерабатывать опасные хлорорганические отходы с получением ценного углеродного наноматериала с большим потенциалом практического использования.

Исследования проведены при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации [проект № AAAA-A21-121011390054-1].

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».