Prof. Agnieszka Ruppert z Instytutu Chemii Ogólnej i Ekologicznej Wydziału Chemicznego PŁ otrzymała finansowanie w wysokości niemal 1,4 mln zł w konkursie NCN OPUS 30 na realizację projektu „Kataliza na styku dwóch światów polimerów: droga do wysokowartościowych produktów poprzez katalityczną waloryzacje polimerów syntetycznych i naturalnych”.
W rozmowie z ŻU prof. Agnieszka Ruppert opowiada o celu projektu, naukowych wyzwaniach i potencjalnych zastosowaniach prowadzonych badań.
Rozmawiamy o projekcie, którego tytuł mówi o „dwóch światach polimerów”. Co właściwie je łączy?
Plastik i biomasa roślinna wydają się materiałami z dwóch zupełnie różnych światów. Jeden jest symbolem masowej produkcji i zanieczyszczania środowiska, drugi naturalnych procesów zachodzących w roślinach. Łączy je coś istotnego: oba zawierają związki chemiczne, które można ponownie wykorzystać, choć dziś ich potencjał w dużej mierze pozostaje niewykorzystany. Mimo że są to bardzo różne materiały, oba zawierają pierścienie aromatyczne połączone wiązaniami z udziałem tlenu. Ta wspólna cecha strukturalna stwarza możliwość opracowania uniwersalnej strategii katalitycznej, którą można dostosować do przekształcania obu rodzajów odpadów.
Prof. Agnieszka Ruppert
foto: arch. prywatne
Zacznijmy od PET, dlaczego jest interesujący z punktu widzenia chemika?
Plastik PET, znany przede wszystkim z produkcji butelek i opakowań, jest wprawdzie poddawany recyklingowi, jednak znaczna część tego materiału nadal trafia na składowiska lub do procesów, które nie pozwalają na pełne odzyskanie jego wartości chemicznej. Tymczasem struktura PET stanowi cenne źródło związków chemicznych, które mogą zostać odzyskane i wykorzystane do syntezy nowych materiałów oraz produktów.
Drugim bohaterem projektu jest lignina. Co tracimy, spalając ją zamiast wykorzystywać jej potencjał?
Lignina, jeden z głównych składników biomasy roślinnej, jest często spalana w celu uzyskania energii, mimo że stanowi cenne źródło związków aromatycznych. Chcemy spojrzeć na nią inaczej – nie jak na materiał, którego należy się pozbyć, ale jak na surowiec, z którego można otrzymać wartościowe produkty.
Jak można zatem odzyskać z tych materiałów to, co najcenniejsze?
Nasz projekt zakłada opracowanie nowych katalizatorów, które pozwolą kontrolować rozkład zarówno syntetycznych, jak i naturalnych polimerów, a następnie przekształcać je w użyteczne substancje chemiczne. Zamiast traktować zużyty plastik czy biomasę jako odpady, chcemy potraktować je jak surowce, z których można wyprodukować cenne związki chemiczne.
Co sprawia, że właśnie katalizator jest kluczowym elementem tego procesu?
Katalizator nie tylko umożliwia zajście reakcji chemicznej, ale także pozwala kontrolować, które wiązania zostaną rozerwane i jakie produkty powstaną. W naszych badaniach jego zadaniem jest selektywne rozrywanie wybranych wiązań w strukturze PET i ligniny. Dzięki temu te złożone, wielkocząsteczkowe materiały mogą być przekształcane w mniejsze związki o ściśle określonych właściwościach, znajdujące zastosowanie między innymi w produkcji nowych tworzyw sztucznych, przemyśle chemicznym oraz syntezie cennych związków aromatycznych.
Czy największym wyzwaniem jest więc samo rozłożenie polimeru?
Sama depolimeryzacja nie jest wystarczająca. Obecnie stosowane metody recyklingu PET prowadzą najczęściej do odzyskania podstawowych składników, z których tworzywo zostało wcześniej wyprodukowane. W przypadku ligniny często uzyskuje się natomiast mieszaniny produktów o stosunkowo niewielkiej wartości. Nowatorskość proponowanych badań polega na odejściu od samego odzyskiwania prostych związków i ukierunkowaniu procesu na otrzymywanie bardziej wartościowych, odpowiednio funkcjonalizowanych produktów, takich jak diole i związki aromatyczne. Zastosowanie katalizatora może przy tym umożliwić prowadzenie reakcji w łagodniejszych warunkach i ograniczyć powstawanie niepożądanych produktów ubocznych. Celem badań jest zatem nie tylko rozkład PET i ligniny, ale przede wszystkim takie zaprojektowanie katalizatora, aby kierował reakcją w stronę konkretnych związków o wysokiej wartości użytkowej.
To wymaga bardzo precyzyjnego projektowania materiału katalitycznego. Jak zamierzają Państwo osiągnąć taką kontrolę?
W projekcie wykorzystamy nową metodologię umożliwiającą precyzyjne kontrolowanie wielkości krystalitów nanocząstek oraz sposobu ich rozmieszczenia na powierzchni nośnika. Następnie, dzięki zaawansowanym metodom charakterystyki fizykochemicznej, będziemy mogli dokładnie sprawdzić, jak budowa katalizatora wpływa na przebieg reakcji.
Projekt jest realizowany wspólnie z Uniwersytetem Chemii i Technologii w Pradze.
Łączymy kompetencje dwóch zespołów badawczych. Naukowcy z Politechniki Łódzkiej wnoszą doświadczenie w kontrolowanej syntezie nanocząstek, natomiast zespół z praskiej uczelni specjalizuje się w projektowaniu materiałów mezoporowatych o odpowiednio dobranych właściwościach kwasowo-zasadowych. To połączenie pozwoli nam projektować katalizatory o właściwościach dopasowanych do konkretnych przemian chemicznych.
Czy wyniki projektu mogą zmienić sposób, w jaki patrzymy na odpady z tworzyw sztucznych i biomasę?
Ostatecznym celem jest nie tylko znalezienie sposobu na wykorzystanie dwóch problematycznych strumieni odpadów. Chodzi o stworzenie podstaw dla nowego podejścia do chemii, w którym zużyty plastik i biomasa nie kończą swojego życia na składowisku lub w piecu, lecz stają się źródłem surowców do produkcji nowych materiałów i cennych substancji chemicznych. Główna nowość proponowanych badań polega na połączeniu selektywnego działania katalizatora, wykorzystaniu podobieństw w strukturze PET i ligniny oraz ukierunkowaniu procesu na otrzymywanie produktów o większej wartości. Połączenie katalizy, nanotechnologii i wiedzy o strukturze materiałów może w ten sposób otworzyć drogę do bardziej efektywnego recyklingu oraz rozwoju chemii opartej na zasadach gospodarki obiegu zamkniętego.
