روشی که زباله‌ها را به پلاستیک‌های کارآمد تبدیل می‌کند

به گزارش ایران اکونومیست، «به‌یافت»(Upcycling) نوعی روش برای بازیافت است که ماده پسماند را با کیفیت بهتر از ماده اصلی ارائه می‌دهد. این روش ممکن است بتواند به اصلاح حدود ۴۵۰ میلیون تن پلاستیک کمک کند که سالانه در سراسر جهان دور ریخته می‌شوند و تنها ۹ درصد آنها بازیافت را پشت سر می‌گذارند. بقیه پلاستیک‌ها در محل‌های دفن زباله سوزانده می‌شوند یا به اقیانوس‌ها و مکان‌های دیگر راه می‌یابند.

به نقل از فیز، شیمیدانان «آزمایشگاه ملی اوک ریج»(ORNL) یک روش دیگر را در پیش گرفته‌اند که ممکن است با تنظیم مجدد عناصر سازنده پلیمری برای سفارشی‌سازی کردن ویژگی‌های پلاستیک، سرنوشت محیطی آن را تغییر دهد. زیر واحدهای مولکولی برای تولید زنجیره‌های پلیمری به هم متصل می‌شوند که می‌توانند از طریق مولکول‌های متقاطع خود به یکدیگر متصل گردند و پلاستیک‌های چندمنظوره را تشکیل دهند. ساختار زنجیره‌های پلیمری تعیین می‌کند که این پلاستیک‌ها چقدر محکم، سفت و مقاوم در برابر حرارت خواهند بود.

ویرایش مولکولی آن قدر امیدوارکننده به نظر می‌رسد که پایه دو جایزه نوبل شیمی بوده است. در سال ۲۰۰۵، این جایزه به توسعه‌دهندگان «واکنش متاتز»(metathesis reaction) تعلق گرفت که می‌شکند و پیوندهای دوگانه را بین اتم‌های کربن در حلقه‌ها و زنجیره‌ها ایجاد می‌کند تا واحدهای فرعی آنها بتوانند برای ایجاد مولکول‌های جدید با هم عوض شوند. در سال ۲۰۲۰، جایزه نوبل به توسعه‌دهندگان فناوری ویرایش ژن «کریسپر»(CRISPR) رسید که مانند یک قیچی ژنتیکی برای ویرایش رشته‌های DNA حاوی رمز زندگی است.

«جفری فاستر»(Jeffrey Foster) سرپرست این پژوهش گفت: این روش مانند فناوری کریسپر برای ویرایش پلیمرهاست. با این تفاوت که به جای ویرایش رشته‌های ژن، زنجیره‌های پلیمری را ویرایش می‌کند.

پژوهشگران آزمایشگاه ملی اوک ریج به طور دقیق پلیمرهای موجود در زباله‌های پلاستیکی را ویرایش کردند. فاستر گفت: این یک جریان زباله است که در واقع اصلا بازیافت نمی‌شود. ما با این فناوری به بخش مهمی از جریان زباله می‌پردازیم. این کار، تأثیر بسیار زیادی را بر حفظ جرم و انرژی موادی خواهد داشت که در حال حاضر به محل‌های دفن زباله می‌روند.

انحلال پلیمرهای ضایعاتی، اولین گام در ایجاد مواد افزودنی قطره‌ای برای تولید پلیمر است. پژوهشگران در این پروژه، «پلی‌بوتادین»(polybutadiene) مصنوعی یا تجاری و «آکریلونیتریل بوتادین استایرن»(acrylonitrile butadiene styrene) را در یک حلال به نام «دی‌کلرومتان»(dichloromethane) غوطه‌ور کردند تا یک واکنش شیمیایی را در دمای پایین(۴۰ درجه سلسیوس) به مدت کمتر از دو ساعت انجام دهند.

یک کاتالیزور روتنیوم، روند پلیمریزاسیون یا افزودن پلیمر را تسهیل کرد. شرکت‌های صنعتی از این کاتالیزور برای ساخت پلاستیک‌های مقاوم و تبدیل زیست‌توده مانند روغن‌های گیاهی به سوخت و سایر ترکیبات آلی باارزش استفاده کرده‌اند که پتانسیل استفاده از آن را در افزایش به‌یافت شیمیایی برجسته می‌کند.

پژوهشگران ضایعات پلاستیکی را با به کارگیری دو فرآیند پشت سر هم به‌یافت کردند. یک فرآیند به نام «پلیمریزاسیون متاتز باز کردن حلقه»، حلقه‌های کربن را باز می‌کند و آنها را به صورت یک زنجیره بلند درمی‌آورد. فرآیند دیگر به نام «متاتز متقاطع»، زنجیره‌ای از زیرواحدهای پلیمری را از یک زنجیره پلیمری به زنجیره پلیمری دیگر وارد می‌کند.

بازیافت سنتی نمی‌تواند ارزش پلاستیک‌های دور ریخته‌شده را حفظ کند زیرا پلیمرهایی را به کار می‌گیرد که پس از تجزیه، ارزش کمتری دارند. در مقابل، نوآوری پژوهشگران آزمایشگاه ملی اوک ریج از عناصر سازنده موجود برای ترکیب جرم و ویژگی‌های مواد زائد و ارائه عملکرد و ارزش افزوده استفاده می‌کند.

فاستر گفت: این فرآیند جدید، اقتصاد اتمی بالایی دارد. این بدان معناست که ما می‌توانیم تقریبا همه موادی را که مورد استفاده قرار داده‌ایم، بازیافت کنیم.

پژوهشگران در این پروژه نشان دادند فرآیندی که انرژی کمتری را مصرف می‌کند و انتشار کربن کمتری نسبت به بازیافت سنتی دارد، به طور کارآمد مواد زائد را بدون به خطر انداختن کیفیت پلیمر یکپارچه‌سازی می‌کند.

فاستر گفت: چشم‌انداز پژوهش ما این است که مفهوم آن را می‌توان به همه پلیمرهای دارای نوعی گروه عملکردی برای واکنش نشان دادن تعمیم داد.

اگر این روش برای استفاده از افزودنی‌های دیگر گسترش داده شود، می‌توان انواع بیشتری از عناصر سازنده زباله‌ها را استخراج کرد که اثرات زیست‌محیطی سایر پلاستیک‌های سخت‌فرآوری را به‌ طور چشمگیری کاهش می‌دهد. با این روش، اقتصاد دایره‌ای که در آن مواد زائد به جای دور ریخته شدن، تغییر کاربری می‌دهند، به یک هدف واقعی‌تر تبدیل خواهد شد.

این پژوهش در «Journal of the American Chemical Society» به چاپ رسید.