دانشمندان قابلیت بازیافت زباله های پلاستیکی را افزایش می دهند

توسط ساوانا میچم، آزمایشگاه ملی آرگون-14 مارس 2023 – اعتبار: مجله انجمن شیمی آمریکا

پلاستیک ها موادی باورنکردنی با ویژگی های ارزشمند برای عملکرد دنیای مدرن ما هستند. آنها قوی، انعطاف پذیر، همه کاره، طولانی مدت و ارزان هستند. به طور خاص، پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) در کاربردهای یکبار مصرف مانند بسته بندی و ظروف در همه جا وجود دارد. ممکن است دیده باشید که با عدد دو در داخل نماد مثلثی بازیافت برچسب زده شده است.

اما روش‌های تولید HDPE و روش‌های فعلی ما برای بازیافت آن، سلامت خود و سیاره ما را تهدید می‌کند. بسیاری از محصولات HDPE از سوخت های فسیلی (نفت خام، گاز طبیعی یا زغال سنگ) ساخته می شوند و دارای ردپای کربن عظیمی هستند. بیشتر زباله‌های HDPE به جای استفاده مجدد یا بازیافت، سوزانده می‌شوند، در محل‌های دفن زباله ریخته می‌شوند یا در محیط‌زیست زباله‌ها باقی می‌مانند. هنگامی که بازیافت می شود، کیفیت مواد کاهش می یابد.

دانشمندان مؤسسه بازچرخانی تجمیعی پلاستیک ها (iCOUP) در وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) روش جدیدی را برای بازیافت HDPE توسعه داده اند. دانشمندان iCOUP از آزمایشگاه ملی Argonne و دانشگاه کرنل با استفاده از یک رویکرد کاتالیزوری جدید، پلاستیک زباله HDPE را به ماده جدیدی تبدیل کردند که می‌تواند به طور مکرر بدون از دست دادن کیفیت بازیافت شود.

مقاله ای در مورد کار آنها در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است.

ماسیمیلیانو دلفرو از Argonne، دانشمندی در این مطالعه گفت: “پلاستیک ها برای همیشه با ما خواهند بود. آنها عملکردی را ارائه می دهند که هیچ ماده دیگری نمی تواند ارائه دهد. ما باید راه هایی برای کاهش اثرات مضر استفاده از پلاستیک با بهبود قابلیت بازیافت پیدا کنیم.”

رویکرد جدید این تیم HDPE استفاده شده را به یک ماده کاملاً قابل بازیافت و بالقوه زیست تخریب پذیر با همان خواص مکانیکی و حرارتی پلاستیک یکبار مصرف اولیه تبدیل می کند. اگر به طور گسترده اتخاذ شود، رویکردهایی مانند این در نهایت می تواند به کاهش انتشار کربن و آلودگی مرتبط با HDPE کمک کند.

جفری کوتس از دانشگاه کرنل، دانشمند دیگری که در این مطالعه شرکت کرده است، می گوید: «ما از پلاستیک زباله به عنوان منبع خود به جای سوخت های فسیلی استفاده می کنیم. ما به جای حفاری برای نفت و آلودگی محیط زیست، از موادی استفاده می کنیم که در غیر این صورت سوزانده می شوند یا در محل دفن زباله رها می شوند.

مانند سایر پلاستیک ها، HDPE از زنجیره های بلندی از اتم ها به نام زنجیره های پلیمری تشکیل شده است. رویکرد جدید این تیم از مجموعه‌ای از کاتالیزورها یا مواد شیمیایی که واکنش‌های شیمیایی را تسریع می‌کنند برای شکستن زنجیره‌های پلیمری HDPE به قطعات کوتاه‌تر که حاوی گروه‌های واکنش‌پذیر از اتم‌ها در انتها هستند، استفاده می‌کند. سپس آن قطعات را می توان دوباره در کنار هم قرار داد، یا دوباره پلیمر کرد تا محصولات پلاستیکی جدیدی را تشکیل دهند. گروه‌های انتهایی واکنش‌دهنده این مزیت را دارند که تجزیه پلاستیک جدید را آسان‌تر می‌کنند، هم در آزمایشگاه و هم در طبیعت.

تیم Argonne اولین دور کاتالیز را بر روی محصولات HDPE استفاده شده، از جمله بطری های آب و بسته بندی انجام داد. کاتالیزورها به طور تصادفی انتخاب می کنند که کدام نقاط را در زنجیره های پلیمری تغییر دهند تا آنها را واکنش دهند. هر چه دانشمندان HDPE را با کاتالیزور بیشتر ترک کنند، زنجیره ها بیشتر فعال می شوند.

سپس، تیم کرنل این زنجیره‌های پلیمری فعال را گرفتند و در معرض کاتالیزور دیگری قرار دادند. در این مرحله، کاتالیزور زنجیره‌ها را می‌شکند و انتهای آن را بیشتر تغییر می‌دهد تا امکان مونتاژ مجدد فراهم شود.

چالش اصلی بازتولید همان خواص مواد HDPE – مانند استحکام و انعطاف پذیری در مقابل شکنندگی – در ماده جدید بود. هنگامی که کاتالیزورها HDPE را می شکنند، مهم است که به اندازه کافی زنجیره های پلیمری طولانی برای اتصال به یکدیگر مانند نخ ها باقی بماند و ماده را در برابر تنش مقاوم تر کند.

هنگامی که تیم کرنل در ابتدا مواد کاتالیز شده را مجددا پلیمر کرد، بسیار شکننده تر از HDPE اولیه بود. آنها سپس کاتالیزورها را به دقت تنظیم کردند تا زنجیره های پلیمری را به گونه ای بشکنند که هنگام پلیمریزاسیون مجدد مواد، مقدار کنترل شده ای از انشعاب را فراهم کند. این انشعاب به زنجیره‌ها اجازه می‌دهد تا از گروه‌های انتهایی تشکیل شوند و در نتیجه میانگین طول زنجیره‌ها در ماده حاصل افزایش یابد. این رویکرد منجر به ماده ای با خواص مشابه با HDPE اولیه و قابلیت بازیافت بیشتر شد.

کار آینده بر ارزیابی زیست تخریب پذیری ماده جدید و کاهش مقدار فلز ارزشمند مورد استفاده برای کاتالیزور برای کاهش هزینه کلی بازیافت متمرکز خواهد بود. این تیم همچنین امیدوار است که استراتژی خود را در مورد سایر پلاستیک های رایج نیز اعمال کند.

علاوه بر کوتس و دلفرو، نویسندگان شامل آلخاندرا آرویاو از آرگون و شیلین کوی، اندرو کوسن، آن لاپوینت و ژاکلین لوپز از دانشگاه کرنل هستند.