Наразі лише близько 2% пластику повністю переробляється. Пластмаси PDK могли б вирішити кризу одноразового використання.
Новий екологічний та технологічний аналіз показує, що революційний екологічно чистий пластик майже готовий до появи на полицях.
Пластик є частиною майже кожного продукту, який ми використовуємо щодня. Середня людина в США виробляє близько 100 кг пластикових відходів на рік, більшість з яких прямує на сміттєзвалище. Команда під керівництвом Корін Скоун, Бретта Хелмса, Джея Кіслінга та Крістін Перссон з Національної лабораторії Лоуренса Берклі (Лабораторія Берклі) вирішила змінити це.
Менше двох років тому, Хелмс оголосив про винахід нового пластику які могли б подолати кризу відходів. Цей матеріал, який називається полі(дикетоенамін) або PDK, володіє всіма зручними властивостями традиційних пластмас, уникаючи при цьому екологічних пасток, тому що на відміну від традиційних пластмас, PDK можна переробляти необмежено без втрати якості.
Тепер команда опублікувала дослідження, яке показує, чого можна досягти, якщо виробники почали використовувати PDK у великих масштабах. Суть? Пластик на основі PDK може швидко стати комерційно конкурентоспроможним зі звичайним пластиком, а з часом вироби стануть менш дорогими та більш екологічними.
«Пластик ніколи не створювався для переробки. Необхідність зробити це була визнана вже давно», — пояснила Немі Вора, перший автор звіту та колишній докторант, який працював із старшим автором Корінн Скоун. «Але забезпечення сталого розвитку – це серце цього проекту. PDK були розроблені для переробки з самого початку, і з самого початку команда працювала над удосконаленням процесів виробництва та переробки для PDK, щоб матеріал був недорогим і досить простим, щоб його можна було використовувати в комерційних масштабах у будь-якому, від упаковка до автомобілів».
У дослідженні представлено моделювання для підприємства потужністю 20,000 XNUMX метричних тонн на рік, яке випускає нові PDK та приймає використані відходи PDK для переробки. Автори розрахували хімічні ресурси та необхідні технології, а також витрати та викиди парникових газів, а потім порівняли свої висновки з еквівалентними показниками для виробництва звичайних пластмас.
«У ці дні існує величезний поштовх до прийняття циркуляру економіка практики в галузі. Усі намагаються переробити все, що виставляють на ринок», — сказав Вора. «Ми почали говорити з представниками промисловості про впровадження 100% нескінченно переробленого пластику і отримали великий інтерес».
«Питання полягають у тому, скільки це буде коштувати, яким буде вплив на використання енергії та викиди, і як дістатися туди з того місця, де ми знаходимося сьогодні», – додав Хелмс, штатний науковець з молекулярного ливарного заводу Берклі Лабораторії. «Наступний етап нашої співпраці — відповісти на ці запитання».
Поставити галочки дешево і легко
На сьогодні вироблено понад 8.3 мільярда метричних тонн пластику, і переважна більшість з них опинилася на звалищах або на сміттєспалювальних заводах. Невелику частину пластику відправляють на переробку «механічно», тобто переплавляють, а потім формують у нові продукти. Однак ця техніка має обмежену користь. Сама пластикова смола складається з багатьох ідентичних молекул (так звані мономери), зв’язаних разом у довгі ланцюги (так звані полімери). Але щоб надати пластику його різноманітні текстури, кольори та можливості, до смоли додають такі добавки, як пігменти, термостабілізатори та антипірени.. Коли багато пластиків розплавляються разом, полімери змішуються з безліччю потенційно несумісних добавок, що призводить до отримання нового матеріалу набагато нижчої якості, ніж нещодавно виготовлена первісна смола із сировини. Таким чином, менше 10% пластику переробляється механічно більше одного разу, а перероблений пластик зазвичай також містить первинну смолу, щоб компенсувати зниження якості.
GIF, що показує, як пластик PDK легко руйнується, якщо його помістити в кислий розчин. Кислота допомагає розірвати зв’язки між мономерами та відокремити їх від хімічних добавок, які надають пластику його вигляд і відчуття. Авторство: Пітер Крістенсен/Лабораторія Берклі
Пластмаси PDK повністю обходять цю проблему – полімери смоли розроблені так, щоб легко розпадатися на окремі мономери при змішуванні з кислота. Потім мономери можна відокремити від будь-яких добавок і зібрати для виготовлення нових пластмас без втрати якості. Попередні дослідження команди показують, що цей процес «хімічної переробки» має низький рівень викидів енергії та вуглекислого газу, і його можна повторювати нескінченно, створюючи повністю круговий життєвий цикл матеріалу, де наразі є квиток на відходи в один кінець.
Проте, незважаючи на ці неймовірні властивості, PDK також повинні бути зручними, щоб по-справжньому перемогти пластик у власній грі. Переробка традиційного пластику на основі нафти може бути складною, але зробити новий пластик дуже легко.
«Ми говоримо про матеріали, які в основному не переробляються», — сказав Скоун. «Отже, з точки зору привабливості для виробників, PDK не конкурують з переробленим пластиком – вони повинні конкурувати з оригінальною смолою. І нам було дуже приємно побачити, наскільки дешевим і ефективним буде переробка матеріалу».
Скаун, який є штатним науковцем у галузі енергетичних технологій та біонаук Лабораторії Берклі, спеціалізується на моделюванні майбутніх екологічних та фінансових наслідків нових технологій. Скаун та її команда працювали над проектом PDK з самого початку, допомагаючи групі хіміків і вчених Хелмса вибрати сировину, розчинники, обладнання та методи, які приведуть до найбільш доступного та екологічно чистого продукту.
«Ми використовуємо технологію на ранній стадії та проектуємо, як вона буде виглядати в комерційних операціях», використовуючи різні вхідні дані та технології, сказала вона. Цей унікальний процес спільного моделювання дозволяє вченим лабораторії Берклі визначати потенційні проблеми з розширенням і вдосконалювати процес без дорогих циклів проб і помилок.
У звіті команди, опублікованому в Science Advances, моделюється промисловий конвеєр виробництва та переробки PDK на основі поточного стану розвитку пластику. «Основні висновки полягали в тому, що після того, як ви спочатку виготовили PDK і встановили його в систему, вартість та викиди парникових газів, пов’язані з продовженням переробки його назад у мономери та створення нових продуктів, можуть бути нижчими, ніж або, принаймні, нарівні з багатьма звичайними полімерами», – сказав Скоун.
Планується запуск
Завдяки оптимізації на основі моделювання процесів перероблені PDK вже викликають інтерес у компаній, які потребують придбання пластику. Завжди дивлячись у майбутнє, Хелмс та його колеги проводили дослідження ринку та зустрічалися з людьми з промисловості з перших днів проекту. Їхня робота показує, що найкраще початкове застосування для PDK — це ринки, де виробник отримає свій продукт назад після закінчення терміну його служби, наприклад, автомобільна промисловість (через обмін та повернення) та побутова електроніка (через електронні відходи). програми). Тоді ці компанії зможуть скористатися перевагами 100% перероблених PDK у своєму продукті: стійкий бренд і довгострокова економія.
Робітники сортують пластикові відходи.
«З PDK тепер люди в промисловості мають вибір», – сказав Хелмс. «Ми залучаємо партнерів, які впроваджують циклічність у свої лінії продуктів і виробничі можливості, і надаємо їм варіант, який відповідає майбутнім найкращим практикам».
Скоун додав: «Ми знаємо, що на такому рівні є інтерес. Деякі країни планують стягувати значну плату за пластикові вироби, які не переробляються. Ця зміна надасть сильний фінансовий стимул для відмови від використання первинних смол і повинна викликати великий попит на перероблений пластик».
Після проникнення на ринок довготривалих товарів, таких як автомобілі та електроніка, команда сподівається розширити PDK до одноразових товарів, таких як упаковка, що мають короткий термін служби.
Майбутнє повного кола
Коли вони планують комерційний запуск, вчені також продовжують техніко-економічне співробітництво над виробничим процесом PDK. Хоча вартість переробленого PDK вже за прогнозами буде конкурентно низькою, вчені працюють над додатковими удосконаленнями, щоб знизити вартість первинного PDK, щоб компанії не відлякувала початкова інвестиційна ціна.
І справді, вчені працюють на два кроки вперед одночасно. Скаун, який також є віце-президентом з життєвого циклу, економіки та агрономії в Об’єднаному інституті біоенергетики (JBEI), і Хелмс співпрацюють з Джеєм Кіслінгом, провідним синтетичним біологом в Berkeley Lab і UC Berkeley і генеральним директором JBEI, щоб розробити процес виробництва полімерів PDK з використанням інгредієнтів-попередників, виготовлених мікробами. Зараз у процесі використовуються промислові хімікати, але спочатку він був розроблений з урахуванням мікробів Кіслінга завдяки випадковому міждисциплінарному семінару.
«Незадовго до того, як ми розпочали проект PDK, я був на семінарі, де Джей описував усі молекули, які вони могли створити в JBEI за допомогою своїх сконструйованих мікробів», — сказав Хелмс. «І я був дуже схвильований, тому що побачив, що деякі з цих молекул були речами, які ми поміщали в PDK. Ми з Джеєм кілька разів поспілкувалися, і ми зрозуміли, що майже весь полімер можна зробити з рослинного матеріалу, ферментованого спеціально створеними мікробами».
«У майбутньому ми збираємося залучити цей біологічний компонент, що означає, що ми зможемо почати розуміти вплив переходу від звичайної сировини до унікальної та, можливо, корисної сировини на біологічній основі, яка може бути більш стійкою в довгостроковій перспективі на основі енергоємність, вуглецю або водоємність виробництва та переробки», – продовжив Хелмс.
«Отже, там, де ми зараз, це перший крок багатьох, і я думаю, що перед нами справді довга злітно-посадкова смуга, що є захоплюючим».
Довідка: «Вирівнювання вартості та вуглецевого сліду циркулярних полімерів, які хімічно переробляються в мономер», Немі Вора, Пітер Р. Крістенсен, Джеремі Демарто, Нава Радж Барал, Джей Д. Кіслінг, Бретт А. Хелмс та Корінн Д. Скоун, 9 квітня 2021 року, Наука розвивається.
DOI: 10.1126/sciadv.abf0187
Molecular Foundry — це установа для користувачів Управління науки Департаменту енергетики (DOE), яка спеціалізується на нанорозмірній науці. JBEI — це науково-дослідний центр біоенергетики, який фінансується Управлінням науки Міністерства економіки США.
Ця робота була підтримана Управлінням біоенергетичних технологій Міністерства енергетичних технологій та програмою лабораторних досліджень та розробок лабораторії Берклі (LDRD).
