Upcykling polietylenu Można go wykorzystywać na masową skalę jako surowiec do produkcji nylonu

W ramach upcyklingu odpady przekształca się w nowe, często produkty o wyższej wartości. Zasada ta cieszy się popularnością przede wszystkim wśród majsterkowiczów. Pomysł ten można jednak wykorzystać również na skalę przemysłową, na przykład poprzez wytwarzanie poliamidu z odpadów polietylenowych. Naukowcy z Rostocku właśnie nad tym pracują. 

Ogromną ulgą dla środowiska i klimatu byłoby, gdyby w przyszłości nylon można było w znacznej mierze wytwarzać z odpadów plastikowych, a nie z ropy naftowej, jak to miało miejsce dotychczas. W Instytucie Katalizy im. Leibniza (LIKAT) chemicy podążają tą drogą. Udało im się selektywnie przekształcić polietylen, główny składnik wszystkich odpadów z tworzyw sztucznych, w kwasy dikarboksylowe, które mogą służyć jako surowce chemiczne do produkcji nylonu.

Reakcja przebiega w łagodnych warunkach i nie wymaga nawet stosowania katalizatora. Celem jest opracowanie procesu na skalę pilotażową. W tym celu zespół zamierza zwiększyć selektywność i wyjaśnić mechanizmy reakcji.

Piroliza nie jest już do przyjęcia

Polietylen (PE) wraz z polipropylenem (PP) stanowi cztery piąte odpadów z tworzyw sztucznych, co na całym świecie szacuje się na około 400 milionów ton rocznie. W celu recyklingu chemicznego tych poliolefinów upowszechniła się piroliza, jak wyjaśnia dr Esteban Mejía, kierownik ds. tematycznych w LIKAT: „Tworzywo sztuczne jest poddawane kontrolowanemu spalaniu w temperaturach sięgających 600 stopni Celsjusza”.

Wprawdzie w wyniku tego procesu powstaje „dobra ropa”, a sam proces nie powoduje emisji CO₂, jednak ze względu na ogromne zużycie energii piroliza pozostawia tak duży ślad węglowy, że organy ds. ochrony środowiska biją na alarm. W Stanach Zjednoczonych zakłady zajmujące się pirolizą są już zamykane.

Piroliza to proces z dziedziny recyklingu chemicznego. W tym procesie odpady z tworzyw sztucznych nie są, jak w przypadku recyklingu mechanicznego, po prostu rozdrabniane i przetapiane, lecz rozkładane na podstawowe składniki (monomery).

W procesie pirolizy tworzywa sztuczne ulegają rozkładowi termicznemu w wysokich temperaturach w warunkach beztlenowych. W wyniku tego procesu powstają oleje, gazy i pozostałości stałe (koks/popiół), które można ponownie wykorzystać jako surowce. Piroliza jest obecnie dominującą technologią, zwłaszcza w Niemczech.

Reaktywne formy tlenu jako narzędzie

To rodzi pytanie o alternatywne rozwiązania. Jak wyjaśnia Esteban Mejía, nauka zna szereg procesów katalitycznych, które działają na zasadzie utleniania, podobnie jak piroliza. „W trakcie tych procesów na powierzchni polietylenu powstają reaktywne formy tlenu, które nazywamy ROS (reactive oxygen species)”. Jak chemicy już wiedzą, to właśnie one mają kluczowe znaczenie. ROS rozkładają polietylen chemicznie. „Można powiedzieć, że praktycznie zjadają ten materiał” – podsumowuje Mejía.

Reakcja ta wymaga jednak wysokiego ciśnienia, co sprawia, że proces ten ma charakter wybuchowy. „Nie da się go w prosty sposób skalować do rozmiarów mających znaczenie praktyczne”. Ponadto katalizatory oparte są na metalach szlachetnych, co sprawia, że całość jest kosztowna, a także uzależniona od niestabilnego rynku surowców.

W trakcie przeglądu literatury grupa natrafiła na doniesienia kolegów, którzy wytwarzali kwas polietylenodikarboksylowy o niespecyficznej długości łańcuchów, między innymi przy użyciu wysoko stężonego kwasu azotowego w temperaturze 180 stopni Celsjusza oraz w kuchence mikrofalowej. „Są to dość agresywne procesy”, mówi Mejía, „ale zafascynowało nas, by pójść dalej ścieżką z kwasem azotowym i uprościć ten proces”.

Prościej mówiąc: rozcieńczone i z H₂O₂

Od kwietnia 2026 roku nad tym zagadnieniem pracował doktorant, dr Satyajit Panda, wspierany czasami przez studenta studiów magisterskich z Uniwersytetu w Rostocku. Dzięki dalszym badaniom oraz metodzie prób i błędów grupa ostatecznie opracowała prostą reakcję. Efekt był fascynujący: „Wrzuca się kawałki plastikowej torby do probówki z mocno rozcieńczonym kwasem azotowym i nadtlenkiem wodoru, podgrzewa całość do maksymalnie 120 stopni i można obserwować, jak polietylen się rozpuszcza” – wyjaśnia Mejía.

Kierowanie tą reakcją nie jest jednak takie proste. „Ważny jest określony tryb dostarczania ciepła” – wyjaśnia Mejía. Przemiana PE w kwas dikarboksylowy przebiega bowiem w kilku etapach. Jeśli pozostawi się produktom pośrednim zbyt dużo czasu, reakcja przebiega nieoptymalnie i w rezultacie powstaje skomplikowana mieszanina.

Selektywność i mechanizm reakcji

Kwas dikarboksylowy składa się z łańcuchów atomów węgla o różnej długości. Dotychczasowe publikacje opisują wyniki reakcji z łańcuchami o długości od dwóch do ponad 40 atomów węgla. „Autorzy wykorzystali je jako środki powierzchniowo czynne do produkcji mydła” – mówi Mejía. 

Natomiast produktem docelowym chemików z Rostocku jest nadający się do praktycznego zastosowania surowiec do produkcji poliamidu (PA), lepiej znanego jako nylon. Do tego celu nadaje się kwas dikarboksylowy o długości łańcucha wynoszącej dokładnie sześć atomów węgla. A to stawia wyższe wymagania co do selektywności reakcji oraz ewentualnych procesów separacji.

W ramach eksperymentu chemicy z LIKAT zdołali już ograniczyć długość łańcucha swojego produktu do czterech do dziesięciu atomów węgla. Chcieliby to jeszcze bardziej udoskonalić we współpracy z prof. dr Udo Kraglem z Katedry Chemii Technicznej Uniwersytetu w Rostocku. Między innymi w tym celu złożyli wniosek o dofinansowanie projektu do DFG.

W ramach tego projektu zamierzają ponadto wspólnie z analitykami z LIKAT wyjaśnić mechanizm reakcji: chodzi przede wszystkim o ustalenie, jakie związki pośrednie powstają w procesie reakcji, kiedy i jak szybko. Trwa również współpraca z kolegą z Uniwersytetu w Guayaquil (Ekwador), który w eksperymentach fotochemicznych bada wpływ światła na działanie ROS, czyli reaktywnych form tlenu.