Araştırmacılar, plastikleri sabun ve deterjan gibi ürünlerde kullanılan değerli yüzey aktif maddelere dönüştürecek bir yöntem geliştirdi. Polietilen plastikler ile yağ asitleri arasındaki moleküler benzerliğe dayanan bu keşif, geleneksel geri dönüşüme karlı ve çevre dostu bir alternatif sunabilir.
Araştırmacılar, plastikleri geri dönüştürmek için yeni bir yöntem geliştirdiler. süt kartonlarından, yiyecek kaplarından ve plastik torbalardan sabuna kadar. Yöntem: Plastiklerdeki uzun karbon zincirlerini ısıtın ve ardından hızla soğutun.
Virginia Tech’ten araştırmacılar, plastikleri, sabun oluşturmak için kullanılan, yüzey aktif maddeler adı verilen değerli kimyasallara dönüştürmek için yeni bir teknik geliştirdiler. deterjan ve daha fazlası.
Plastikler ve sabunların doku, görünüm ve en önemlisi nasıl kullanıldıkları açısından pek az ortak noktası vardır. Ancak ikisi arasında moleküler düzeyde şaşırtıcı bir bağlantı var: Bugün dünyada en yaygın kullanılan plastiklerden biri olan polietilenin kimyasal yapısı, plastiklerin kimyasal öncüsü olarak kullanılan yağ asidininkine çarpıcı biçimde benziyor. sabun. Her iki malzeme de uzun karbon zincirlerinden yapılmıştır, ancak yağ asitlerinin zincirinin sonunda fazladan bir atom grubu vardır.
Virginia Tech Bilim Koleji’nde kimya profesörü olan Guoliang “Greg” Liu, Uzun zamandır bu benzerliğin, polietileni yağ asitlerine dönüştürmenin ve süreçteki birkaç ek adımla sabun üretmenin mümkün olması gerektiğini ima ettiği düşünülüyordu. Buradaki zorluk, uzun bir polietilen zincirinin çok sayıda kısa ama çok kısa olmayan zincirlere nasıl bölüneceği ve bunun verimli bir şekilde nasıl yapılacağıydı. Liu, düşük değerli plastik atıkları yüksek değerli, kullanışlı bir ürüne dönüştürebilecek yeni bir ileri dönüşüm yöntemi potansiyeli olduğuna inanıyordu.
Guoliang “Greg” Liu, Hahn Hall South’taki laboratuvarında ortak su sürahisi. Kredi: Fotoğraf: Virginia Tech için Steven Mackay.
Bir süre bu soru üzerinde düşünen Liu, bir kış akşamının şömine başında tadını çıkarırken ilham aldı. Ateşten yükselen dumanı izledi ve dumanın ahşabın yanması sırasında oluşan küçük parçacıklardan nasıl oluştuğunu düşündü.
Güvenlik ve çevresel nedenlerden dolayı plastiklerin hiçbir zaman şöminede yakılmaması gerekse de Liu, şunları yapmaya başladı: Polietilen güvenli bir laboratuvar ortamında yakılabilseydi ne olurdu acaba? Polietilenin eksik yanması tıpkı odunun yanması gibi “duman” çıkarır mı? Birisi bu dumanı yakalasaydı neyden yapılmış olurdu?
“Yakacak odun çoğunlukla selüloz gibi polimerlerden yapılır. Yakacak odunun yanması, bu polimerleri kısa zincirlere ve ardından karbondioksite tamamen oksidasyondan önce küçük gazlı moleküllere parçalıyor, ” dedi Blackwood Genç Fakültesi Kimya Bölümü Yaşam Bilimleri Bursu sahibi Liu. “Benzer şekilde sentetik polietilen moleküllerini de parçalarsak ancak küçük gaz moleküllerine kadar parçalanmadan önce süreci durdurursak, o zaman kısa zincirli, polietilen benzeri moleküller elde etmeliyiz.”
Zhen Xu ve Eric Munyaneza, iki Ph.D. Liu’nun laboratuvarındaki kimya öğrencilerinin yardımıyla Liu, sıcaklık değişimli termoliz adı verilen bir süreçte polietileni ısıtabilecekleri küçük, fırına benzer bir reaktör inşa etti. Alt kısımda fırın, polimer zincirlerini kırmaya yetecek kadar yüksek bir sıcaklığa sahiptir ve üst kısımda, fırın daha fazla bozulmayı önleyecek kadar düşük bir sıcaklığa soğutulur. Termolizden sonra, bacadaki isi temizlemeye benzer şekilde kalıntıyı topladılar ve Liu’nun önsezisinin doğru olduğunu buldular: “Kısa zincirli polietilenden” veya daha doğrusu mumlardan oluşuyordu.
Atık polietilen ve polipropilenden üretilen mumlarla dolu bir şişe, bir yağ banyosunda ısıtılır ve mumlar, katalitik oksidasyon yoluyla yağ asitleri üretmek üzere bir hava akışı akımıyla oksitlenir. Kredi: Virginia Tech için Steven Mackay’ın fotoğrafı.
Liu, bunun plastikleri sabuna dönüştürmeye yönelik bir yöntem geliştirmenin ilk adımı olduğunu söyledi.Ekip, süreci devam ettirmek için hesaplamalı modelleme, ekonomik analiz ve daha birçok alanda uzmanlardan yardım aldı.
Bu uzmanlardan bazıları, Virginia Tech’teki Makromolekül İnovasyon Enstitüsü ile bağlantılar aracılığıyla ekibe tanıtıldı. Grup birlikte ileri dönüşüm sürecini bilimsel toplulukla paylaşılmaya hazır hale gelene kadar belgeledi ve geliştirdi. Çalışma yakın zamanda Science dergisinde yayınlandı.
“Araştırmamız, yeni katalizörler veya karmaşık prosedürler kullanmadan plastik ileri dönüşümü için yeni bir yol gösteriyor. Makalenin başyazarı Xu, “Bu çalışmada, plastik geri dönüşümü için ikili bir stratejinin potansiyelini gösterdik” dedi. “Bu, insanları gelecekte ileri dönüşüm prosedürlerine ilişkin daha yaratıcı tasarımlar geliştirme konusunda aydınlatacaktır.”
Bu projeye ilham veren plastik polietilen olmasına rağmen, ileri dönüşüm yöntemi polipropilen olarak bilinen başka bir plastik türü üzerinde de işe yarayabilir. Ürün ambalajından gıda kaplarına ve kumaşlara kadar tüketicilerin her gün karşılaştığı plastiklerin çoğunu bu iki malzeme oluşturuyor. Liu’nun yeni ileri dönüşüm yönteminin heyecan verici özelliklerinden biri de bu plastiklerin her ikisinde de aynı anda kullanılabilmesi, yani ikisini birbirinden ayırmanın gerekli olmaması. Bu, kirlenmeyi önlemek için plastiklerin dikkatli bir şekilde sınıflandırılmasını gerektiren, günümüzde kullanılan bazı geri dönüşüm yöntemlerine göre büyük bir avantajdır. İki plastiğin birbirine çok benzemesi nedeniyle bu ayırma işlemi oldukça zor olabilir.
(Soldan sağa) Eric Munyaneza ve Guoliang “Greg” Liu, ileri dönüştürülecek plastik malzemeleri hazırlıyor Liu’nun Güney Hahn Hall’daki laboratuvarında bir yağ asidi sıvısı. Munyaneza aynı zamanda Science dergisi çalışmasının da yazarıdır. Katkıda bulunan: Virginia Tech için Steven Mackay’ın fotoğrafı.
İleri dönüşüm tekniğinin bir başka yararı da çok basit gereksinimlerinin olmasıdır: plastik ve ısı. Sürecin sonraki adımları balmumu moleküllerini yağ asitlerine ve sabuna dönüştürmek için bazı ek bileşenler gerektirse de, plastiğin ilk dönüşümü basit bir reaksiyondur. Bu, yöntemin maliyet etkinliğine ve çevresel etkisinin nispeten küçük olmasına katkıda bulunur.
İleri dönüşümün büyük ölçekte etkili olabilmesi için, nihai ürünün, sürecin maliyetlerini karşılayacak ve onu daha verimli hale getirecek kadar değerli olması gerekir. alternatif geri dönüşüm seçeneklerine göre ekonomik açıdan daha çekicidir.
Sabunlar başlangıçta özellikle pahalı bir ürün gibi görünmese de, ağırlıkla karşılaştırıldığında aslında plastiğin fiyatının iki veya üç katı değerinde olabilir. Şu anda sabun ve deterjanın ortalama fiyatı metrik ton başına yaklaşık 3.550 dolar, polietilenin fiyatı ise metrik ton başına yaklaşık 1.150 dolardır. Ayrıca sabunlara ve ilgili ürünlere olan talep, plastiklere olan taleple karşılaştırılabilir düzeydedir.
Liu, bu araştırmanın, kullanılmış plastikleri diğer faydalı malzemelerin üretimine yönlendirerek atığı azaltmanın yeni bir yolunun temelini oluşturduğunu söyledi. Zamanla dünya çapındaki geri dönüşüm tesislerinin bu tekniği uygulamaya başlayacağını umuyor. Eğer öyleyse, tüketiciler bir gün çöplüklerdeki plastik atıkların azalmasına da yol açan devrim niteliğindeki sürdürülebilir sabun ürünlerini satın alma fırsatına sahip olmayı bekleyebilirler.
Bu nedenle, plastiği sabuna dönüştürmenin ekonomik açıdan uygun olduğu gösterilebilir. , aynı zamanda nanobilim programının bağlı öğretim üyesi olan, Bilim Koleji Entegre Bilimler Akademisi’nin ve Virginia Tech Mühendislik Koleji’nin Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nün bir parçası olan Liu’yu ekledi.
“Plastik kirliliğinin birkaç ana ülkenin sorunu olmaktan ziyade küresel bir sorun olduğu anlaşılmalıdır. Gelişmiş bir süreç ve karmaşık katalizör veya reaktifle karşılaştırıldığında, basit bir süreç dünya çapındaki birçok ülke için daha erişilebilir olabilir” dedi Xu. “Umarım bu, savaşta plastik kirliliğiyle mücadele için iyi bir başlangıç olabilir.”
Referans: “Polietilen, polipropilen ve karışımların yüksek değerli yüzey aktif maddelere kimyasal olarak ileri dönüşümü” Yazan: Zhen Xu, Nuwayo Eric Munyaneza, Qikun Zhang, Mengqi Sun, Carlos Posada, Paul Venturo, Nicholas A. Rorrer, Joel Miscall, Bobby G. Sumpter ve Guoliang Liu, 10 Ağustos 2023, Bilim.
DOI: 10.1126/science.adh0993{ 1}.