يتم حاليًا إعادة تدوير حوالي 2٪ فقط من المواد البلاستيكية بالكامل. يمكن أن يحل البلاستيك PDK أزمة الاستخدام الفردي.
يشير تحليل بيئي وتكنولوجي جديد إلى أن البلاستيك الثوري الصديق للبيئة جاهز تقريبًا للوصول إلى الرفوف.
تعد المواد البلاستيكية جزءًا من كل منتج تقريبًا نستخدمه يوميًا. ينتج الشخص العادي في الولايات المتحدة حوالي 100 كجم من النفايات البلاستيكية سنويًا ، يذهب معظمها مباشرة إلى مكب النفايات. شرع فريق بقيادة كورين سكاون ، وبريت هيلمز ، وجاي كيسلينج ، وكريستين بيرسون في مختبر لورانس بيركلي الوطني (بيركلي لاب) في تغيير ذلك.
قبل أقل من عامين ، هيلمز عن اختراع مادة بلاستيكية جديدة يمكن أن يعالج أزمة النفايات وجهاً لوجه. المادة التي تسمى بولي (ديكيتوينامين) ، أو PDK ، تحتوي على جميع الخصائص الملائمة للبلاستيك التقليدي مع تجنب المخاطر البيئية ، لأنه على عكس البلاستيك التقليدي ، يمكن إعادة تدوير PDK إلى أجل غير مسمى دون أي خسارة في الجودة.
الآن ، أصدر الفريق دراسة توضح ما يمكن تحقيقه إذا بدأ المصنعون في استخدام PDK على نطاق واسع. الخط السفلي؟ يمكن أن يصبح البلاستيك القائم على PDK سريعًا منافسًا تجاريًا للبلاستيك التقليدي ، وستصبح المنتجات أقل تكلفة وأكثر استدامة مع مرور الوقت.
"لم يتم تصميم البلاستيك أبدًا لإعادة تدويره. أوضح نيمي فورا ، المؤلف الأول للتقرير وزميل ما بعد الدكتوراه السابق الذي عمل مع كبير المؤلفين كورين سكاون ، أن الحاجة إلى القيام بذلك تم الاعتراف بها بعد فترة طويلة. لكن قيادة الاستدامة هي جوهر هذا المشروع. تم تصميم PDKs ليتم إعادة تدويرها من البداية ، ومنذ البداية ، عمل الفريق على تحسين عمليات الإنتاج وإعادة التدوير لـ PDK بحيث تكون المواد غير مكلفة وسهلة بما يكفي لنشرها على نطاقات تجارية في أي شيء من التعبئة والتغليف للسيارات ".
تقدم الدراسة محاكاة لمنشأة تبلغ طاقتها 20,000 طن متري سنويًا والتي تضع مجموعات PDK جديدة وتستوعب نفايات PDK المستخدمة لإعادة التدوير. قام المؤلفون بحساب المدخلات الكيميائية والتكنولوجيا اللازمة ، بالإضافة إلى التكاليف وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، ثم قارنوا النتائج التي توصلوا إليها بالأرقام المكافئة لإنتاج البلاستيك التقليدي.
"في هذه الأيام، هناك دافع كبير لاعتماد التعميم اقتصاد الممارسات في الصناعة. قال فورا: "يحاول الجميع إعادة تدوير كل ما يطرحونه في السوق". "لقد بدأنا التحدث إلى الصناعة حول نشر 100% من المواد البلاستيكية المعاد تدويرها بشكل لا نهائي وقد حظينا بالكثير من الاهتمام."
وأضاف هيلمز ، العالم في مسبك الجزيئات في بيركلي لاب: "الأسئلة هي كم سيكلف ، وما هو التأثير على استخدام الطاقة والانبعاثات ، وكيفية الوصول إلى هناك من حيث نحن اليوم". "المرحلة التالية من تعاوننا هي الإجابة على هذه الأسئلة."
فحص المربعات الرخيصة والسهلة
حتى الآن ، تم إنتاج أكثر من 8.3 مليار طن متري من المواد البلاستيكية ، وانتهى الأمر بالغالبية العظمى منها في مدافن النفايات أو محطات حرق النفايات. يتم إرسال نسبة صغيرة من المواد البلاستيكية لإعادة تدويرها "ميكانيكيًا" ، مما يعني صهرها ثم إعادة تشكيلها إلى منتجات جديدة. ومع ذلك ، فإن هذه التقنية لها فائدة محدودة. يتكون الراتنج البلاستيكي نفسه من العديد من الجزيئات المتطابقة (تسمى المونومرات) المرتبطة ببعضها البعض في سلاسل طويلة (تسمى البوليمرات). حتى الآن لإعطاء البلاستيك العديد من القوام والألوان والقدرات ، تمت إضافة المواد المضافة مثل الأصباغ ومثبتات الحرارة ومثبطات اللهب إلى الراتنج. عندما يتم صهر العديد من المواد البلاستيكية معًا ، يتم خلط البوليمرات مع عدد كبير من الإضافات غير المتوافقة ، مما ينتج عنه مادة جديدة ذات جودة أقل بكثير من الراتنج البكر المنتج حديثًا من المواد الخام. على هذا النحو ، يتم إعادة تدوير أقل من 10٪ من البلاستيك ميكانيكيًا أكثر من مرة ، وعادةً ما يحتوي البلاستيك المعاد تدويره أيضًا على راتينج بكر لتعويض انخفاض الجودة.
صورة GIF توضح كيف يتحلل بلاستيك PDK بسهولة عند وضعه في محلول حمضي. يساعد الحمض على كسر الروابط بين المونومرات وفصلها عن المضافات الكيميائية التي تعطي البلاستيك مظهره وملمسه. الائتمان: بيتر كريستنسن / مختبر بيركلي
تجنب بلاستيك PDK هذه المشكلة تمامًا - تم تصميم بوليمرات الراتينج لتتحلل بسهولة إلى مونومرات فردية عند مزجها مع حامض. يمكن بعد ذلك فصل المونومرات عن أي إضافات وتجميعها لصنع مواد بلاستيكية جديدة دون أي فقدان للجودة. يُظهر البحث السابق للفريق أن عملية "إعادة التدوير الكيميائي" هذه خفيفة على الطاقة وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، ويمكن تكرارها إلى أجل غير مسمى ، مما يخلق دورة حياة مادة دائرية تمامًا حيث يوجد حاليًا تذكرة باتجاه واحد للنفايات.
ومع ذلك ، على الرغم من هذه الخصائص المذهلة ، للتغلب على البلاستيك حقًا في لعبتهم الخاصة ، يجب أن تكون أجهزة PDK مريحة أيضًا. قد تكون إعادة تدوير البلاستيك التقليدي القائم على البترول أمرًا صعبًا ، لكن صنع بلاستيك جديد سهل للغاية.
قال سكاون: "نحن نتحدث عن مواد لا يُعاد تدويرها في الأساس". "لذلك ، من حيث جذب الشركات المصنعة ، لا تتنافس PDK مع البلاستيك المعاد تدويره - يجب أن تتنافس مع الراتنج البكر. وكنا سعداء حقًا برخص تكلفة إعادة تدوير المواد ومدى فعاليتها ".
سكاون ، وهو عالم في مجال تقنيات الطاقة والعلوم البيولوجية في Berkeley Lab ، متخصص في نمذجة التأثيرات البيئية والمالية المستقبلية للتكنولوجيات الناشئة. تعمل سكاون وفريقها على مشروع PDK منذ البداية ، مما يساعد مجموعة هيلمز من الكيميائيين وعلماء التصنيع على اختيار المواد الخام والمذيبات والمعدات والتقنيات التي ستؤدي إلى المنتج الأكثر تكلفة وصديقًا للبيئة.
وقالت: "نحن نأخذ التكنولوجيا في مراحلها الأولى ونصمم الشكل الذي ستبدو عليه في العمليات التجارية" باستخدام مدخلات وتقنيات مختلفة. تسمح عملية النمذجة التعاونية الفريدة لعلماء Berkeley Lab بتحديد تحديات التوسع المحتملة وإجراء تحسينات على العملية دون دورات مكلفة من التجربة والخطأ.
تقرير الفريق ، المنشور في Science Advances ، يصمم نموذجًا لخط أنابيب إنتاج وإعادة تدوير PDK على نطاق تجاري استنادًا إلى حالة تطور البلاستيك الحالية. "والوجبات الرئيسية هي أنه بمجرد إنتاج PDK مبدئيًا ووضعها في النظام ، فإن التكلفة وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري المرتبطة بالاستمرار في إعادة تدويرها إلى المونومرات وصنع منتجات جديدة قد تكون أقل من ، أو على الأقل على قدم المساواة مع العديد من البوليمرات التقليدية ، "قال سكاون.
التخطيط للانطلاق
بفضل التحسين من نمذجة العملية ، تجذب PDK المعاد تدويرها بالفعل اهتمام الشركات التي تحتاج إلى مصدر البلاستيك. يتطلع هيلمز وزملاؤه دائمًا إلى المستقبل ، وقد أجروا أبحاثًا عن السوق والاجتماع بأشخاص من الصناعة منذ الأيام الأولى للمشروع. يُظهر العمل القانوني الخاص بهم أن أفضل تطبيق مبدئي لأجهزة PDK هي الأسواق حيث ستستلم الشركة المصنعة منتجاتها مرة أخرى في نهاية عمرها الافتراضي ، مثل صناعة السيارات (من خلال عمليات التبادل والاسترداد) والإلكترونيات الاستهلاكية (من خلال النفايات الإلكترونية البرامج). ستتمكن هذه الشركات بعد ذلك من جني فوائد PDKs القابلة لإعادة التدوير بنسبة 100 ٪ في منتجاتها: العلامة التجارية المستدامة والمدخرات طويلة الأجل.
عمال فرز النفايات البلاستيكية.
قال هيلمز: "مع PDKs ، أصبح لدى العاملين في الصناعة الآن خيار". "إننا نجلب شركاء يقومون ببناء دائرية في خطوط إنتاجهم وقدراتهم التصنيعية ، ونمنحهم خيارًا يتماشى مع أفضل الممارسات المستقبلية."
تمت إضافة Scown: "نحن نعلم أن هناك اهتمامًا بهذا المستوى. تخطط بعض البلدان لفرض رسوم باهظة على المنتجات البلاستيكية التي تعتمد على المواد غير المعاد تدويرها. سيوفر هذا التحول حافزًا ماليًا قويًا للابتعاد عن استخدام الراتنجات البكر وسيؤدي إلى زيادة الطلب على المواد البلاستيكية المعاد تدويرها ".
بعد التسلل إلى السوق للمنتجات المعمرة مثل السيارات والإلكترونيات ، يأمل الفريق في توسيع PDKs إلى سلع ذات استخدام واحد أقصر عمرًا مثل التعبئة والتغليف.
مستقبل كامل الدائرة
أثناء صياغة خطط لإطلاق تجاري ، يواصل العلماء أيضًا تعاونهم التقني والاقتصادي في عملية إنتاج PDK. على الرغم من أنه من المتوقع بالفعل أن تكون تكلفة PDK المعاد تدويرها منخفضة بشكل تنافسي ، إلا أن العلماء يعملون على تحسينات إضافية لخفض تكلفة PDK البكر ، بحيث لا تثني الشركات عن سعر الاستثمار الأولي.
وحقيقيًا في الشكل ، يعمل العلماء خطوتين للأمام في نفس الوقت. يتعاون سكاون ، وهو أيضًا نائب الرئيس لدورة الحياة والاقتصاد والهندسة الزراعية في معهد الطاقة الحيوية المشترك (JBEI) ، وهيلمز مع جاي كيسلينج ، عالم الأحياء التركيبية الرائد في مختبر بيركلي وجامعة كاليفورنيا في بيركلي والرئيس التنفيذي لشركة JBEI ، لتصميم عملية لإنتاج بوليمرات PDK باستخدام مكونات سليفة من صنع الميكروبات. تستخدم العملية حاليًا مواد كيميائية صناعية ، ولكن تم تصميمها في البداية مع وضع ميكروبات Keasling في الاعتبار ، وذلك بفضل ندوة متعددة التخصصات صدفة.
قال هيلمز: "قبل وقت قصير من بدء مشروع PDK ، كنت في ندوة حيث كان جاي يصف جميع الجزيئات التي يمكنهم صنعها في JBEI مع ميكروباتهم المصممة هندسيًا". "لقد شعرت بالحماس الشديد لأنني رأيت أن بعض هذه الجزيئات كانت أشياء وضعناها في PDKs. أجرينا بعض الدردشات مع جاي ، وأدركنا أن البوليمر بأكمله تقريبًا يمكن تصنيعه باستخدام مواد نباتية تخمرها ميكروبات هندسية ".
"في المستقبل ، سنقوم بإدخال هذا المكون البيولوجي ، مما يعني أنه يمكننا البدء في فهم تأثيرات الانتقال من المواد الأولية التقليدية إلى مواد أولية حيوية فريدة ومميزة ربما تكون أكثر استدامة على المدى الطويل على أساس الطاقة أو الكربون أو كثافة المياه في الإنتاج وإعادة التدوير "، تابع هيلمز.
"لذا ، أين نحن الآن ، هذه هي الخطوة الأولى للكثيرين ، وأعتقد أن لدينا مدرجًا طويلًا حقًا أمامنا ، وهو أمر مثير."
المرجع: "تسوية التكلفة والبصمة الكربونية للبوليمرات الدائرية المعاد تدويرها كيميائيًا إلى مونومر" بقلم نيمي فورا ، وبيتر آر كريستنسن ، وجيريمي ديمارتو ، وناوا راج بارال ، وجاي دي كيسلينج ، وبريت إيه هيلمز ، وكورين د. 9 أبريل 2021، علم السلف.
DOI: 10.1126 / sciadv.abf0187
المسبك الجزيئي عبارة عن منشأة مستخدم تابعة لمكتب العلوم تابعة لوزارة الطاقة (DOE) متخصصة في علوم النانو. JBEI هو مركز أبحاث الطاقة الحيوية بتمويل من مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة.
تم دعم هذا العمل من قبل مكتب تقنيات الطاقة الحيوية بوزارة الطاقة الأمريكية وبرنامج مختبر بيركلي للبحث والتطوير الموجه للمختبرات (LDRD).
