Naukowcy chcą przetwarzać płyty CD i DVD na węgiel aktywny

Plastik m.in. ze zużytych płyt CD i DVD można przetwarzać na węgiel aktywny - wykazali naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie. Węgiel aktywny jest o tyle atrakcyjnym materiałem, że można dzięki niemu np. gromadzić dwutlenek węgla lub zanieczyszczenia organiczne.

Prof. Jerzy Choma z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT spodziewa się, że płyty CD i DVD spotka podobny los co taśmy magnetofonowe czy dyskietki do komputerów. Zdaniem naukowca warto się zastanowić, jak sobie radzić z recyklingiem tych produktów. Dlatego badacze z jego zespołu postanowili sprawdzić, jak można je przetworzyć i opracowali metodę przeróbki zużytych płytek na węgiel aktywny. Wyniki badań - prowadzonych przez polskich naukowców m.in. z WAT ukazały się w kwietniu w czasopiśmie "ASC Sustainable Chemistry & Engineering" (DOI: 10.1021/acssuschemeng.5b00036). "To sposób, by efektywnie wykorzystać coś, co wydaje się bezużyteczne" - przyznał w rozmowie z PAP prof. Choma. Zespół pracuje też nad przeróbką innych polimerowych materiałów na węgiel aktywny.

Z węgla aktywnego (inaczej węgla aktywowanego) korzysta się w przemyśle nie od dziś. Mamy z nim do czynienia w filtrach do wody (zarówno tych stosowanych w domach, jak i w zakładach uzdatniania wody). Węgiel aktywny stosowany jest też w odświeżaczach powietrza w lodówkach. W wojsku z kolei używa się go w maskach przeciwgazowych czy w systemach oczyszczania powietrza.

Węgiel aktywny wygląda dość niepozornie - jak sadza, czarny proszek, ziarna bądź granule. Materiał ten ma jednak niezwykłe właściwości - znajdują się w nim niewidoczne gołym okiem pory - takie jak w gąbce, ale nawet milion razy mniejsze. Porów jest niezwykle dużo i są bardzo małe. Tak więc gdyby uwzględnić całą powierzchnię węgla aktywnego, który zmieści się na łyżeczce (ok. 3 g), może ona mieć nawet wymiary zwykłego boiska do piłki nożnej (ponad 7 tys. m²).

Nie miałoby to pewnie większego znaczenia, gdyby nie inna właściwość węgla aktywnego - jego zdolności adsorpcyjne. Węgiel jest w stanie pochłaniać z ośrodka, w którym się znajduje - np. z wody czy z powietrza - pewne szczególne cząsteczki. Kiedy w pory węgla dostaną się zanieczyszczenia, związki organiczne, czy dwutlenek węgla, trudno im się już z materiału wydostać. Cząsteczki wody, azotu czy tlenu natomiast w temperaturze pokojowej nie wiążą się na powierzchni węgla tak łatwo. Im większa jest powierzchnia właściwa węgla, która styka się z powietrzem, tym więcej cząsteczek jest przez niego zatrzymywanych. Dzięki temu zanieczyszczenia można wychwytywać ze środowiska i utylizować później, w dogodnych do tego warunkach. "Jeżeli nie zmienimy warunków przechowywania, substancje mogą pozostawać w węglu aktywnym nieskończenie długo" – powiedział prof. Choma.

Węgiel aktywny w przemyśle otrzymuje się z drewna, węgla kamiennego czy torfu, jednak badacze zastanawiają się nad wykorzystaniem w tym procesie produkcyjnym innych materiałów, np. odpadowych. Naukowcy z WAT wspólnie z kolegami pracującymi w Stanach Zjednoczonych (prof. Mieczysławem Jarońcem z Kent State University i jego doktorantami) pokazali, jak na węgiel aktywny przetworzyć niepotrzebne płyty CD i DVD. "Z płytek CD i DVD można otrzymywać równie dobre, a może nawet lepsze węgle aktywne niż z innych materiałów" - zaznaczył prof. Choma.

"Jeden z moich doktorantów, mgr inż. Łukasz Osuchowski, zaproponował metodę preparacji płyt CD i DVD - usunięcia wierzchniej warstwy metalicznej" - powiedział chemik. Metaliczną powłokę można usunąć z płytek za pomocą kwasu solnego. Dzięki temu pozostaje tylko podłoże z poliwęglanów, czyli polimerów, w których skład wchodzą związki węgla.

Materiał poliwęglanowy rozdrabnia się, a następnie karbonizuje, a więc usuwa z jego struktury pierwiastki inne niż węgiel, m.in. wodór czy tlen. Uzyskuje się to w wysokiej temperaturze, w środowisku beztlenowym (w powietrzu węgiel by się spalił). Prof. Choma wyjaśnił, że metoda karbonizacji to nic nowego - znana jest od wieków. Karbonizację prowadzi się np. kiedy z drewna otrzymuje się węgiel drzewny wykorzystywany do grillowania.

Aby aktywować węgiel, a więc nadać mu bardziej rozwiniętą porowatą strukturę, należy go w wysokiej temperaturze wygrzać przy odpowiednim dodatku aktywatora np. pary wodnej, dwutlenku węgla czy wodorotlenku potasu. Powstający w tych warunkach CO2 i inne produkty reakcji przyczyniają się do rozwinięcia tej porowatości. Cała sztuka polega na tym, aby dobrać warunki tego procesu tak, aby pory były jak najmniejsze i żeby było ich jak najwięcej.

Prof. Choma poinformował, że jego zespołowi udaje się uzyskiwać węgiel o bardzo niewielkich, a więc bardzo pożądanych porach o wielkości mniejszej od 0,7 nanometra (1 nanometr jest milion razy mniejszy od 1 milimetra). Powierzchnia 1 grama węgla aktywnego z WAT ma nawet 2 - 3 tys. m2. "Zbliżamy się do górnej granicy wartości powierzchni właściwej porowatych materiałów" – powiedział rozmówca. Dla przykładu podał, że węgle aktywne dostępne na rynku mają niekiedy dwu- czy nawet trzykrotnie mniejszą powierzchnię właściwą.

Podobną metodę stosować można również i w recyklingu innych materiałów sztucznych, np. żywic fenolowo-formaldehydowych czy butelek z poli(tereftalanu etylenu) - PET. Badania w WAT mają też pokazać, jak przydatny byłby węgiel aktywny w usuwaniu zanieczyszczeń - np. barwników z wody.

Badania są realizowane w ramach grantu z programu OPUS 5 Narodowego Centrum Nauki.

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl