چگونه تبخیر پلاستیک‌ها می‌تواند کلید نجات صنعت بازیافت شکست‌خورده باشد
تیمی از دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا، برکلی روشی جدید برای تجزیه پلاستیک‌ها به اجزای سازنده اصلی‌شان ابداع کرده‌اند. این روش می‌تواند صنعتی بازیافت با بازدهی بالا ایجاد کرده و نیاز به دریافت پلاستیک از سوخت‌های فسیلی را کاهش دهد.
مسئله در روش‌های بازیافت کنونی این است که پلاستیک‌ها با معماری‌های شیمیایی مختلف جمع‌آوری و ترکیب می‌شوند که نتیجه آن پلاستیک‌هایی ضعیف‌تر و کمتر مفید است.
«بزرگترین مسئله این است که صدها نوع مختلف از این پلاستیک‌ها با طول زنجیره‌های اتم کربنی و توزیع طول زنجیره‌ها متفاوت وجود دارد،» در مصاحبه‌ای با Interesting Engineering جان هارتویگ، استاد شیمی در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی که مسئولیت مطالعه جدید را برعهده داشت، گفت: «هر یک از این پلاستیک‌ها برای اهداف خاصی مانند ظرف ماست یا داخل درب خودرو از همان منومر ساخته شده‌اند، اما با معماری شیمیایی مختلف برای ایجاد خواص مختلف.»
پسماند پلاستیکی و بازیافت سنتی
پسماند پلاستیکی مسئله‌ای شناخته شده در سراسر جهان است. با وجود تلاش‌ها، این مسئله غیرقابل کنترل شده است. طبق گزارش برنامه محیط زیست سازمان ملل (UNEP)، حدود ۴۳۰ میلیون تن پلاستیک سالانه تولید می‌شود. تقریبا نیمی از آن به محل‌های دفن زباله می‌رود و ۲۲٪ آن به درستی مدیریت نمی‌شود و به محیط طبیعی می‌رسد.
این به دلیل این واقعیت است که جهان در تاریخ ۵ سپتامبر به روز اضافه مصرف پلاستیک رسید. یعنی روزی در سال که میزان پسماند پلاستیکی از ظرفیت سیستم‌های مدیریت پسماند برای مدیریت مقدار تولیدی بیشتر می‌شود.
این مسئله به زودی حل نخواهد شد و ما نیاز مبرم به راه‌حل‌های مؤثرتر داریم. به گفته هارتویگ و تیم او، عاقلانه نیست که به طور کامل از پلاستیک‌ها دوری کنیم. به جای آن، باید مطمئن شویم که می‌توانیم ارزش آن را در طول فرآیند بازیافت حفظ کنیم.
هارتویگ به IE گفت: «پلاستیک‌ها مواد فوق‌العاده‌ای هستند. آن‌ها از شیشه یا فلز سبک‌ترند اما می‌توانند استحکام کافی داشته باشند. از شیشه انعطاف‌پذیرترند. به عنوان مثال، یکی نمی‌تواند غذا را برای حفظ آن در شیشه بپیچد و سپس آن را در شیشه حمل و نگهداری کند. حتی تولید آن نسبت به کاغذ از انرژی و آب کمتری استفاده می‌کند.»
هارتویگ و تیم او روشی را برای حفظ ارزش اصلی پلاستیک‌های اولیه مانند پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن توسعه داده‌اند که به‌طور گسترده‌ای برای کیسه‌های پلاستیکی و بسته‌بندی‌های پلاستیکی سخت استفاده می‌شوند. آن‌ها فرآیند کاتالیزی را برای تبخیر این پلاستیک‌ها طراحی کرده‌اند و آن‌ها را به گازهای هیدروکربنی تبدیل می‌کنند. این گازها می‌توانند برای تولید پلاستیک‌های اولیه از ابتدا استفاده شوند.
بازیافت شیمیایی
روش جدید مسئله کلیدی بازیافت سنتی را حل می‌کند: بازده کم در کیفیت پلاستیک تولیدی. معمولاً، پلاستیک‌های تولید شده از طریق بازیافت برای همان بسته‌بندی پلاستیکی و ظروف موجود در سوپرمارکت‌ها، مانند ماست‌ها، کارتن‌های شیر و کیسه‌های پلاستیکی استفاده نخواهند شد.
در حقیقت، بعضی‌ها ادعا می‌کنند که کلمه ‘بازیافت’ اشتباه است و فرآیند پر استفاده باید در واقع “پایین‌سازی” نامیده شود. بطری‌ها و کالاهای سوپرمارکت، به عنوان مثال، غالباً به سینی‌های پلاستیکی و فرش تبدیل می‌شوند و نمی‌توانند برای تولید همان محصولات یکبار مصرف استفاده شوند.
هارتویگ گفت: «پلاستیک‌ها در حال حاضر توسط بازیافت مکانیکی بازیافت می‌شوند. با استفاده از این روش، پلاستیک‌هایی از نوع مشابه ترکیب شده و دوباره پردازش می‌شوند تا چیزی جدید بسازند. با این حال، خواص آن در بازیافت مکانیکی کاهش می‌یابد، بنابراین ارزش مواد تولید شده بسیار کمتر است.»
روش هارتویگ و تیم او به این مشکل پرداخته است. اگر به وعده‌های خود عمل کند، می‌تواند در نهایت اقتصادی چرخه‌ای واقعی برای پلاستیک‌های ارزشمند ایجاد کند. روش آن‌ها که به نام بازیافت شیمیایی شناخته می‌شود، پیوندهای شیمیایی در زنجیره‌های پلیمر را می‌شکند تا امکان ایجاد پلاستیک‌های اولیه جدید را فراهم کند. برخلاف بازیافت سنتی، فرایند تولید پلاستیک از ابتدا صورت می‌گیرد.
“در بهترین سناریو، زنجیره‌های پلیمر شکسته می‌شوند تا منومری را که از آن پلیمر ساخته شده است، دوباره ایجاد کنند،” هارتویگ توضیح داد. “در کار ما، ما راهی پیدا کردیم تا پیوندهای کربن-کربن را برای تشکیل یک محصول واحد که می‌تواند برای تولید پلاستیک‌های جدید استفاده شود، بشکنیم. بنابراین، می‌توان به صورت شیمیایی پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن را بازیافت کرد تا منومرهایی را که پلاستیک‌های جدید با خواص اولیه از آن‌ها ساخته شده‌اند، تولید کرد.”
مانند تجزیه یک زنجیره فلزی
برای ابداع روش جدید خود، هارتویگ و تیمش بر اساس یکی از مطالعات خود از سال 2022 کار کردند. در آن مقاله، آن‌ها فرآیند جدیدی را با استفاده از یک کاتالیزور برای شکستن پلیمرهای پلی‌اتیلن بلند به قطعات یکنواخت توضیح دادند. قطعات پروپیلن، مولکول سه‌کربنی، که در این فرآیند ایجاد می‌شود، اجزایی برای پلاستیک‌های ارزشمند مانند پلی‌پروپیلن هستند.
به عنوان بخشی از تحقیق اخیرشان، هارتویگ و تیمش نشان دادند که می‌توانند پیوندها در پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن را شکسته و یک محصول واحد بسازند. علاوه بر این، آن‌ها توانستند این کار را با استفاده از کاتالیزورهایی که ارزان و به طور تجاری در دسترس هستند، انجام دهند.
فرآیند آن‌ها زنجیره را در دمای 320 درجه سانتی‌گراد شکسته و یک پیوند دوگانه کربن-کربن واکنشی باقی می‌گذارد. کاتالیزور سپس از آن پیوند دوگانه در یک واکنش با اتیلن که دارای دو اتم کربن است، استفاده می‌کند. این یک اتم کربن را به انتهای زنجیره وصل می‌کند تا پروپیلن، که دارای سه اتم کربن است، تولید کند و زنجیره‌ای که یک اتم کربن کوتاه‌تر است باقی بماند.
به گفته هارتویگ، “این به طور تقریبی برای هر یک اتم کربن در زنجیره به وسیله کاتالیزور انجام می‌شود و پروپیلن گازی آزاد می‌کند.”
“به زبانی غیر شیمیایی، من دوست دارم آن را با تجزیه یک زنجیره فلزی مقایسه کنم،” او گفت. “ابتدا، ما زنجیره را در وسط با یک کاتالیزور شکسته و در انتها واحد واکنشی باقی می‌گذاریم - یک پیوند دوگانه کربن-کربن. در مقایسه با زنجیره این یک لینک باز است. سپس یک کاتالیزور آن لینک باز را با ضمیمه آن به یکی جدید حذف خواهد کرد.”
“با انجام این کار، لینک زنجیره بعدی باز می‌ماند. کاتالیزور سپس می‌تواند آن لینک زنجیره باز را در انتها به زنجیره جدیدی متصل کند،” هارتویگ ادامه داد. “در مقابل، می‌توان آن را مانند بازکردن گردنبند مروارید مقایسه کرد. در این تشبیه، زنجیره در وسط شکسته می‌شود، که اجازه می‌دهد مروارید‌ها یکی یکی برداشته شوند. در فرآیند برداشتن آن‌ها، آن‌ها به دو مروارید جدید متصل می‌شوند تا واحدهای جدیدی از سه مروارید تشکیل دهند.”
چه زمانی اقتصاد دورانی جدید را خواهیم دید؟
در نهایت، فرآیند جدید هارتویگ و تیم او می‌تواند به کاهش قابل توجهی در میزان پلاستیک‌های جدید تولیدی منجر شود. به مرور زمان، این موضوع می‌تواند مصرف گسترده سوخت‌های فسیلی برای تولید پلاستیک‌های جدید را کاهش دهد. همچنین از انباشت گسترده پلاستیک‌ها در محل‌های دفن زباله و ورود بسیاری از پسماندهای شیمیایی - که با روش‌های بازیافت سنتی تولید می‌شوند - به جو جلوگیری کند. روش جدید همچنین می‌تواند حجم چشمگیر پسماندهای موجود را کاهش دهد، زیرا این‌ها به منبعی برای پلاستیک‌های ارزشمند جدید تبدیل خواهند شد.
با این حال، ممکن است مدتی طول بکشد تا روش جدید در مقیاس صنعتی عمل کند. به گفته هارتویگ، “می‌توان تصور کرد که افزایش مقیاس واکنش با بهبود در کاتالیزور و مهندسی راکتورها امکان‌پذیر باشد. [با این حال]، پیش‌بینی زمان‌بندی و احتمال آن که تجاری شود بسیار دشوار است.”
این به معنای آن نیست که تیم او امیدوار به پیشرفت در مرحله بعدی نیستند. در حالی که هارتویگ تأکید می‌کند که “فرآیندهای شیمیایی بزرگ زمان زیادی برای ترجمه به مقیاس تجاری می‌گیرند”، او امیدوار است که تیم او نهایتاً به آنجا برسد. او توضیح داد: “ما به منابع مالی برای پر کردن فاصله بین اکتشاف و تجاری‌سازی درخواست داده‌ایم.”
