التوصل لحل يعيد تدوير أكثر من 30% من المواد البلاستيكية.. استراتيجية واعدة لمكافحة النفايات البلاستيكية العالمية

القليل من المواد البلاستيكية الاستهلاكية المختلطة التي يتم التخلص منها أو وضعها في صناديق إعادة التدوير ينتهي بها الأمر في الواقع إلى إعادة التدوير.

ويتم دفن ما يقرب من 90% منها في مدافن النفايات أو حرقها في المنشآت التجارية التي تولد غازات الدفيئة والسموم المحمولة جواً. ولا تعتبر أي من النتيجتين مثاليتين للبيئة.

وتعد إعادة تدوير المواد البلاستيكية المختلطة مسألة معقدة بسبب تنوع الخصائص الفيزيائية بين أنواع مختلفة من البلاستيك. توفر إعادة التدوير الكيميائي عن طريق التفكيك التحفيزي طريقًا لتحويل النفايات البلاستيكية إلى مواد كيميائية أصلية، ولكن لم يتمكن أي محفز أو تكنولوجيا واحدة من تحويل خليط من المواد البلاستيكية المتعددة بشكل انتقائي إلى مواد كيميائية قيمة

لماذا لا يتم إعادة تدوير المزيد من المواد البلاستيكية المختلطة؟

عادة ما يكون صنع منتجات بلاستيكية جديدة أسهل وأقل تكلفة من استعادة المنتجات المستعملة وفرزها وإعادة تدويرها، كانت إعادة التدوير التقليدية للمواد البلاستيكية المختلطة تعني في السابق فصل المواد البلاستيكية يدويًا أو ميكانيكيًا وفقًا للبوليمرات المكونة لها.

لمعالجة هذه المشكلة، استخدم العلماء التصميم الكيميائي المخطط بعناية، وتشتت النيوترونات والحوسبة عالية الأداء للمساعدة في تطوير عملية إعادة تدوير تحفيزية جديدة، يقوم المحفز بشكل انتقائي ومتسلسل بتفكيك البوليمرات المتعددة في المواد البلاستيكية المختلطة إلى مونومرات نقية، وهي جزيئات تتفاعل مع جزيئات مونومر أخرى لتكوين بوليمر، وتقدم هذه العملية استراتيجية واعدة لمكافحة النفايات البلاستيكية العالمية، مثل الزجاجات والتغليف والرغاوي والسجاد.

تحليل الباحثين، المنشور في مجلة Materials Horizons ، قارن استخدام المحفز الجديد متعدد الأغراض باستخدام المحفزات الفردية لكل نوع من أنواع البلاستيك.

سيعمل المحفز الجديد على توليد غازات دفيئة أقل بنسبة تصل إلى 95%، ويتطلب مدخلات طاقة أقل بنسبة تصل إلى 94%، ويؤدي إلى خفض استهلاك الوقود الأحفوري بنسبة تصل إلى 96%.

وقال تومونوري سايتو،و. هو كيميائي بوليمر اصطناعي في ORNL ومؤلف مشارك: “يتضمن نهجنا محفزًا عضويًا اصطناعيًا مخصصًا – وهو مركب يتكون من جزيئات عضوية صغيرة تسهل التحولات الكيميائية العضوية، ويمكن للمحفز العضوي تحويل دفعات من النفايات البلاستيكية المختلطة إلى مونومرات قيمة لإعادة استخدامها في إنتاج مواد بلاستيكية تجارية ومواد قيمة أخرى”. “يمكن لهذه العملية الكيميائية الفعالة بشكل استثنائي أن تساعد في إغلاق حلقة إعادة تدوير المواد البلاستيكية المختلطة عن طريق استبدال المونومرات ذات الاستخدام الأول بالمونومرات المعاد تدويرها.

وأضاف سايتو “اليوم، يتم تصنيع جميع المواد البلاستيكية تقريبًا من الوقود الأحفوري باستخدام مونومرات الاستخدام الأول التي يتم تصنيعها من خلال عمليات كثيفة الاستخدام للطاقة. وإنشاء هذا النوع من إعادة التدوير في حلقة مغلقة، إذا تم استخدامه عالميًا، يمكن أن يقلل من استهلاك الطاقة السنوي بحوالي 3.5 مليار برميل من النفط”.

حل لإعادة التدوير لأكثر من 30% من جميع المواد البلاستيكية

أثبت المحفز العضوي الجديد قدرته على تفكيك بوليمرات متعددة بكفاءة وسرعة – في حوالي ساعتين.

وتشمل هذه البوليمرات تلك المستخدمة في مواد مثل نظارات السلامة (البولي كربونات)، والرغاوي (البولي يوريثان)، وزجاجات المياه (البولي إيثيلين تيريفثاليت)، والحبال أو شباك الصيد (البولي أميد)، والتي تشكل مجتمعة أكثر من 30٪ من إنتاج البلاستيك العالمي، حتى الآن، لم يثبت أي محفز واحد فعاليته في جميع هذه البوليمرات الأربعة.

العديد من المزايا البيئية

توفر هذه العملية العديد من المزايا البيئية عن طريق استبدال المواد الكيميائية القاسية لتفكيك البوليمرات، فضلاً عن توفير انتقائية جيدة واستقرار حراري وعدم تطاير وقابلية منخفضة للاشتعال.

كما أن فعاليته ضد البوليمرات المتعددة تجعله مفيدًا في تفكيك الكميات المتزايدة من المواد البلاستيكية متعددة المكونات، مثل المواد المركبة والتغليف متعدد الطبقات.

تم استخدام نثر النيوترونات ذات الزاوية الصغيرة في مصدر النيوترونات المتشظية في ORNL للمساعدة في تأكيد تكوين المونومرات المفككة من نفايات البلاستيك.

تعمل هذه الطريقة على تشتيت النيوترونات بزوايا صغيرة لتوصيف البنية على مستويات مختلفة من التفاصيل، بدءًا من النانومترات وحتى أجزاء الميكروميتر.

تحويل البوليمرات البلاستيكية المختلطة إلى مواد بلاستيكية معاد تدويرها 

يقوم المحفز العضوي بتفكيك المواد البلاستيكية عند درجات حرارة مختلفة، مما يسهل استعادة المونومرات الفردية بشكل تسلسلي بشكل منفصل، في شكل قابل لإعادة الاستخدام.

تتحلل البولي كربونات عند 266 درجة فهرنهايت (130 درجة مئوية)، والبولي يوريثان عند 320 درجة فهرنهايت (160 درجة مئوية)، والبولي إيثيلين تيريفثاليت عند 356 درجة فهرنهايت (180 درجة مئوية)، والبولي أميدات عند 410 درجة فهرنهايت (210 درجة مئوية). يتم ترك المواد البلاستيكية والمواد المضافة والمواد المرتبطة بها مثل القطن والأكياس البلاستيكية سليمة بسبب الاختلافات في تفاعلها ويمكن استعادتها لاحقًا.

وقال الدكتور أريفوزمان، المؤلف الرئيسي للدراسة والكيميائي السابق في ORNL: “إن المونومرات المفككة والمحفز العضوي قابلة للذوبان في الماء، لذلك يمكننا نقلها إلى الماء، حيث يمكن إزالة أي شوائب مثل الأصباغ عن طريق الترشيح”.

وأضاف أريفوزمان، وهو الآن زميل في Innovation Crossroads، ومؤسس شركة Re-Du”يتم بعد ذلك استخراج المونومرات شبه النقية، مما يترك المحفز، والذي يتم استعادته بالكامل تقريبًا عن طريق تبخر الماء ويمكن إعادة استخدامه مباشرة في دورات تفكيك متعددة”.