اصلاح پلیمری می‌تواند زباله‌ها را به پلاستیک‌های با کارایی بالاتر تبدیل کند
با اصلاح پلیمرهای پلاستیک‌های دور ریخته شده، شیمیدانان در آزمایشگاه ملی Oak Ridge وابسته به وزارت انرژی ایالات متحده، راهی برای تولید ماکرومولکول‌های جدید با ویژگی‌های با ارزش‌تر نسبت به مواد اولیه پیدا کرده‌اند. بازچرخانی (Upcycling) ممکن است به حل مشکل حدود ۴۵۰ میلیون تن پلاستیک که سالانه در سطح جهانی دور ریخته می‌شود، کمک کند که تنها ۹% آن بازیافت می‌شود؛ بقیه سوزانده می‌شود یا در محل‌های دفن زباله، اقیانوس‌ها یا سایر مکان‌ها پایان می‌یابد.
اختراع ORNL ممکن است سرنوشت زیست‌محیطی پلاستیک‌ها را با بازچینی بلوک‌های سازنده پلیمری برای سفارشی‌سازی ویژگی‌های پلاستیک‌ها تغییر دهد. زیرواحدهای مولکولی به هم متصل می‌شوند تا زنجیره‌های پلیمری تولید کنند که می‌توانند از طریق ستون فقرات خود و همچنین مولکول‌های متقاطع به هم متصل شوند و پلاستیک‌های چندمنظوره تشکیل دهند. ترکیب زنجیره‌های پلیمری تعیین‌کننده‌ی میزان استحکام، سختی یا مقاومت حرارتی این پلاستیک‌ها خواهد بود.
اصلاح مولکولی آنقدر امیدوارکننده است که اساس دو جایزه نوبل در شیمی بوده است. در سال ۲۰۰۵، این جایزه به توسعه‌دهندگان واکنش متاژنز اعطا شد که پیوندهای دوگانه بین اتم‌های کربن در حلقه‌ها و زنجیره‌ها را می‌شکند و می‌سازد تا زیرواحدهای آنها بتوانند برای ایجاد مولکول‌های جدید که تنها محدود به تخیل هستند، جابجا شوند. به طور مشابه، در سال ۲۰۲۰، این جایزه به توسعه‌دهندگان CRISPR، “قیچی‌های ژنتیکی” برای اصلاح رشته‌های DNA، پلیمرهای زیستی ساخته شده از زیرواحدهای نوکلئوتیدی که کد حیات را حمل می‌کنند، تعلق گرفت.
جفری فاستر گفت ” این CRISPR برای اصلاح پلیمرهاست”، “اما به جای اصلاح رشته‌های ژن، ما زنجیره‌های پلیمری را اصلاح می‌کنیم. این سناریوی معمول بازیافت پلاستیک ‘ذوب کن و امیدوار باش بهترین نتیجه را بگیری’ نیست.”محققان ORNL به طور دقیق پلیمرهای کالایی را اصلاح کردند که به طور قابل توجهی به زباله‌های پلاستیکی کمک می‌کنند. در برخی آزمایش‌ها، محققان با پلی‌بوتادین نرم کار کردند که در لاستیک خودروها رایج است. در آزمایش‌های دیگر، آنها با آکریلونیتریل بوتادین استایرن سخت کار کردند، ماده‌ای که در اسباب‌بازی‌های پلاستیکی، صفحه‌کلیدهای کامپیوتری، لوله‌های تهویه، کلاه ایمنی محافظتی، تریم و قالب‌گیری وسایل نقلیه و لوازم آشپزخانه استفاده می‌شود.
“این معضل یک جریان زباله است که واقعاً اصلاً بازیافت نمی‌شود”، فاستر گفت. “ما با این فناوری به یک جزء مهم از جریان زباله پرداخته‌ایم. این امر می‌تواند تأثیر بزرگی داشته باشد فقط از نظر حفظ جرم و انرژی از موادی که اکنون به محل‌های دفن زباله می‌روند”.
انحلال پلیمرهای ضایعاتی اولین گام در ایجاد مواد افزودنی قطره‌ای برای سنتز پلیمر است. محققان پلی بوتادین مصنوعی یا تجاری و آکریلونیتریل بوتادین استایرن را خرد کرده و مواد را در یک حلال به نام دی کلرومتان غوطه ور کردند تا یک واکنش شیمیایی در دمای پایین (40 درجه سانتیگراد) به مدت کمتر از دو ساعت انجام دهند.
یک کاتالیزور “روتنیوم” پلیمریزاسیون یا افزودن پلیمر را تسهیل کرد. شرکت‌های صنعتی از این کاتالیزور برای ساخت پلاستیک‌های مقاوم و تبدیل زیست‌توده مانند روغن‌های گیاهی به سوخت و سایر ترکیبات آلی با ارزش بدون مشکل استفاده کرده‌اند که پتانسیل استفاده از آن را در افزایش بازچرخانی شیمیایی برجسته می‌کند.
بلوک‌های سازنده مولکولی زنجیره اصلی پلیمری حاوی گروه‌های عاملی یا خوشه هایی از اتم‌ها هستند که به عنوان نقاط واکنشی برای اصلاح عمل می‌کنند. به طور خاص، پیوندهای دوگانه بین کربن‌ها احتمال واکنش‌های شیمیایی را که امکان پلیمریزاسیون را فراهم می‌کنند، افزایش می‌دهند. یک حلقه کربنی در یک پیوند دوگانه باز می‌شود تا یک زنجیره پلیمری ایجاد کند که با ورود مستقیم هر واحد پلیمری عملکردی رشد می‌کند و ماده را حفظ می‌کند. افزودنی پلاستیک همچنین به کنترل وزن مولکولی ماده سنتز شده و به نوبه خود، خواص و عملکرد آن کمک می‌کند.
اگر این استراتژی سنتز مواد بتواند به طیف گسترده‌تری از پلیمرهای مهم صنعتی گسترش یابد، ممکن است مسیر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه برای استفاده مجدد از مواد تولیدی باشد که امروزه فقط در یک محصول قابل استفاده هستند. مواد بازچرخانی شده ممکن است، به عنوان مثال، نرم‌تر و کشسان‌تر از پلیمرهای اصلی باشند یا شاید شکل‌پذیری و سختی بیشتری برای تبدیل به محصولات ترموست مقاوم داشته باشند.
دانشمندان با استفاده از دو فرآیند به طور همزمان، زباله‌های پلاستیکی را بازچرخانی کردند. هر دو نوعی از متاتز هستند که به معنای تغییر مکان‌ها است. پیوندهای دوگانه بین اتم‌های کربن شکسته و تشکیل می‌شوند و به زیرواحدهای پلیمر اجازه می‌دهند تا جابجا شوند.
یک فرآیند، به نام پلیمریزاسیون متاتز حلقه‌گشا (ring-opening metathesis polymerization)، حلقه‌های کربنی را باز می‌کند و آنها را به صورت زنجیره‌ای دراز می‌کند. فرآیند دیگر، متاتزی متقاطع (cross metathesis) نامیده می‌شود که زنجیره‌ای از زیرواحدهای پلیمری را از یک زنجیره پلیمری به زنجیره پلیمری دیگر وارد می‌کند.
بازیافت سنتی نمی‌تواند ارزش موجود در پلاستیک‌های دور ریخته شده را حفظ کند زیرا پلیمرهایی را دوباره استفاده می‌کند که با هر ذوب و استفاده مجدد خواص آنها کاهش می‌یابد. در مقابل، بازچرخانی نوآورانه ORNL از بلوک‌های سازنده موجود برای ترکیب جرم و ویژگی‌های ماده زباله استفاده کرده و عملکرد و خواصی بهبود یافته‌تر فراهم می‌آورد.
” این فرآیند جدید دارای اقتصاد بالای اتمی است”، فاستر گفت. “این بدان معناست که ما تقریباً می‌توانیم تمام ماده‌ای را که وارد می‌کنیم بازیابی کنیم.”
دانشمندان ORNL نشان دادند که این فرآیند، که انرژی کمتری مصرف کرده و تولید گازهای گلخانه‌ای کمتری نسبت به بازیافت سنتی دارد، به طور مؤثری مواد زباله را بدون کاهش کیفیت پلیمر ادغام می‌کند. فاستر گفت: “چشم‌انداز این است که این مفهوم می‌تواند به هر پلیمر که دارای نوعی گروه عاملی در زنجیره اصلی خود برای واکنش باشد، گسترش یابد”.
اگر این فرآیند به مقیاس بزرگ‌تری توسعه یابد و از افزودنی‌های دیگری استفاده کند، می‌توان از دسته‌های وسیع‌تری از زباله‌ها برای استخراج بلوک‌های سازنده مولکولی بهره‌برداری کرد و به طرز چشمگیری تأثیر زیست‌محیطی پلاستیک‌های دیگر که پردازش آنها دشوار است را کاهش داد. اقتصاد چرخشی -که در آن مواد زباله دوباره استفاده می‌شوند به جای اینکه دور ریخته شوند- به هدفی واقع‌بینانه‌تر تبدیل می‌شود.
در مرحله بعد، محققان به تغییر نوع زیرواحدها در زنجیره پلیمر و بازچینی آنها علاقه‌مند هستند تا ببینند آیا می‌توانند مواد ترموست با عملکرد بالا ایجاد کنند. نمونه‌هایی از این مواد شامل رزین‌های اپوکسی، لاستیک ولکانیزه، پلی‌یورتان و سیلیکون هستند. پس از سخت شدن، مواد ترموست نمی‌توانند دوباره ذوب یا شکل‌دهی شوند زیرا ساختار مولکولی آنها متقاطع است. این امر بازیافت آنها را به یک چالش تبدیل می‌کند.
محققان همچنین علاقه‌مند به بهینه‌سازی حلال‌ها برای پایداری زیست محیطی در طول فرآیند صنعتی هستند.
فاستر می‌گوید: «بر روی این پلاستیک‌های ضایعاتی به پیش‌فرآوری‌هایی نیاز است که هنوز باید آنها را کشف کنیم.
نویسنده: مهدیه رنجبر
مرجع :
بدون دیدگاه