طريقة صديقة للبيئة لإعادة تدوير البلاستيك باستخدام الهواء.. نحو مستقبل أكثر نظافة وخضرة

قام فريق من الكيميائيين مؤخرا بتقديم طريقة غير سامة وصديقة للبيئة وخالية من المذيبات لإعادة تدوير البلاستيك باستخدام الرطوبة الموجودة في الهواء المحيط.

في دراسة نشرت في مجلة Green Chemistry ، وصف الخبراء كيف يقوم محفز منخفض التكلفة بتقسيم الروابط في بولي إيثيلين تيريفثالات (PET) – البلاستيك البوليستر الأكثر شيوعًا.

بعد ذلك، يُعرَّض البلاستيك المُفتَّت للهواء العادي، فيُحوَّل إلى مونومرات يُمكن إعادة تكوينها إلى منتجات بولي إيثيلين تيريفثالات جديدة أو مواد ذات قيمة أعلى، تُثير نتائج الفريق إمكانية إيجاد مسار أكثر فعالية من حيث التكلفة واستدامةً نحو بناء اقتصاد دائري للبلاستيك.

يوسي كراتيش، هو أستاذ مساعد في الكيمياء في كلية وينبرج للفنون والعلوم في جامعة نورث وسترن، يوضح، “الولايات المتحدة هي أكبر مُلوِّث بلاستيكي للفرد، ونحن نُعيد تدوير 5% فقط من هذه المواد البلاستيكية، هناك حاجة ماسة لتقنيات أفضل تُعالج أنواعًا مُختلفة من النفايات البلاستيكية،”معظم التقنيات التي لدينا اليوم تعمل على إذابة الزجاجات البلاستيكية وإعادة تدويرها إلى منتجات ذات جودة أقل”.

استخدام الرطوبة لإعادة تدوير البلاستيك

بحسب كراتيش، فإن ما هو مثير للاهتمام بشكل خاص في هذا البحث هو أن الفريق استغل الرطوبة من الهواء لتفكيك البلاستيك، محققاً بذلك عملية نظيفة وانتقائية بشكل استثنائي.

“من خلال استعادة الجزيئات الأحادية، والتي تعد اللبنات الأساسية لمادة البولي إيثيلين تيرفثالات، يمكننا إعادة تدويرها أو حتى تحويلها إلى مواد أكثر قيمة”.

وأشار نافين مالك، المؤلف الأول للدراسة، إلى أن الدراسة تقدم حلاً مستدامًا وفعالًا لأحد أكثر التحديات البيئية إلحاحًا في العالم: النفايات البلاستيكية.

بخلاف طرق إعادة التدوير التقليدية، التي غالبًا ما تُنتج نواتج ثانوية ضارة مثل أملاح النفايات، وتتطلب كميات كبيرة من الطاقة أو المواد الكيميائية، يعتمد نهجنا على عملية خالية من المذيبات تعتمد على الرطوبة الضئيلة من الهواء المحيط. وهذا لا يجعلها صديقة للبيئة فحسب، بل عملية للغاية في التطبيقات العملية أيضًا، كما قال مالك.

شارك كراتيش في قيادة الدراسة مع توبين جيه ماركس، أستاذ الكيمياء لفترة طويلة في واينبرج وأستاذ علوم المواد والهندسة في كلية ماكورميك للهندسة في نورث وسترن.

الحاجة الماسة لحلول بلاستيكية

تشكل المواد البلاستيكية المصنوعة من مادة البولي إيثيلين تيريفثالات (PET)، والتي تستخدم عادة في مواد مثل تغليف المواد الغذائية وزجاجات المشروبات، ما يقرب من 12% من جميع المواد البلاستيكية على مستوى العالم.

إن بقاء هذه المواد في البيئة يسلط الضوء على معضلة كبرى: فالبولي إيثيلين تيريفثالات مقاوم للتحلل وبالتالي فهو عرضة للانتهاء في مكبات النفايات، أو التفتت إلى جزيئات بلاستيكية دقيقة أو نانوية تتسرب إلى مصادر المياه، أو تتراكم في البيئة الطبيعية.

يسعى العلماء في جميع أنحاء العالم إلى إيجاد طرق جديدة لإدارة أو إعادة تدوير البلاستيك، ولكن العمليات الحالية غالبًا ما تستخدم ظروفًا قاسية – درجات حرارة شديدة، ومتطلبات طاقة عالية، ومذيبات قوية – مما يؤدي إلى توليد منتجات ثانوية سامة.

قد تكون المحفزات المطلوبة باهظة الثمن أو خطرة، مما يُفاقم مشاكل النفايات. علاوة على ذلك، بعد انتهاء تفاعل إعادة التدوير، يواجه الباحثون مهمةً شاقةً في استخلاص مواد مفيدة من المذيبات المتبقية، مما يزيد التكلفة والتعقيد.

طريقة إعادة التدوير الخالية من المذيبات

في عمل سابق، كانت مجموعة ماركس في جامعة نورث وسترن رائدة في تطوير أساليب تحفيزية تعمل دون استخدام مذيبات. ويستند هذا البحث الجديد إلى هذا الإنجاز، مستخدمًا مرة أخرى نهج تفاعل خالٍ من المذيبات.

قال كراتيش: “لاستخدام المذيبات عيوبٌ عديدة. فهي قد تكون باهظة الثمن، وتتطلب تسخينها إلى درجات حرارة عالية. وبعد التفاعل، يتبقى لدينا خليطٌ من المواد التي يجب فرزها لاستعادة المونومرات”.

بدلاً من استخدام المذيبات، استخدمنا بخار الماء من الهواء. إنها طريقة أكثر فعالية لمعالجة مشاكل إعادة تدوير البلاستيك.

كيمياء بسيطة لإعادة تدوير البلاستيك

لاختبار هذه العملية الجديدة، جمع الفريق مادة البولي إيثيلين تيريفثالات (PET) مع محفز موليبدينوم منخفض التكلفة وغير سام، بالإضافة إلى الكربون المنشط، ثم سخّنوا الخليط. خلال هذه الخطوة، بدأت جزيئات البولي إيثيلين تيريفثالات الكبيرة بالتحلل.

وبعد ذلك، قام العلماء بإدخال البلاستيك المجزأ إلى الهواء المحيط، الذي يحتوي على مستويات ضئيلة من بخار الماء، مما أدى إلى تحويل بقايا البلاستيك إلى مونومرات تعرف باسم حمض التريفثاليك (TPA) – وهو المادة الأولية القيمة لصنع البوليستر الجديد.

أسفرت العملية عن منتج ثانوي واحد فقط، وهو الأسيتالديهيد، والذي يعتبر إزالته في السياقات الصناعية سهلة نسبيًا.

وأشار مالك إلى أن “الهواء يحتوي على كمية كبيرة من الرطوبة، مما يجعله موردًا متاحًا بسهولة ومستدامًا للتفاعلات الكيميائية”.

في المتوسط، حتى في الظروف الجافة نسبيًا، يحتفظ الغلاف الجوي بحوالي 10,000 إلى 15,000 كيلومتر مكعب من الماء. يتيح لنا الاستفادة من رطوبة الهواء التخلص من المذيبات السائبة، وتقليل استهلاك الطاقة، وتجنب استخدام المواد الكيميائية الضارة، مما يجعل العملية أنظف وأكثر صداقة للبيئة.

تذوق تكنولوجيا إعادة التدوير

في التجارب الأولية، تم استعادة 94% من TPA في أربع ساعات فقط، مما يدل على السرعة والكفاءة، وقد ثبت أن المحفز متين وقابل لإعادة الاستخدام، مما يجعله خيارًا عمليًا للتطبيقات واسعة النطاق.

وبما أن هذه التقنية تقوم بتفتيت البلاستيك البوليستر بشكل انتقائي فقط، فإن الأنواع الأخرى من الملوثات البلاستيكية أو غير البلاستيكية في الدفعة المختلطة يتم تجاوزها بشكل فعال.

وعند اختبارها على زجاجات بلاستيكية حقيقية وقمصان ونفايات بلاستيكية مختلطة، عملت العملية بشكل جيد مماثل، حتى مع إزالة الصبغات بحيث أصبح TPA المسترد عديم اللون.

توسيع نطاق الطريقة الجديدة

وتتضمن الخطوة التالية التي يخطط العلماء لاتخاذها توسيع نطاق هذه الطريقة لتلبية الطلب الصناعي والتعامل مع كميات أكبر من البلاستيك المهمل.

ومن خلال تحسين عوامل مثل وقت التفاعل وتركيز المحفز ودرجة الحرارة، يأمل الباحثون في ابتكار حل اقتصادي لتحويل النفايات البلاستيكية إلى كتل بناء يمكن تحويلها بعد ذلك إلى منتجات جديدة.

وأضاف مالك: “إن تقنيتنا لديها القدرة على الحد بشكل كبير من التلوث البلاستيكي، وخفض البصمة البيئية للبلاستيك والمساهمة في الاقتصاد الدائري، حيث يتم إعادة استخدام المواد بدلاً من التخلص منها”، “إنها خطوة ملموسة نحو مستقبل أكثر نظافة وخضرة، وتوضح كيف يمكن للكيمياء المبتكرة معالجة التحديات العالمية بطريقة تتوافق مع الطبيعة”.