Дослідження деградації відходів одноразових полімерних виробів і розробка каталізаторів їх низькотемпературної деполімеризації
| dc.contributor.advisor | Левандовський, Ігор Анатолійович | |
| dc.contributor.author | Павловський, Денис Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2026-08-17T07:07:41Z | |
| dc.date.available | 2026-08-17T07:07:41Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | Павловський Д.О. Дослідження деградації відходів одноразових полімерних виробів і розробка каталізаторів їх низькотемпературної деполімеризації. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 161 Хімічні технології та інженерія. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена вивченню процесів деградації одноразових полімерних виробів, оцінці утворення мікро- та нанопластикових частинок у модельних середовищах, а також розробленню ефективних каталітичних систем для низькотемпературної деполімеризації пластикових відходів. Метою дисертаційної праці є екологічна оцінка одноразових полімерних виробів на основі принципів «зеленої хімії», дослідження особливостей їх деградації, а також синтез і встановлення структури та властивостей нових каталізаторів для низькотемпературної деполімеризації відходів з метою зменшення їх екологічного впливу та підвищення ефективності перероблення. У першому розділі дисертаційної праці проведено комплексний теоретичний аналіз одноразових полімерних виробів, зокрема їх технології виробництва, перероблення та оцінки впливу на навколишнє середовище. Розглянуто сегментацію ринку за типами пластикових виробів та полімерною сировиною, визначено основні види полімерів і їхнє застосування у виготовленні одноразових полімерних продуктів. Окремо проаналізовано класи хімічних добавок, що використовуються в полімерних матеріалах, та їх функціональну роль у властивостях полімерних виробів. Детально описано хімічний склад функціональних добавок для широкого переліку різних категорій одноразових полімерних виробів, зокрема столових приборів, склянок, полімерних соломок і паличок для перемішування, полімерних плівок, паковання, харчової тари, пакетів, а також пластикових пляшок імедичних виробів. Визначено особливості деградації одноразових полімерних матеріалів, механізми утворення та вивільнення мікро- та нанопластикових частинок під впливом механічної деструкції, фотодеградації та окиснення. Особлива увага приділена деградації медичних полімерних відходів у контексті їх масового використання під час пандемії COVID-19 і воєнних дій в Україні. Також розглянуто сучасні методи перероблення одноразових полімерних матеріалів, зокрема механічне та хімічне перероблення, каталізований рециклінг, зокрема крекінг і деполімеризацію, а також новітні підходи до синтезу каталізаторів для низькотемпературної деполімеризації полімерів. У другому розділі праці викладено методологію експериментального дослідження, що включає характеристику об’єктів дослідження та застосованих матеріалів. Описано використані модельні середовища, реагенти та допоміжні компоненти, які забезпечували реалізацію експериментальних досліджень. Детально описано методику проведення синтезу та визначення основних фізико-хімічних властивостей каталізаторів (структура, кристалічність та адсорбційні властивості), призначених для перероблення полімерних матеріалів. Описано методику для моделювання процесів деградації полімерних виробів у навколишньому середовищі в лабораторних умовах. Для аналізу деградації полімерних виробів застосовано різноманітні методи, зокрема інфрачервону спектроскопію (ІЧ), сканувальну електронну мікроскопію (СЕМ), метод динамічного розсіювання світла (ДРС). Також здійснено багатокритеріальну кількісну оцінку екологічних показників виробництва полімерних виробів з використанням теоретичного аналітичного інструменту AGREEMIP, що дозволило врахувати ключові параметри ресурсо- та енергоефективності, токсичності сировини та утворення відходів. Описана методика з оцінки виходу цільових продуктів перероблення полімерного матеріалу за допомогою газової хроматографії з масспектрометрією (ГХ–МС), що дозволило детально проаналізувати склад продуктів каталітичного розкладу. У третьому розділі здійснено оцінку екологічного профілю одноразових полімерних виробів із застосуванням аналітичного індексу оцінки екологічних показників виробництва полімерних виробів AGREEMIP (mostwiedzy.pl/agreemip.), яка виявила суттєві відмінності, що залежать від хімічного складу, технології виготовлення та особливостей екологічності матеріалів. Підхід з використанням програми AGREEMIP дозволив кількісно оцінити екологічну безпечність і технологічну ефективність процесу на основі багатопараметричного аналізу ресурсоспоживання, відходоутворення, енерговитрат і показників продуктивності. Найнижчі показники екологічної безпеки отримали вироби, що характеризуються високою хімічною стійкістю, низькою здатністю до біодеградації та значним вмістом шкідливих функціональних добавок. Ранжування одноразових полімерних виробів за критеріями AGREEMIP свідчить про покращення екологічних характеристик у наступному порядку: контейнери для їжі < пластикові ємності < склянки і тарілки < соломинки для напоїв та палички для перемішування < пластикові пакети. Аналіз одноразових медичних рукавичок за екологічною безпекою показав послідовність: латекс < неопрен < вініл < акрил/нітрил. Визначено актуальність подальших досліджень щодо механізмів вивільнення мікро- та нанопластикових частинок з полімерних виробів, а також необхідність розроблення методів перероблення полімерних відходів, зокрема крекінгу з використанням сучасних каталізаторів, що сприятимуть оптимізації процесів перероблення відходів з полімерів та мінімізації екологічного навантаження. Проведено дослідження деградаційних змін одноразових нітрилових і латексних рукавичок після тривалої експозиції у водному підкисленому середовищі (30 діб). Установлено, що обидва типи полімерів зазнають виражених морфологічних і хімічних трансформацій. За даними сканувальної електронної мікроскопії виявлено утворення мікротріщин, ерозійних ділянок і підвищення шорсткості поверхні, що свідчить про структурну нестабільність матеріалів. Методом ІЧ-спектроскопії підтверджено зміну хімічного складу: для латексу зафіксовано зниження інтенсивності смуг, характерних дляаліфатичних С–Н та С=C зв’язків, а також посилення поглинання в області 3400 с⁻¹, що вказує на утворення гідрофільних функціональних груп (–OH, – COOH). У нітриловому полімері спостерігалося ослаблення сигналу нітрильних груп (~2230 см⁻¹) та зростання карбонільного поглинання (~1600– 1700 см⁻¹), що свідчить про гідролітичну деструкцію полімерної матриці та ймовірне вивільнення низькомолекулярних добавок. Проведено порівняльний аналіз вивільнення нано- та мікрочастинок пластику з одноразових латексних і нітрилових рукавичок після тривалої експозиції у водному середовищі методом динамічного розсіювання світла (ДРС). Установлено, що для латексу характерний багатопіковий розподіл за інтенсивністю з домінуванням частинок ~2627 нм (57,1 %), а також наявністю фракцій ~487 нм (21,7 %) та ~4901 нм (21,3 %), при середньому гідродинамічному діаметрі (Z-Average) 1692 нм і високому індексі полідесперсності (PDI 0,747), що вказує на значну полідисперсність і формування агломератів. За об’ємним розподілом для латексу переважають частинки розміром ~3813 нм (98,8 %). Нітрилові рукавички демонструють простішу структуру розподілу: за інтенсивністю переважають частинки ~3077 нм (100 %), без додаткових фракцій, а за об’ємом становлять ~3734 нм (100 %), при значно нижчому PDI 0,291 та Z-Average 2422 нм, що свідчить про вищу однорідність частинок і кращу стабільність полімерної структури. Проведено дослідження процесу вивільнення мікро- та нанопластикових частинок з полімерних виробів на прикладі пляшечки для дитячої суміші з поліпропілену (ПП) та пляшки для вживання напоїв з полікарбонату (ПК). Установлено, що під впливом змодельованих умов використання (періодичного миття із застосуванням механічного чищення, тривалість 14– 21 доба) з поліпропілену вивільняються частинки ламелярної морфології та фрагментовані частинки з вираженими поверхневими дефектами (тріщини, пори, нерівності), що свідчить про низьку стійкість матеріалу та високу схильність до генерації різнорозмірного мікропластику. Полікарбонат, навпаки, формує більш однорідні, округлі частинки з гладкою поверхнею таменшою кількістю фрагментів, що вказує на його підвищену механічну міцність і стійкість до руйнування в змодельованих умовах. У четвертому розділі здійснено синтез і проведено структурноморфологічний та фізико-хімічний аналіз каталізаторів для низькотемпературної деполімеризації виробів. Проведено детальний аналіз синтезованих каталізаторів на основі алюмосилікатів із вивченням їхньої структури та кристалічних властивостей. Оцінено ефективність нових каталізаторів у процесах низькотемпературної деполімеризації, що демонструє перспективність їх застосування для перероблення полімерних відходів. Вперше обґрунтовано та експериментально підтверджено можливість проведення каталітичного крекінгу полістиролу за аномально низьких температур (165–205 °С) порівняно з традиційним термічним крекінгом (500–550 °С), що значно знижує енерговитрати. Запропоновано використання синтетичних (ZSM-5, USY, CaY) та природних (сокирницький клиноптилоліт) алюмосилікатів, модифікованих перехідними металами (нікель і кобальт), як ефективних і недорогих замінників металів платинової групи. Вперше показано, що кислотно-активований природний цеоліт України (Zeo-1) продемонстрував ефективність, співмірну або вищу за синтетичні аналоги, забезпечуючи сумарний вихід цільових продуктів до 72,05 % та високу селективність щодо метилстиролу (32,45 %). Виявлено вплив природи модифікатора на селективність. Установлено, що введення нікелю (NiHY) сприяє максимальному виходу рідкої фракції (70,3 %) та стиролу (47,37 %), тоді як при модифікації кобальтом (CoHY, CoNiHY) посилюються процеси гідрування, що дозволяє отримувати значну кількість етилбензолу та метилстиролу. Запропоновано гетеролітичний механізм розриву зв’язків C–C на поверхні кислотних центрів каталізаторів через утворення карбонієвих та карбенієвих іонів, що пояснює формування специфічного складу продуктів (стиролу, його димерів, метилстиролу та етилбензолу) за низьких температур. Установлено вплив умов проведення процесу (атмосферний тиск, вакуум або водневе середовище) на склад продуктів, зокрема виявлено, що атмосфера водню збільшує вихід цінних компонентів до 78 %, хоча й дещо знижує загальний вихід рідкої фази. Наукова новизна роботи полягає у наступному: Застосовано інструмент екологічної оцінки AGREEMIP для комплексного аналізу екологічної безпеки технологічного процесу виробництва та використання одноразових полімерних виробів. Сумарний індекс екологічної безпеки для вивчених полімерних матеріалів збільшується в напрямку: одноразові пластикові контейнери для їжі (0.28) > одноразові склянки та тарілки (0.39) > палички для перемішування та соломинки для напоїв (0.4) > пластикові пакети (0.42) > пластикові сумки (0,52) > поліетиленові пакети, не призначені для одноразового використання (0.58) > полімерне паковання одноразового використання (0.62). Сумарний індекс екологічної безпеки для одноразових медичних рукавичок зростає в ряду: нітрил (0.28)/акрил (0.31) > вініл (0.43) > неопрен (0.47) > латекс (0.52). Досліджено вивільнення мікро- та нанопластикових частинок із виробів із поліпропілену та полікарбонату при моделюванні умов їх використання. На основі результатів дослідження морфології поверхні методом сканувальної електронної мікроскопії встановлено, що поліпропілен характеризується високою схильністю до фрагментації з утворенням частинок різноманітної морфології та широкого розподілу за розмірами, тоді як полікарбонат утворює більш однорідні частинки округлої форми з вужчим діапазоном розмірів, що свідчить про його вищу механічну стійкість в експлуатаційних умовах. Кількісно охарактеризовано гідродинамічні параметри та полідисперсність вивільнених частинок. Для поліпропілену (ПП) характерна полідисперсність частинок (індекс полідисперсності PDI = 0,537), широкий розподіл за розмірами та утворення як дрібних наночастинок (~350–392 нм), так і великих агрегатів (~3000–3777 нм). Для полікарбонату (ПК) полідисперсність вища (індекс полідисперсності PDI = 0,734), основна частиначастинок (~969 нм) становила 96,4 % за об’ємом, що свідчить про відносну однорідність утворених частинок і меншу схильність матеріалу до фрагментації на нанорівні. З використанням методу динамічного розсіювання світла, ІЧспектрального аналізу та мікроскопічних досліджень проведено комплексний порівняльний аналіз вивільнення нанопластикових частинок з одноразових полімерних рукавичок з латексу та нітрилу після тривалої експозиції (30 діб) у модельному водному середовищі (водний розчин оцтової кислоти (pH = 4,5) з додаванням 0,9 % NaCl, що моделює умови підкисленого ґрунту або солонуватих вод. Установлено, що латекс утворює полідисперсні частинки з багатомодальним розподілом (інтенсивно-зважене середнє гідродинамічне значення = 1692 нм, індекс полідисперсності PDI = 0,747), тоді як нітрил характеризується монотипним розподілом (інтенсивно-зважене середнє гідродинамічне значення = 2422 нм, індекс полідисперсності (PDI) = 0,291), що вказує на вищу структурну стабільність нітрилового полімеру. Обґрунтовано та реалізовано процес каталітичного розкладу полістиролу за аномально низьких температур (165–205 °C), що значно нижче за традиційний термічний крекінг (500–550 °C). Доведено, що кислотноактивований природний цеоліт України (Сокирницьке родовище) забезпечує вихід цільових продуктів до 72,05 %, демонструючи ефективність, співмірну або вищу за дорогі синтетичні аналоги (ZSM-5, USY). Установлено селективну дію перехідних металів: введення нікелю (Ni) збільшує вихід стиролу (47,37 %), тоді як кобальт (Co) виступає ефективним агентом гідрування, сприяючи утворенню етилбензолу та метилстиролу. Запропоновано та теоретично підтверджено гетеролітичний шлях розриву зв’язків C–C через утворення карбонієвих та карбенієвих іонів, що пояснює перебіг реакції за низьких температур. Виявлено, що поєднання зниженого тиску або водневого середовища з алюмосилікатними каталізаторами дозволяє контролювати склад продуктів, збільшуючи частку цінних мономерів до 78 %.Практична значимість полягає у наступному: Отримані результати можуть бути використані для формування рекомендацій щодо вибору екологічно безпечніших одноразових полімерних виробів та вдосконалення підходів до їх сортування, утилізації й повторного використання. Проведена екологічна оцінка полімерних матеріалів створює підґрунтя для розроблення нормативних критеріїв оцінювання безпеки одноразових виробів у контексті циркулярної економіки та мінімізації пластикового забруднення. Встановлені закономірності утворення мікро- та нанопластикових частинок із поліпропілену, полікарбонату, латексу та нітрилу можуть бути використані для прогнозування поведінки полімерних матеріалів у водних середовищах, оцінки ризиків вторинного забруднення та створення методів екотестування полімерної продукції. Виявлені відмінності у морфології, полідисперсності та стабільності частинок дозволяють оцінювати довговічність і безпечність полімерних матеріалів під час експлуатації. Запропонований низькотемпературний підхід до каталітичної деполімеризації полістиролу може бути впроваджений у технології перероблення пластикових відходів для зменшення енерговитрат і підвищення ефективності одержання цінної хімічної сировини. Використання доступних природних цеолітів та перехідних металів замість дорогих каталізаторів сприяє зниженню собівартості процесу та створює перспективи для розроблення мобільних установок локальної утилізації полістирольних відходів. | |
| dc.description.abstractother | Pavlovsky D.O. Research on the degradation of waste disposable polymer products and the development of catalysts for their low-temperature depolymerization. - Qualification scientific work (manuscript). Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 161 Chemical Technology and Engineering. - National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2026. The dissertation is devoted to the study of the degradation processes of disposable polymer products, the assessment of the formation of micro- and nanoplastic particles in model environments, as well as the development of effective catalytic systems for low-temperature depolymerization of plastic waste. The purpose of the dissertation is the environmental assessment of disposable polymer products based on the principles of "green chemistry", the study of the features of their degradation, as well as the synthesis and establishment of the structure and properties of new catalysts for low-temperature depolymerization of waste in order to reduce their environmental impact and increase the efficiency of recycling. The first section of the dissertation provides a comprehensive theoretical analysis of disposable polymer products, including their production, processing, and environmental impact assessment technologies. The market segmentation by types of plastic products and polymer raw materials is considered, the main types of polymers and their application in the manufacture of disposable polymer products are identified. The classes of chemical additives used in polymer materials and their functional role in the properties of polymer products are separately analyzed. The chemical composition of functional additives for a wide range of different categories of disposable polymer products is described in detail, including cutlery, glasses, polymer straws and stirrers, polymer films, packaging, food containers, bags, as well as plastic bottles and medical devices. The features of the degradation of disposable polymer materials are determined, the mechanisms of formation and release of micro- and nanoplastic particles under the influence of mechanical destruction, photodegradation, and oxidation. Special attention is paid to the degradation of medical polymer waste in the context of their mass use during the COVID-19 pandemic and military operations in Ukraine. Modern methods of recycling disposable polymer materials are also considered, including mechanical and chemical processing, catalyzed recycling, including cracking and depolymerization, as well as new approaches to the synthesis of catalysts for low-temperature depolymerization of polymers. The second section of the work presents the methodology of the experimental study, which includes the characteristics of the research objects and the materials used. The model environments, reagents and auxiliary components used to implement the experimental studies are described. The methodology for the synthesis and determination of the main physicochemical properties of catalysts (structure, crystallinity and adsorption properties) intended for the processing of polymer materials is described in detail. The methodology for modeling the degradation processes of polymer products in the environment under laboratory conditions is described. Various methods were used to analyze the degradation of polymer products, in particular infrared spectroscopy (IR), scanning electron microscopy (SEM), and the dynamic light scattering (DLS) method. A multi-criteria quantitative assessment of the environmental indicators of the production of polymer products was also carried out using the theoretical analytical tool AGREEMIP, which allowed taking into account the key parameters of resource and energy efficiency, toxicity of raw materials and waste generation. The method for assessing the yield of target products of polymer material processing using gas chromatography with mass spectrometry (GC–MS) is described, which allowed for a detailed analysis of the composition of catalytic decomposition products. In the third section, the environmental profile of disposable polymer products was assessed using the analytical index for assessing environmental performance of polymer product production AGREEMIP (mostwiedzy.pl/agreemip.), which revealed significant differences depending on the chemical composition, manufacturing technology and environmental characteristics of the materials. The approach using the AGREEMIP program allowed for a quantitative assessment of the environmental safety and technological efficiency of the process based on a multiparameter analysis of resource consumption, waste generation, energy consumption and productivity indicators. The lowest environmental safety indicators were obtained for products characterized by high chemical resistance, low biodegradability and a significant content of harmful functional additives. The ranking of disposable polymer products according to the AGREEMIP criteria indicates an improvement in environmental performance in the following order: food containers < plastic containers < cups and plates < straws and chopsticks for drinks < plastic bags. Analysis of disposable medical gloves according to environmental safety showed the sequence: latex < neoprene < vinyl < acrylic/nitrile. The relevance of further research into the mechanisms of release of micro- and nanoplastic particles from polymer products was determined, as well as the need to develop methods for processing polymer waste, in particular cracking using modern catalysts, which will help optimize the processes of recycling polymer waste and minimize the environmental load. A study of the degradation changes of disposable nitrile and latex gloves after prolonged exposure to an aqueous acidified environment (30 days) was conducted. It was found that both types of polymers undergo pronounced morphological and chemical transformations. According to scanning electron microscopy, the formation of microcracks, erosion areas and increased surface roughness were detected, which indicates the structural instability of the materials. IR spectroscopy confirmed a change in the chemical composition: for latex, a decrease in the intensity of the bands characteristic of aliphatic C–H and C=C bonds was recorded, as well as an increase in absorption in the region of 3400 cm⁻¹, which indicates the formation of hydrophilic functional groups (–OH, –COOH). In the nitrile polymer, a weakening of the signal of nitrile groups (~2230 cm⁻¹) and an increase in carbonyl absorption (~1600–1700 cm⁻¹) were observed, which indicates hydrolytic destruction of the polymer matrix and the probable release of low-molecular additives. A comparative analysis of the release of nano and micro plastic particles from disposable latex and nitrile gloves after prolonged exposure in an aqueous environment was performed using the dynamic light scattering (DLS) method. It was found that latex is characterized by a multi-peak intensity distribution with a dominance of particles ~2627 nm (57.1 %), as well as the presence of fractions ~487 nm (21.7 %) and ~4901 nm (21.3 %), with an average hydrodynamic diameter (Z-Average) of 1692 nm and a high polydispersity index (PDI 0.747), which indicates significant polydispersity and the formation of agglomerates. In terms of volume distribution, latex is dominated by particles with a size of ~3813 nm (98.8 %). Nitrile gloves show a simpler distribution structure: particles of ~3077 nm (100 %) dominate in intensity, without additional fractions, and by volume they are ~3734 nm (100 %), with a significantly lower PDI of 0.291 and Z-Average of 2422 nm, indicating higher particle homogeneity and better stability of the polymer structure. The process of releasing micro- and nanoplastic particles from polymer products was studied using a polypropylene (PP) baby bottle for infant formula and a polycarbonate (PC) drinking bottle as an example. It was found that under the influence of simulated conditions of use (periodic washing with mechanical cleaning, duration 14-21 days), particles of lamellar morphology and fragmented particles with pronounced surface defects (cracks, pores, irregularities) are released from polypropylene, which indicates low material stability and high tendency to generate microplastics of various sizes. Polycarbonate, on the contrary, forms more uniform, rounded particles with a smooth surface and a smaller number of fragments, which indicates its increased mechanical strength and resistance to fracture under simulated conditions. In the fourth section, the synthesis and structural-morphological and physicochemical analysis of catalysts for low-temperature depolymerization of products were carried out. A detailed analysis of the synthesized catalysts based on aluminosilicates was carried out with the study of their structure and crystalline properties. The efficiency of new catalysts in low-temperature depolymerization processes was assessed, which demonstrates the prospects of their application for the processing of polymer waste. For the first time, the possibility of catalytic cracking of polystyrene at anomalously low temperatures (165 – 205 °С) was substantiated and experimentally confirmed, compared to traditional thermal cracking (500 – 550 °С), which significantly reduces energy consumption. The use of synthetic (ZSM-5, USY, CaY) and natural (Sokyrnytsky clinoptilolite) aluminosilicates modified with transition metals (nickel and cobalt) as effective and inexpensive substitutes for platinum group metals was proposed. It is shown for the first time that the acid-activated natural zeolite of Ukraine (Zeo-1) demonstrated efficiency comparable to or higher than synthetic analogues, providing a total yield of target products up to 72.05 % and high selectivity towards methylstyrene (32.45 %). The influence of the nature of the modifier on selectivity was revealed. It was found that the introduction of nickel (NiHY) contributes to the maximum yield of the liquid fraction (70.3 %) and styrene (47.37 %), while when modified with cobalt (CoHY, CoNiHY), hydrogenation processes are enhanced, which allows obtaining a significant amount of ethylbenzene and methylstyrene. A heterolytic mechanism of breaking C–C bonds on the surface of the acid centers of the catalysts due to the formation of carbonium and carbenium ions is proposed, which explains the formation of a specific composition of products (styrene, its dimers, methylstyrene and ethylbenzene) at low temperatures. The influence of the process conditions (atmospheric pressure, vacuum, or hydrogen environment) on the composition of the products was established. In particular, it was found that a hydrogen atmosphere increases the yield of valuable components up to 78 %, although it also slightly reduces the total yield of the liquid phase. The scientific novelty of the work is as follows: The AGREEMIP environmental assessment tool was used for a comprehensive analysis of the environmental safety of the technological process of production and use of disposable polymer products. The total environmental safety index for the studied polymer materials increases in the following direction: disposable plastic food containers (0.28) > disposable cups and plates (0.39) > stirring sticks and drinking straws (0.4) > plastic bags (0.42) > plastic bags (0.52) > polyethylene bags not intended for single use (0.58) > single-use polymer packaging (0.62). The total environmental safety index for disposable medical gloves increases in the following order: nitrile (0.28)/acrylic (0.31) > vinyl (0.43) > neoprene (0.47) > latex (0.52). The release of micro- and nanoplastic particles from polypropylene and polycarbonate products under simulated conditions of use was investigated. Based on the results of the surface morphology study using scanning electron microscopy, it was found that polypropylene is characterized by a high tendency to fragmentation with the formation of particles of various morphology and a wide size distribution, while polycarbonate forms more homogeneous particles of a rounded shape with a narrower size range, which indicates its higher mechanical stability under operational conditions. The hydrodynamic parameters and polydispersity of the released particles were quantitatively characterized. Polypropylene (PP) is characterized by particle polydispersity (polydispersity index PDI = 0.537), a wide size distribution, and the formation of both small nanoparticles (~350–392 nm) and large aggregates (~3000– 3777 nm). For polycarbonate (PC), the polydispersity is higher (polydispersity index PDI = 0.734), the bulk of the particles (~969 nm) was 96.4% by volume, which indicates the relative homogeneity of the formed particles and the lower tendency of the material to fragmentation at the nanolevel. Using the method of dynamic light scattering, IR spectral analysis and microscopic studies, a comprehensive comparative analysis of the release of nanoplastic particles from disposable polymer gloves made of latex and nitrile after prolonged exposure (30 days) in a model aquatic environment (aqueous solution of acetic acid (pH = 4.5) with the addition of 0.9% NaCl, which simulates the conditions of acidified soil or brackish waters) was carried out. It was found that latex forms polydisperse particles with a multimodal distribution (intensityweighted average hydrodynamic value = 1692 nm, polydispersity index PDI = 0.747), while nitrile is characterized by a monotypic distribution (intensity-weighted average hydrodynamic value = 2422 nm, polydispersity index (PDI) = 0.291), which indicates a higher structural stability of nitrile polymer. The process of catalytic decomposition of polystyrene at anomalously low temperatures (165–205 °C), which is significantly lower than traditional thermal cracking (500–550 °C), has been substantiated and implemented. It has been proven that acid-activated natural zeolite of Ukraine (Sokyrnytske deposit) provides a yield of target products up to 72.05%, demonstrating an efficiency comparable to or higher than expensive synthetic analogues (ZSM-5, USY). The selective effect of transition metals has been established: the introduction of nickel (Ni) increases the yield of styrene (47.37%), while cobalt (Co) acts as an effective hydrogenation agent, promoting the formation of ethylbenzene and methylstyrene. A heterolytic pathway of C–C bond cleavage through the formation of carbonium and carbenium ions has been proposed and theoretically confirmed, which explains the course of the reaction at low temperatures. It has been found that the combination of reduced pressure or hydrogen environment with aluminosilicate catalysts allows you to control the composition of products, increasing the proportion of valuable monomers to 78%. The practical significance is as follows: The results obtained can be used to formulate recommendations for choosing environmentally safer disposable polymer products and improving approaches to their sorting, recycling and reuse. The conducted environmental assessment of polymer materials creates a basis for developing regulatory criteria for assessing the safety of disposable products in the context of a circular economy and minimizing plastic pollution. The established patterns of the formation of micro- and nanoplastic particles from polypropylene, polycarbonate, latex and nitrile can be used to predict the behavior of polymer materials in aquatic environments, assess the risks of secondary pollution and create methods for eco-testing polymer products. The identified differences in the morphology, polydispersity and stability of particles allow assessing the durability and safety of polymer materials during operation. The proposed low-temperature approach to the catalytic depolymerization of polystyrene can be implemented in plastic waste recycling technologies to reduce energy consumption and increase the efficiency of obtaining valuable chemical raw materials. The use of available natural zeolites and transition metals instead of expensive catalysts helps reduce the cost of the process and creates prospects for the development of mobile plants for local utilization of polystyrene waste. | |
| dc.format.extent | 177 с. | |
| dc.identifier.citation | Павловський, Д. О. Дослідження деградації відходів одноразових полімерних виробів і розробка каталізаторів їх низькотемпературної деполімеризації : дис. … д-ра філософії : 161 Хімічні технології та інженерія / Павловський Денис Олександрович. - Київ, 2026. - 177 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/82486 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | полімери | |
| dc.subject | деградація полімерів | |
| dc.subject | мікро- та нанопластик | |
| dc.subject | наночастинки | |
| dc.subject | фотодеградація | |
| dc.subject | полімерні добавки | |
| dc.subject | очищення вод | |
| dc.subject | каталітична деполімеризація | |
| dc.subject | каталізатори | |
| dc.subject | сканувальна електронна мікроскопія | |
| dc.subject | дисперсії | |
| dc.subject | фізико-хімічні властивості | |
| dc.subject | оцінка життєвого циклу | |
| dc.subject | Polymers | |
| dc.subject | polymer degradation | |
| dc.subject | micro- and nanoplastics | |
| dc.subject | nanoparticles | |
| dc.subject | photodegradation | |
| dc.subject | polymer additives | |
| dc.subject | water purification | |
| dc.subject | catalytic depolymerization | |
| dc.subject | catalysts | |
| dc.subject | scanning electron microscopy | |
| dc.subject | dispersions | |
| dc.subject | physicochemical properties | |
| dc.subject | life cycle assessment | |
| dc.subject.udc | 678.7:66.095.26:66.097:504.054 | |
| dc.title | Дослідження деградації відходів одноразових полімерних виробів і розробка каталізаторів їх низькотемпературної деполімеризації | |
| dc.title.alternative | Research on the degradation of waste disposable polymer products and the development of catalysts for their low-temperature depolymerization | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Pavlovsky_dys.pdf
- Розмір:
- 10.65 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: