В настоящее время полностью перерабатывается только около 2% пластмасс. Пластмассы PDK могут разрешить кризис одноразового использования.
Новый экологический и технологический анализ показывает, что революционный экологически чистый пластик почти готов поступить на прилавки магазинов.
Пластмассы являются частью почти каждого продукта, который мы используем ежедневно. В среднем человек в США производит около 100 кг пластиковых отходов в год, большая часть которых идет прямо на свалку. Команда под руководством Коринн Скоун, Бретта Хелмса, Джея Кизлинга и Кристин Перссон из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) намеревалась изменить это.
Менее двух лет назад Helms объявил об изобретении нового пластика это могло бы решить проблему кризиса отходов. Этот материал, получивший название поли (дикетоенамин) или PDK, обладает всеми удобными свойствами традиционных пластиков, избегая при этом экологических ловушек, поскольку в отличие от традиционных пластмасс, PDK можно перерабатывать неограниченное время без потери качества.
Теперь команда выпустила исследование, которое показывает, чего можно достичь, если производители начнут использовать PDK в больших масштабах. Нижняя линия? Пластик на основе PDK может быстро стать коммерчески конкурентоспособным по сравнению с обычным пластиком, а продукты со временем станут менее дорогими и более экологичными.
«Пластмассы никогда не предназначались для вторичной переработки. Необходимость в этом была признана намного позже », - объяснил Неми Вора, первый автор отчета и бывший научный сотрудник, работавший со старшим автором Коринн Скоун. «Но в основе этого проекта лежит обеспечение устойчивого развития. PDK были спроектированы таким образом, чтобы их можно было утилизировать с самого начала, и с самого начала команда работала над совершенствованием процессов производства и утилизации PDK, чтобы этот материал был недорогим и достаточно простым для использования в коммерческих масштабах в любых условиях: упаковка для автомобилей ».
В исследовании представлено моделирование предприятия производительностью 20,000 XNUMX метрических тонн в год, которое выпускает новые PDK и принимает использованные отходы PDK для вторичной переработки. Авторы рассчитали необходимые химические ресурсы и технологии, а также затраты и выбросы парниковых газов, а затем сравнили свои выводы с эквивалентными цифрами для производства обычных пластиков.
«В наши дни существует огромный толчок к принятию циркулярных экономику практики в отрасли. Все пытаются переработать то, что они выпускают на рынок», — сказал Вора. «Мы начали переговоры с промышленностью о применении 100% бесконечно переработанного пластика и вызвали большой интерес».
«Вопрос в том, сколько это будет стоить, каково будет влияние на потребление энергии и выбросы, и как добраться туда, где мы находимся сегодня», - добавил Хелмс, научный сотрудник Molecular Foundry лаборатории Беркли. «Следующий этап нашего сотрудничества - ответить на эти вопросы».
Проверка коробок с дешевым и легким
На сегодняшний день произведено более 8.3 миллиарда метрических тонн пластмасс, и подавляющее большинство из них попало на свалки или мусоросжигательные заводы. Небольшая часть пластмасс отправляется на переработку «механически», то есть они плавятся, а затем преобразуются в новые продукты. Однако польза от этого метода ограничена. Сама пластиковая смола состоит из множества идентичных молекул (называемых мономерами), связанных вместе в длинные цепи (называемые полимерами). Тем не менее, чтобы придать пластику множество текстур, цветов и свойств, в смолу добавляют такие добавки, как пигменты, термостабилизаторы и антипирены.. Когда многие пластмассы плавятся вместе, полимеры смешиваются с множеством потенциально несовместимых добавок, что приводит к новому материалу с гораздо более низким качеством, чем вновь полученная первичная смола из сырья. Таким образом, менее 10% пластика подвергается механической переработке более одного раза, а переработанный пластик обычно также содержит чистую смолу, чтобы компенсировать падение качества.
GIF-изображение, показывающее, как пластик PDK легко разрушается, когда его помещают в кислый раствор. Кислота помогает разорвать связи между мономерами и отделить их от химических добавок, которые придают пластику его внешний вид. Предоставлено: Питер Кристенсен / Лаборатория Беркли.
Пластмассы PDK полностью обходят эту проблему - полимеры смолы разработаны так, чтобы легко распадаться на отдельные мономеры при смешивании с кислота. Затем мономеры можно отделить от любых добавок и собрать для изготовления новых пластиков без потери качества. Более раннее исследование команды показывает, что этот процесс «химической переработки» не требует больших затрат энергии и выбросов углекислого газа, и его можно повторять бесконечно, создавая полностью замкнутый жизненный цикл материала, при котором в настоящее время существует билет в один конец, чтобы выбрасывать отходы.
Тем не менее, несмотря на эти невероятные свойства, чтобы по-настоящему превзойти пластмассы в их собственной игре, PDK также должны быть удобными. Переработка традиционного пластика на нефтяной основе может быть сложной задачей, но сделать новый пластик очень легко.
«Мы говорим о материалах, которые практически не перерабатываются», - сказал Скоун. «Таким образом, с точки зрения привлекательности для производителей, PDK не конкурируют с переработанным пластиком - они должны конкурировать с первичной смолой. И нам было очень приятно увидеть, насколько дешевым и эффективным будет переработка материала ».
Скоун, штатный научный сотрудник отдела энергетических технологий и биологических наук Berkeley Lab, специализируется на моделировании будущих экологических и финансовых последствий новых технологий. Скоун и ее команда работали над проектом PDK с самого начала, помогая группе химиков и ученых-технологов Хелмса выбрать сырье, растворители, оборудование и методы, которые позволят создать наиболее доступный и экологически чистый продукт.
«Мы берем технологию раннего этапа и проектируем, как она будет выглядеть в коммерческом масштабе», используя различные исходные данные и технологии, - сказала она. Этот уникальный процесс совместного моделирования позволяет ученым Berkeley Lab выявлять потенциальные проблемы масштабирования и вносить улучшения в процесс без дорогостоящих циклов проб и ошибок.
В отчете команды, опубликованном в Science Advances, моделируется конвейер по производству и переработке PDK в промышленных масштабах на основе текущего состояния разработки пластика. «И основные выводы заключались в том, что после того, как вы изначально произвели PDK и включили его в систему, стоимость и выбросы парниковых газов, связанные с продолжением его переработки обратно в мономеры и производства новых продуктов, могут быть ниже, чем или, по крайней мере, на одном уровне со многими обычными полимерами », - сказал Скоун.
Планируется запустить
Благодаря оптимизации на основе моделирования процесса переработанные PDK уже вызывают интерес у компаний, которым необходимо использовать пластик. Всегда смотрящий в будущее, Хелмс и его коллеги проводят маркетинговые исследования и встречаются с представителями промышленности с самого начала проекта. Их работа показывает, что лучшее начальное применение PDK - это рынки, на которых производитель будет получать свой продукт обратно в конце срока его службы, например, автомобильная промышленность (через обмен и возврат) и бытовая электроника (через электронные отходы). программ). Таким образом, эти компании смогут воспользоваться преимуществами 100% перерабатываемых PDK в своей продукции: устойчивый брендинг и долгосрочную экономию.
Рабочие сортируют пластиковые отходы.
«С PDK теперь у людей в промышленности есть выбор», - сказал Хелмс. «Мы привлекаем партнеров, которые создают цикличность в своих производственных линиях и производственных мощностях, и даем им возможность выбора, которая соответствует передовой практике будущего».
Скаун добавил: «Мы знаем, что на этом уровне есть интерес. Некоторые страны планируют взимать высокие сборы за пластиковые изделия, изготовленные из неперерабатываемых материалов. Этот сдвиг станет сильным финансовым стимулом для отказа от использования первичных смол и должен стимулировать большой спрос на переработанный пластик ».
Проникнув на рынок товаров длительного пользования, таких как автомобили и электроника, команда надеется расширить PDK до недолговечных товаров одноразового использования, таких как упаковка.
Полное будущее
Планируя коммерческий запуск, ученые также продолжают свое технико-экономическое сотрудничество в процессе производства PDK. Хотя стоимость переработанного PDK уже прогнозируется на низком уровне, ученые работают над дополнительными усовершенствованиями, чтобы снизить стоимость первичного PDK, чтобы компании не смущались первоначальной инвестиционной ценой.
И, естественно, ученые одновременно работают на два шага вперед. Скоун, который также является вице-президентом по жизненному циклу, экономике и агрономии в Объединенном институте биоэнергетики (JBEI), и Хелмс сотрудничают с Джеем Кизлингом, ведущим синтетическим биологом из Berkeley Lab и Калифорнийского университета в Беркли и генеральным директором JBEI, чтобы разработать процесс производства полимеров PDK с использованием ингредиентов-предшественников микробов. В настоящее время в этом процессе используются промышленные химические вещества, но изначально он был разработан с учетом микробов Кизлинга благодаря удачному междисциплинарному семинару.
«Незадолго до того, как мы начали проект PDK, я был на семинаре, где Джей описывал все молекулы, которые они могли создать в JBEI с помощью созданных ими микробов», - сказал Хелмс. «И я был очень взволнован, потому что увидел, что некоторые из этих молекул были вещами, которые мы помещали в PDK. Мы с Джеем поговорили и поняли, что почти весь полимер можно сделать из растительного материала, ферментированного искусственными микробами ».
«В будущем мы собираемся ввести этот биологический компонент, что означает, что мы сможем начать понимать последствия перехода от традиционного сырья к уникальному и, возможно, улучшенному сырью на основе биологических источников, который может быть более устойчивым в долгосрочной перспективе на основе - энергоемкость производства и вторичного использования энергии, углерода или воды », - продолжил Хелмс.
«То, где мы сейчас находимся, это первый шаг из многих, и я думаю, что впереди нас ждет действительно длинная взлетно-посадочная полоса, что очень интересно».
Ссылка: «Выравнивание стоимости и углеродного следа кольцевых полимеров, которые химически перерабатываются в мономер», - Неми Вора, Питер Р. Кристенсен, Джереми Демарто, Нава Радж Барал, Джей Д. Кизлинг, Бретт А. Хелмс и Корин Д. Скоун, 9 апреля 2021 г., Наука развивается.
DOI: 10.1126 / sciadv.abf0187
Молекулярный литейный цех - это пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики (DOE), который специализируется на наноразмерных науках. JBEI - это исследовательский центр биоэнергетики, финансируемый Управлением науки Министерства энергетики США.
Эта работа была поддержана Управлением биоэнергетических технологий Министерства энергетики США и программой лабораторных исследований и разработок (LDRD) лаборатории Беркли.
