شیمیدانان کشف کردند که رنگدانه پلاستیکی رایج باعث افزایش دی‌پلیمریزاسیون می شود
به نظر می رسد که درب پلاستیکی مشکی بالای فنجان قهوه شما یک قدرت فوق العاده دارد. و آزمایشگاه شیمی Stache در پرینستون، که آن را کشف کرد، از این ویژگی برای بازیافت حداقل دو نوع اصلی پلاستیک استفاده می‌کند.
مکانیسم شگفت‌انگیز آنها برای تسریع در فرآیند جداسازی پلیمرها، به یک افزودنی متکی است که بسیاری از پلاستیک‌ها از قبل حاوی آن هستند: یک رنگدانه به نام کربن بلک که به پلاستیک رنگ سیاه می‌دهد از طریق فرآیندی به نام تبدیل فوتوترمال، نور شدید روی پلاستیک حاوی این رنگدانه متمرکز می‌شود که باعث آغاز فرآیند تخریب می‌گردد.
تاکنون، پژوهشگران نشان داده‌اند که کربن بلک می‌تواند پلی‌استایرن و پلی‌وینیل کلراید (PVC) را که دو مورد از کم‌ترین پلاستیک‌های بازیافتی در جریان زباله‌های سیاره زمین هستند، تجزیه کند.
دو مقاله اخیر پتانسیل این روش را برجسته کرده‌اند. اول، در مجله ACS Central Science در پایان سال گذشته، یک اثبات برای تجزیه پلی‌استایرن با استفاده از یک لنز فرنل معمولی برای متمرکز کردن انرژی فوتونی ارائه شد. سپس، در اوایل این ماه، آزمایشگاه روش خود را برای بازیافت PVC در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر کرد. در هر دو مورد، کربن بلک به عنوان محرک تجزیه عمل می‌کند، ویژگی‌ای که ارین استاچ، استادیار شیمی، اخیراً کشف کرده است و حتی شرکای صنعتی که با آنها صحبت کرده‌اند از آن بی‌اطلاع بودند. روش این آزمایشگاه از آن زمان بر روی زباله‌های مصرف‌شده مانند لوله‌های PVC، لوله‌های سیاه ساختمانی، کیسه‌های زباله، کارت‌های اعتباری و حتی اردک‌های پلاستیکی زرد رنگ که همه‌جا دیده می‌شوند، آزمایش شده است.
ارین استاچ گفت :”نکته شگفت‌انگیز، به‌ویژه در مورد تجزیه پلی‌استایرن سیاه، این است که این مواد برای دهه‌ها تولید شده‌اند و به نظر می‌رسد هیچ‌کس متوجه نشده بود که این امکان وجود دارد که در نور معمولی خورشید، انرژی برای تجزیه این پلیمرها کافی نیست. اما اگر شدت نور را به اندازه کافی افزایش دهید، آنگاه می‌توانید شروع تجزیه را مشاهده کنید.”
“ما قطعاً می‌توانیم عادات خود را تغییر دهیم تا به کاهش میزان پلاستیک مصرفی کمک کنیم. اما نمی‌توانیم وابستگی خود به پلاستیک را کاملاً از بین ببریم. بنابراین، آیا می‌توانیم به جای آن، پلاستیک را به عنوان یک منبع در نظر بگیریم؟ آیا می‌توانیم آن را به مواد شیمیایی دیگری تبدیل کنیم که به هر حال مجبور به تولید آنها هستیم؟ ما دریافته‌ایم که این کار ممکن است.”
در مقاله‌شان در مجله ACS، پژوهشگران نشان دادند که نمونه‌های پلی‌استایرن سیاه مصرف‌شده و بدون تغییر، با موفقیت به مونومر استایرن تجزیه شدند، بدون اینکه نیاز به افزودن کاتالیزور یا حلال باشد. تابش ساده و متمرکز نور بر پلاستیک، بازده مونومر را تا ۸۰٪ در تنها پنج دقیقه فراهم کرد.
هانینگ جیانگ، نویسنده مشترک اول مقاله گفت :”به نظر من این ترکیب بین استراتژی‌های فوتوترمال و تجزیه پلیمرها واقعاً انقلابی است. پلاستیک‌های سیاه رنگ حدود ۱۵٪ از کل پلاستیک‌ها را تشکیل می‌دهند، و ما دریافتیم که ۱۰٪ وزنی پلی‌استایرن سیاه در مخلوط پلاستیک برای دستیابی به بازده خوب کافی است.”
“کربن بلک از طیف UV تا IR را جذب می‌کند، و این عالی است زیرا ما می‌خواهیم این ماده تا حد امکان نور را جذب کرده و آن را به گرما تبدیل کند.”
در مرحله بعد، آزمایشگاه روش خود را برای PVC تطبیق داد و نتایج قوی‌ای به دست آورد. آنها این فرآیند را با افزودن پلی‌استایرن به مخلوط PVC و کربن بلک گسترش دادند. استاچ گفت :”ما اساساً آن را با قاشق مخلوط کردیم،” و توانستند این ماده را بازیافت کرده و سپس آن را به چند محصول مصرفی رایج تبدیل کنند.
- بخشی از چالش بازیافت PVC این است که این ماده دارای پیوندهای کربن-کلر است که اگر به صورت مکانیکی و شیمیایی بازیافت شود اسید هیدروکلریک (HCl) تولید می‌کند. اسید هیدروکلریک خورنده و بسیار سمی است.استاچ توضیح داد :”ما از کربن بلک برای شروع تخریب حرارتی PVC استفاده کردیم، HCl تولید کردیم و سپس یک پذیرنده برای HCl اضافه کردیم که با آن واکنش داده و یک ادکت (ترکیب اضافی) تشکیل می‌دهد.”بنابراین شما اساساً می‌توانید از این فرآیند یک ماده شیمیایی جدید به دست آورید. ما از چیزی که معمولاً یک فرآیند مضر محسوب می‌شود یعنی HCl استفاده کرده و آن را به یک ماده شیمیایی دیگر اضافه می‌کنیم، و در نهایت یک محصول جدید به دست می‌آوریم.”
دانشجوی کارشناسی اریک مدینا به تیم می‌پیوندد
اریک مدینا گفت که این پروژه در ابتدا چالش‌برانگیز بود. پژوهشگران می‌دانستند که این فرآیند شیمیایی امکان‌پذیر است، اما نگرانی‌های فنی اولیه در مورد تنظیمات واکنش، کار را کند کرد. مدینا بخشی از این پشتکار خود را مدیون تصمیمش برای “اجازه ندادن به سیستم برای پیروزی” دانست.
مدینا گفت: “نیاز است که از منابع شیمیایی موجود در مواد اولیه به طور کامل استفاده شود. دوست دارم ببینم که مردم راه‌های خلاقانه‌تری برای استفاده از افزودنی‌های رایج مانند کربن بلک برای این کار پیدا می‌کنند. ترموپلاستیک‌ها در مقیاسی بسیار بزرگ تولید می‌شوند، بنابراین برای مدیریت مؤثر آنها به عنوان زباله، باید یک استراتژی ساده وجود داشته باشد. من واقعاً فکر می‌کنم که کار ما با تبدیل فوتوترمال کربن بلک پتانسیل واقعی برای اجرا در سطح صنعتی را دارد”.
یکی از چالش‌های فرآیندهای مبتنی بر نور مانند تبدیل فوتوترمال، مقیاس‌پذیری است تا بتوان آن را در یک محیط صنعتی به کار گرفت. به عنوان مثال: آیا می‌توان فوتون‌های کافی را به سیستم وارد کرد که همچنین بتوانند لایه‌های زباله را نفوذ کرده و به کل مخلوط برسند تا فرآیند شیمیایی را پیش ببرند؟
استاچ اطمینان دارد که روش آنها همچنان ثمر بخش خواهد بود. او گفت: “ما از زباله‌های مصرف‌شده استفاده می‌کنیم و فقط با تابش نور به آن، آن را تجزیه می‌کنیم. این کاربردی‌ترین کاری است که می‌توان انجام داد. اکنون، ما در حال تلاش برای توسعه بسیاری از راه‌حل‌های بنیادی هستیم و سپس شروع به همکاری با مهندسان می‌کنیم تا بفهمیم چگونه این فرآیند را مقیاس‌پذیر کنیم. اگر شیمی جواب دهد، راهی برای مقیاس‌پذیر کردن آن پیدا خواهید کرد.”
نویسنده خبر: مهدیه رنجبر
مرجع:
بدون دیدگاه