BAETA – revolucionarni plastični upijajući materijal

Svjetski problemi plastičnog otpada i klimatskih promjena sve više se međusobno prožimaju. Svakodnevno se proizvode goleme količine PET (polietilen-tereftalat) plastike, odnosno najčešćeg materijala za boce i ambalažu, dok emisije ugljičnog dioksida (CO2) rastu unatoč nastojanjima da ih smanjimo.

Istraživanje objavljeno prošlog mjeseca u časopisu Science Advances donosi novi način rješavanja ovih dvaju problema, i to relativno “jednostavnom” metodom. PET-otpad se čini se može pretvoriti u materijal koji izvrsno apsorbira CO2. Kako objašnjavaju autori, aminoliza PET-a razgrađuje plastiku u molekulu bis-aminoamida nazvanu BAETA, uz sporedne oligomere, koji potom služe kao čvrsti sorbenti (upijači) za CO2. Sorbent je materijal koji može upijati ili izvlačiti na površinu tekućine ili plinove, a koristi se za npr. čišćenje izlivene nafte, pročišćavanje vode i sl.

Ukratko, BAETA ima visok kapacitet za upijanje, materijal ostaje stabilan iznad 250 stupnjeva Celzijusa; što je okoliš vlažniji, to je ovaj materijal učinkovitiji i također je jako izdržljiv. Osim toga relativno lako se proizvodi i ne traži teške metalne katalizatore. Moguće ga je otopiti u vrućoj vodi što omogućava separaciju i ponovnu upotrebu materijala.

Zašto su rezultati važni i koje su primjene

Rezultati ovog istraživanja važni su jer predstavljaju sinergijsko rješenje dvaju kriznih pitanja: plastičnog otpada i klimatskih emisija. PET-plastika je široko dostupna sirovina – godišnja proizvodnja doseže 70 milijuna tona (što je 18 posto ukupne svjetske proizvodnje plastike), a mnogi njezini otpadni oblici danas nisu nikako iskorišteni. Kao što ističu autori, za materijale koji hvataju CO2 treba mnogo jeftinog i dostupnog sirovog materijala, barem milijuni tona godišnje. Ovdje PET-plastika može igrati ulogu: umjesto da se spaljuje (iz čega nastaje CO2) ili gomila na deponijama, može postati koristan resurs.

Potencijalne primjene BAETA materijala uključuju hvatanje CO2 u industrijskim i energetskim postrojenjima (npr. čišćenje dimnih plinova rafinerija, termoelektrana ili cementara). Koncept je predstavljen kao “pročišćavanje” industrijskog dimnjaka; dimni plinovi se usmjeravaju kroz posudu napunjenu BAETA sorbentom, koji veže CO2, nakon čega se sorbent termički regenerira i ponovno koristi.

Oslobođeni CO2 moći će se u budućnosti spremiti pod zemlju ili iskoristiti u industriji (npr. pretvoriti u gorivo novim tehnologijama). Zahvaljujući toplinskoj stabilnosti BAETA može raditi i na mjestima gdje su plinovi vrlo vrući. Autore posebno veseli što ovaj materijal “odlično djeluje od sobne temperature do otprilike 150 stupnjeva Celzijusa”.

Kako je to moguće?

Detaljnije, BAETA (N¹,N⁴-bis(2-aminoetil)tereftalamid) je kemijski spoj koji nastaje kada se PET plastika – materijal od kojeg su izrađene boce i ambalaža – kemijski razgradi postupkom aminolize, pri čemu reagira s etilendiaminom, spojem koji sadrži dušikove skupine (–NH2). Rezultat je molekula s dvije aktivne “ruke” koje mogu hvatati molekule ugljikova dioksida (CO2). Dušikovi atomi u BAETI ponašaju se kao baze i lako reagiraju s ugljikom iz CO2, pa materijal učinkovito “zarobljava” taj plin iz zraka ili industrijskih dimnih plinova.

Kada se BAETA zagrije na oko 150 stupnjeva Celzijusa, CO2 se otpušta, a materijal se može ponovno koristiti. Zahvaljujući ovoj reverzibilnoj reakciji, BAETA funkcionira kao sorbent – tvar koja više puta upija i otpušta CO2 – te pokazuje veliku termičku stabilnost i otpornost na vlagu, što je čini posebno pogodnom za primjenu u procesima hvatanja ugljika. Na primjer, autori su iz jednog kilograma neobrađenog PET otpada dobili oko 800 grama praškaste tvari BAETA i ostatke oligomera.

Osim što predstavlja estetski i ekološki problem u prirodi, PET-plastika po udjelu ugljika čini iznenađujuće veliki udio od preko 60 posto svoje mase. To znači da se PET otpadom generira i značajna količina ugljika koja uz pravilnu preradu može “zarobiti” umjesto da završava u atmosferi. No, u praksi se svega 10 do 15 posto PET-a reciklira, dok se ostatak spaljuje ili zakapa na odlagalištima, što su sve postupci koji dodatno povećavaju emisije CO2.

Rješenje problema zahtijeva novu perspektivu: umjesto da plastiku tretiramo samo kao otpad ili gorivo, znanstvenici sugeriraju ponovnu upotrebu – pretvaranje otpada u vrijedne proizvode. Primjer toga je aminoliza PET-a: kemijska reakcija u kojoj se PET razlaže reakcijom s aminima. U ovom slučaju korišten je jeftini etilendiamin, poznat po sposobnosti vezanja CO2.

Novi upijajući materijal

Nastali materijal BAETA pokazuje izvanredna svojstva za hvatanje CO2. Kao što navodi članak, BAETA i prateći oligomeri postižu kapacitet vezanja do 3,4 mola CO2 po kilogramu materijala. (To znači otprilike 150 grama CO2 po kilogramu sorbenta.) Ova vrijednost je znatno veća od mnogih konvencionalnih sorbenata. BAETA selektivno veže CO2 iz plinova s relativno niskim udjelom ugljičnog dioksida – primjerice iz dimnih plinova (5–20 posto CO2) ili čak iz zraka (oko 0,04 posto CO2), i to pod vlažnim uvjetima.

Ključne karakteristike BAETA su i njegova termička i kemijska stabilnost. Materijal izdržava temperature iznad 250 stupnjeva Celzijusa, a apsorbirani CO2 ne otpušta se dok se ne zagrije na oko 150 stupnjeva. To je značajno bolje od uobičajenih amina (npr. monoetilamina) koji se raspadaju pri nižim temperaturama. Zbog toga se BAETA može regenerirati grijanjem, pri čemu se zarobljeni CO2 oslobađa i sorbent postaje spreman za ponovnu upotrebu.

Sposobnost višekratne uporabe je potvrđena nizom ciklusa apsorpcije/adsorpcije. BAETA u obliku peleta je pod uvjetima simulacije dimnog plina nepromijenjena čak i nakon 40 ciklusa rada na 150 stupnjeva Celzijusa. Autori također navode da ostavljanje malih ostataka CO2 na sorbentu može “zaštititi” BAETA-u i možda čak, pod nekim uvjetima, omogućiti i do 150 ciklusa bez značajnog gubitka performansi. Uz to, BAETA učinkovito veže CO2 čak i na sobnoj temperaturi i pri visokoj vlažnosti zraka, što je važno za situacije oborinskih plinova ili zasićenih dimnih plinova.

Međutim, istraživanje je još u ranoj fazi. Autori rade na povećanju razine (trenutno do 2 kg skale) i planiraju ispitati utjecaj drugih spojeva iz dimnog plina (npr. sumpornih i dušikovih oksida) na učinkovitost BAETE.