به نقل از ادونسد ساینس نیوز، پژوهشگران اخیرا یک فرآیند پایدار و حلقه بسته را برای تولید و بازیافت پلاستیک پلی‌کربنات و در عین حال جذب کربن ابداع کرده‌اند که به طور موثر و هم‌زمان به این دو چالش رسیدگی می‌کند.

بازیافت پلاستیک‌های رایج یک فرآیند مکانیکی است که مراحلی مانند دسته‌بندی، تمیز کردن و گرانول‌سازی پلاستیک را پیش از گرم کردن آن در دمای بالا شامل می‌شود. اگرچه این یک روش دوستدار محیط زیست نسبت به سوزاندن یا دفن کردن زباله است اما همه پلاستیک‌ها را نمی‌توان به این روش بازیافت کرد.

«هویونگ چانگ»(Hoyong Chung) استاد «دانشگاه ایالتی فلوریدا»(FSU) و از پژوهشگران این پروژه گفت: بازیافت مکانیکی یک مشکل حیاتی دارد. قرار گرفتن مکرر در معرض حرارت بالا می‌تواند به بروز تغییرات دائمی در ساختار شیمیایی پلاستیک منجر شود و در نتیجه، کیفیت پایینی را در پلاستیک‌های بازیافتی ایجاد کند.

استفاده از ضایعات لیگنین برای ساخت پلاستیک‌های جدید

روش بازیافت توسعه‌یافته توسط چانگ و «آریجیت غرای»(Arijit Ghorai) پژوهشگر مقطع فوق دکتری دانشگاه ایالتی فلوریدا، اساسا با بازیافت مکانیکی متفاوت است. این روش شامل تبدیل کردن پلی‌کربنات به عناصر سازنده اصلی آن طی فرآیند موسوم به «دی‌پلیمریزاسیون»(Depolymerization) است.

کلید این فرآیند، پلیمر موسوم به «لیگنین»(lignin) است. لیگنین یکی از عناصر اصلی زیست‌توده به شمار می‌رود که اکنون به دلیل پتانسیل خود در تجدیدپذیری، بازار گسترده و هزینه کم، برای جایگزینی حداقل بخشی از سوخت‌های فسیلی در تولید پلاستیک و سایر محصولات تجاری شناخته شده است. همچنین، لیگنین یک محصول جانبی ناخواسته و اصلی در صنایع سوخت زیستی و خمیر و کاغذ است و این صنعت سالانه تقریبا ۵۰ تا ۷۰ میلیارد تن لیگنین تولید می‌کند. مقدار بسیاری از این لیگنین هدر می‌رود.

هدر دادن یک مفهوم جدید نیست. دانشمندان برای تبدیل کردن انواع زباله‌های دورریخته‌شده مانند بقایای آووکادو و براده‌های فلزی به محصولات سودمندی مانند پلاستیک و سوخت هیدروژنی تلاش می‌کنند.

چندین دهه است که شیمی‌دانان می‌دانند دی‌اکسید کربن را می‌توان به پلاستیک‌های پلی‌کربنات تبدیل کرد اما فرآیند سنتی، پایدارترین روش نیست. دی‌اکسید کربن معمولا با ترکیبات به‌دست‌آمده از سوخت فسیلی واکنش نشان می‌دهد و واکنش نه تنها به دما و فشار بالا و متعاقبا افزایش مصرف انرژی نیاز دارد، بلکه نیازمند کاتالیزورهای فلزی با طراحی دقیق است که با توجه به فلز استفاده‌ شده، فرآیند و هزینه‌ها را پیچیده می‌کند.

چانگ و غرای برای پایدارتر کردن این فرآیند، به جای مواد اولیه به‌دست‌آمده از سوخت فسیلی و کاتالیزور بدون فلز، از لیگنین استفاده کردند. لیگنین می‌تواند جایگزین خوبی باشد زیرا ساختار شیمیایی آن غنی از عواملی است که می‌توانند در حضور کاتالیزور مناسب با دی‌اکسید کربن واکنش نشان دهند.

این واکنش که پژوهشگران با استفاده از یک مولکول آلی کاتالیز کردند، کربنات حلقوی را تولید می‌کند که عنصر سازنده یا «مونومر»(monomer) پلی‌کربنات است. مرحله دوم، پلیمریزاسیون کربنات حلقوی به پلی کربنات است که می‌تواند در دمای اتاق و تحت فشار معمولی اتمسفر انجام شود. این شرایط بسیار ملایم‌تر از شرایط مورد نیاز برای تولید معمولی است.

با تنظیم کاتالیزور، مقدار کاتالیزور و زمان واکنش می‌توان ویژگی‌های پلاستیک از جمله پایداری حرارتی و استحکام آن را کنترل کرد و به پلی‌کربنات امکان داد تا برای کاربردهای ویژه آماده شود. پس از استفاده مورد نظر می‌توان آن را از طریق دی‌پلیمریزاسیون بازیافت کرد تا پلاستیک دوباره به مونومر خود تبدیل شود.

اقتصاد چرخشی پلاستیک

به نظر می‌رسد بازیافت مواد شیمیایی و سایر فناوری‌هایی که زباله‌های پلاستیکی را به عناصر سازنده برای بازآفرینی همان محصول تبدیل می‌کنند و بازیافت شیمیایی که برای تبدیل زباله‌های پلاستیکی به محصولاتی با ارزش بالاتر انجام می‌شود، حلقه مفقوده در انتقال یافتن به اقتصاد چرخشی پلاستیک است.

روش بازیافت شیمیایی چانگ و غرای نسبتا ساده بود. آنها برای به دست آوردن کربنات حلقوی اصلی، پلی‌کربنات را در دمای ۹۰ درجه سلسیوس به مدت ۱۲ ساعت با استفاده از همان کاتالیزور آلی حرارت دادند تا به واکنش دی‌پلیمریزاسیون سرعت بدهند.

غرای گفت: می‌توانیم از این مونومرهای بازیافتی برای تولید مجدد پلیمر اصلی و باکیفیت استفاده کنیم. با این روش می‌توان از هرگونه تخریب کیفیت پلیمر پس از بازیافت جلوگیری کرد. در حالت ایده‌آل، پلی کربنات‌های توسعه‌یافته می‌توانند بدون به خطر انداختن ویژگی‌های اصلی خود، تحت بازیافت حلقه بسته قرار گیرند.

چانگ و غرای پس از تحلیل نتایج تایید کردند که خواص پلیمر بازیافتی با خواص پلیمر اصلی و بکر یکسان است. با وجود این، برای تعیین اینکه چند بار می‌توان پلیمر را بدون تخریب بازیافت کرد، به آزمایش‌های بیشتری نیاز است.

امکان‌سنجی، ایمنی و کارآیی این فرآیند نیز باید در بیرون آزمایشگاه در مقیاس بسیار بزرگ‌تر مورد بررسی قرار بگیرد اما پژوهشگران امیدوارند که در نهایت از آن برای تولید مواد شیمیایی باارزش و پلیمرهای ویژه برای کاربردهای زیست‌پزشکی و ذخیره انرژی استفاده شود.

چانگ گفت: در کوتاه‌مدت، این پلیمر را می‌توان برای محصولات پلاستیکی کم‌هزینه در بخش‌هایی مانند ساخت‌وساز، کشاورزی، بسته‌بندی، لوازم آرایشی، منسوجات، پوشک، و ظروف یک‌بارمصرف آشپزخانه استفاده کرد.

این پژوهش، میزان دی‌اکسید کربن جذب‌شده توسط لیگنین را به طور کمی ارزیابی نکرد اما پژوهشگران گفتند که آزمایش‌های مورد نظر در حال انجام شدن هستند. همچنین، آنها قصد دارند پلی‌کربنات را که به صورت پودر تهیه کردند، به شکل‌های گوناگون برای استفاده تجاری فرآوری کنند.

به رغم کارهایی که هنوز باید انجام شوند، این پژوهش نشان می‌دهد که اقتصاد چرخشی پلاستیک برای پلی‌کربنات ممکن است.

این پژوهش در مجله «Advanced Functional Materials» به چاپ رسید.