يمكن لتقنيات إعادة التدوير الجديدة أن تمنع المزيد من البلاستيك من مدافن النفايات

من الجيد إعادة التدوير. عندما تقوم بفرز زجاجات الصودا والأكياس البلاستيكية عن بقية القمامة ، يبدو أنك تساعد الكوكب. كلما وضعت المزيد من البلاستيك في الحاوية الزرقاء ، زادت إبعادك عن مدافن النفايات ، أليس كذلك؟

خاطئ - ظلم - يظلم. بغض النظر عن كمية البلاستيك التي تحاول إعادة تدويرها ، ينتهي الأمر بمعظمها في كومة القمامة.

خذ عبوات طعام مرنة. تحتوي تلك الأفلام على عدة طبقات ، كل منها مصنوع من نوع مختلف من البلاستيك. نظرًا لأنه يجب إعادة تدوير كل نوع على حدة ، فإن هذه الأفلام غير قابلة لإعادة التدوير. حتى بعض العناصر المصنوعة من نوع واحد فقط من البلاستيك لا يمكن إعادة تدويرها. تحتوي أكواب الزبادي ، على سبيل المثال ، على بلاستيك يسمى البولي بروبيلين (Pah-lee-PROH-puh-leen). عندما يتم إعادة تدوير هذا ، فإنه يتحول إلى مادة كريهة الرائحة ومظلمة. لذلك فإن معظم مصانع إعادة التدوير لا تهتم بها.

يُعاد تدوير نوعين فقط من البلاستيك في الولايات المتحدة. واحد هو النوع المستخدم في زجاجات الصودا. هذا يسمى PET ، وهو اختصار لـ polyethylene terephthalate (Pah-lee-ETH-uh-leen TAIR-eh-THAAL-ayt). والآخر هو البلاستيك الموجود في أباريق الحليب وحاويات المنظفات. هذا هو البولي إيثيلين عالي الكثافة ، أو HDPE. تشكل هذه المواد البلاستيكية معًا جزءًا صغيرًا فقط من النفايات البلاستيكية. في عام 2018 وحده ، دفنت الولايات المتحدة 27 مليون طن من البلاستيك ، وفقًا لوكالة حماية البيئة الأمريكية. تم إعادة تدوير 3 ملايين طن فقط.

لا تعد معدلات إعادة التدوير المنخفضة مجرد مشكلة في الولايات المتحدة. تم إعادة تدوير 9 في المائة فقط من جميع نفايات البلاستيك في العالم. تم حرق اثني عشر في المئة. تسعة وسبعون في المائة تراكمت على الأرض أو في المجاري المائية. أبلغ الباحثون عن هذه التقديرات في عام 2017 في Science Advances .

أخبار سارة / أخبار سيئة

زادت كمية البلاستيك المعاد تدويره في الولايات المتحدة خلال العقود القليلة الماضية. ومع ذلك ، فإن هذه المستويات لا تزال باهتة مقارنة بكمية البلاستيك التي تذهب إلى مدافن النفايات.

إدارة النفايات البلاستيكية ، 1960-2018

حتى عندما يتم إعادة تدوير البلاستيك ، فإنه ليس مفيدًا كثيرًا. تؤدي إعادة التدوير إلى تغيير قوام البلاستيك. لذلك يجب خلط البلاستيك المعاد تدويره بمواد جديدة تمامًا لصنع منتجات قوية. علاوة على ذلك ، فإن إعادة تدوير مجموعة من البلاستيك الملون معًا ينتج عنه خليط داكن. وهذا يعني أنه لا يمكن استخدام الكثير من البلاستيك المعاد تدويره إلا لصنع العناصر التي لا يهم لونها ، مثل المقاعد وحاويات القمامة.

من الواضح أن إعادة تدوير البلاستيك لديها مجال كبير للتحسين. ومع تراكم البلاستيك في كل مكان من قمم الجبال إلى قاع البحر ، هناك حاجة ملحة لإعادة التدوير بشكل أفضل. لحسن الحظ ، فإن الكيميائيين في جميع أنحاء العالم على هذه القضية. يحاول البعض تسهيل إعادة تدوير المزيد من أنواع البلاستيك. يحاول آخرون تحويل البلاستيك المعاد تدويره إلى منتجات أكثر فائدة. كلتا الإستراتيجيتين يمكن أن تقلل كمية الرياح البلاستيكية التي تصل إلى مدافن النفايات أو المحيطات.

التقاط البلاستيك بعيدًا

يتمثل أحد التحديات الكبيرة لإعادة التدوير في أنه يجب معالجة كل نوع من البلاستيك على حدة. يقول جيفري كوتس:"معظم المواد البلاستيكية مثل الزيت والماء". إنه كيميائي في جامعة كورنيل في إيثاكا ، نيويورك ، البلاستيك فقط لا يختلط ، كما يقول. خذ على سبيل المثال حاوية المنظفات. قد يكون الإبريق من بلاستيك HDPE ، لكن غطائه مصنوع من مادة البولي بروبيلين. ماذا سيحدث إذا أذاب مصنع إعادة التدوير هذين البلاستيكين معًا وحاول صنع إبريق جديد من الخليط؟ يقول كوتس:"سوف يؤدي ذلك بشكل أساسي إلى كسر الجانب". "إنه جنوني هش. لا قيمة لها على الإطلاق. "

هذا هو السبب في أن كل البلاستيك الموجود في حاوية إعادة التدوير يذهب أولاً إلى منشأة استعادة المواد. هناك ، يقوم الأشخاص والآلات بفرز القمامة. يتم بعد ذلك غسل المواد البلاستيكية التي تم فرزها وتمزيقها وصهرها وإعادة تشكيلها. يعمل النظام جيدًا مع العناصر البسيطة مثل زجاجات الصودا وأباريق الحليب. لكنها لا تعمل مع عناصر مثل حاويات مزيل العرق. يمكن أن تكون زجاجة مزيل العرق والغطاء والكرنك من مواد بلاستيكية مختلفة.

يصعب تفكيك أغشية تغليف المواد الغذائية المصنوعة من طبقات بلاستيكية مختلفة. كل عام ، يتم إنتاج 100 مليون طن من هذه الأفلام في جميع أنحاء العالم. يقول جورج هوبر إن كل هذه الأفلام تذهب إلى مكبات النفايات. إنه مهندس كيميائي في جامعة ويسكونسن ماديسون.

توصل هوبر وزملاؤه إلى طريقة لفرز هذه الخلطات المزعجة من البلاستيك. يستخدم الباحثون سوائل مختلفة لإذابة أجزاء بلاستيكية مختلفة من أحد العناصر. يقول هوبر إن الحيلة تكمن في اختيار السوائل المناسبة لإذابة بلاستيك واحد فقط في كل مرة. تم وصف هذه الإستراتيجية في 18 نوفمبر الماضي في Science Advances .

الدعاية الكاذبة

يتم تمييز العديد من المنتجات البلاستيكية برقم داخل مثلث يرمز إلى إعادة التدوير. ومع ذلك ، يتم إعادة تدوير المواد البلاستيكية التي تحتوي على 1 (بولي إيثيلين تيريفثاليت) أو 2 (بولي إيثيلين عالي الكثافة) على نطاق واسع في الولايات المتحدة. وعادة ما يتم دفن البقية في مكبات النفايات.

PET
زجاجات المياه والمشروبات الغازية ، قبب السلطة ، صواني البسكويت ، تتبيلة السلطة وأوعية زبدة الفول السوداني

HDPE
زجاجات الحليب والعصير وأكياس الفريزر والشامبو وزجاجات المنظفات

PVC
حاويات مستحضرات التجميل ، أغلفة تغليف تجارية

LDPE
زجاجات ضغط ، غلاف بلاستيكي ، أكياس قمامة

PP
أطباق الميكروويف وأحواض الآيس كريم وحاويات الزبادي وأغطية زجاجات المنظفات

PS
علب أقراص مضغوطة وأكواب بلاستيكية وأدوات مائدة بلاستيكية وحافظات فيديو

EPS
أكواب المشروبات الساخنة من البوليسترين الرغوي وصواني الوجبات الجاهزة وعبوات واقية للمواد الهشة

أخرى
زجاجات مبرد الماء ، أغشية مرنة ، عبوات متعددة المواد

اختبر فريق Huber هذه التقنية على فيلم لتغليف المواد الغذائية. احتوى الفيلم على ثلاث مواد بلاستيكية:البولي إيثيلين ، PET وكحول الإيثيلين فينيل ، أو EVOH. قام الباحثون أولاً بتحريك الفيلم إلى سائل يسمى التولوين (TAHL-you-een). أدى ذلك إلى حل طبقة البولي إيثيلين. ثم قام فريق Huber بغمر الفيلم في مادة كيميائية أخرى لتجريد EVOH. قام الباحثون بإخراج فيلم PET المتبقي ووضعه جانبًا. لاستعادة البلاستيكين الآخرين من السوائل ، خلط الباحثون في مواد كيميائية "مضادة للمذيبات". تسببت هذه المواد الكيميائية في انجراف جزيئات البلاستيك في السوائل لتتجمع معًا بحيث يمكن التخلص منها لاحقًا.

صنع مزيج البلاستيك

قد تكون هناك طرق مختصرة لإعادة تدوير الخلائط غير المصنفة من البلاستيك. تساعد المواد الكيميائية المسماة "أجهزة التوافقية" على مزج أنواع مختلفة من البلاستيك. لا توجد مادة كيميائية تسمح باختلاط كل نوع من البلاستيك. لكن فريق Coates صنع واحدًا للجمع بين البولي إيثيلين والبولي بروبيلين. يمكن أن يجعل إعادة التدوير أسهل بكثير. يشكل هذان النوعان من البلاستيك الجزء الأكبر من النفايات البلاستيكية في العالم.

يحتوي جهاز التوافق الجديد على جزيئات مصممة خصيصًا. يحتوي كل جزيء على أربع قطع. قطعتان من البولي إيثيلين تتناوبان مع قطعتين من البولي بروبلين. هذه القطع تلتصق بجزيئات بلاستيكية من نفس النوع في خليط. يبدو الأمر كما لو أن البولي إيثيلين مصنوع من الليغو ، والبولي بروبيلين مصنوع من دوبلوس. جزيء التوافق يشبه الموصل الذي يناسب كلا النوعين من الكتل. يساعد ذلك على الارتباط بين جزيئات البولي إيثيلين والبولي بروبيلين. أبلغ الباحثون عن هذا العمل في عام 2017 في العلوم .

تضمن الاختبار الأول لجهاز التوافق هذا استخدامه كغراء. قام فريق Coates بنشر طبقة من المادة الكيميائية بين شريط من البولي إيثيلين وشريط من البولي بروبيلين. بعد ذلك ، حاول الباحثون تقشير المواد البلاستيكية. عادة ما ينفصل البلاستيكان بسهولة. ولكن مع وجود الغراء بينهما ، انكسرت الشرائط البلاستيكية قبل الختم.

قام الباحثون أيضًا بخلط جهاز التوافق الخاص بهم في مزيج ذائب من البلاستيكين. أدت إضافة 1 في المائة فقط من المادة الكيميائية الجديدة إلى إنشاء منتج بلاستيكي قاسٍ.

بحالة جديدة

لا يكفي تسهيل إعادة تدوير البلاستيك. لإعادة استخدام نفس المادة مرارًا وتكرارًا ، يجب أن يكون البلاستيك المعاد تدويره جيدًا مثل الجديد. الآن ، هو من الدرجة الثانية.

مشكلة واحدة هي جميع المواد الكيميائية الزائدة في القمامة البلاستيكية. غالبًا ما تحتوي المواد البلاستيكية على أصباغ ومثبطات اللهب ومواد مضافة أخرى. إعادة التدوير الحالية لا يمكن التخلص من تلك الملوثات. نتيجة لذلك ، يأتي البلاستيك المعاد تدويره مع الكثير من الشوائب. يمكن لعدد قليل من الشركات المصنعة استخدام البلاستيك مع خليط عشوائي من الخصائص لصنع شيء جديد.

الشرح:ما هي الروابط الكيميائية؟

بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي إعادة التدوير إلى كسر بعض الروابط الكيميائية في جزيئات البلاستيك. يؤثر ذلك على قوة المادة واتساقها. إعادة تدوير البلاستيك يشبه إلى حد ما إعادة تسخين البيتزا في الميكروويف. أنت تحصل على ما وضعته إلى حد كبير ، لكن ليس جيدًا. هذا يحد من عدد المرات التي يمكن فيها إعادة تدوير البلاستيك.

يمكن أن يكون حل كلتا المشكلتين نوعًا جديدًا من إعادة التدوير ، يسمى إعادة التدوير الكيميائي. تفصل هذه العملية البلاستيك على المستوى الجزيئي. ويمكن أن تجعل البلاستيك النقي الجديد عددًا لا نهائيًا من المرات.

تسمى الجزيئات التي يتكون منها البلاستيك بالبوليمرات. تتكون هذه البوليمرات ، بدورها ، من كتل بناء أصغر تسمى المونومرات. يمكن للحرارة والمواد الكيميائية تحطيم البوليمرات إلى مونومرات. يمكن بعد ذلك فصل هذه المونومرات عن الأصباغ والملوثات الأخرى. يؤدي إعادة تجميع المونومرات النقية معًا إلى تكوين بلاستيك يكون جيدًا كما لو كان جديدًا.

الشرح:ما هي البوليمرات؟

يقول إريك بيكمان:"لقد بدأت إعادة التدوير الكيميائي بالفعل في الظهور كقوة… خلال السنوات الثلاث أو الأربع الماضية". إنه مهندس كيميائي في جامعة بيتسبرغ في بنسلفانيا. لكن معظم عمليات إعادة التدوير الكيميائية تتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة. يقول:"إنها ليست جاهزة لوقت الذروة".

بعض المواد البلاستيكية أسهل في إعادة التدوير كيميائيًا من غيرها. يقول بيكمان:"إن الأبعد هو PET". هذا هو البلاستيك الموجود في زجاجات المياه والمشروبات الغازية. "هذا البوليمر يكون من السهل تفكيكه." تحاول العديد من الشركات إعادة تدوير مادة PET كيميائيًا. إحداها شركة فرنسية تسمى Carbios.

يقوم Carbios بتفكيك PET باستخدام جزيء يسمى إنزيم. تنتج الميكروبات الموجودة في السماد بشكل طبيعي هذا الإنزيم لتحلل الطبقة الشمعية على الأوراق. لكن الإنزيم جيد أيضًا في تفكيك PET. يقول آلان مارتي:"إن الإنزيم يشبه المقص الجزيئي". وهو كبير المسؤولين العلميين في Carbios في سان بوزير ، فرنسا. يقوم الإنزيم بقص بوليمرات PET إلى مونومرين خاصين بها. واحد هو الإيثيلين جلايكول. والآخر هو حمض التيريفثاليك.

الشرح:ما هي الأحماض والقواعد؟

لأن هذا الإنزيم تطور لتحلل الأوراق ، وليس البلاستيك ، فهو ليس مثاليًا. لكن فريق مارتي حسّنه من خلال إعادة تصميم "موقعه النشط". هذا هو المكان الذي يلتصق فيه الإنزيم بـ PET. تضمنت إعادة التصميم مبادلة بعض الأحماض الأمينية في الموقع النشط بأخرى. أبلغ مارتي وزملاؤه كيف فعلوا ذلك في 8 أبريل 2020 في الطبيعة .

اختبر الباحثون إنزيمهم الذي تمت ترقيته على رقائق بلاستيكية من زجاجات بلاستيك بولي إيثيلين تيرفثالات ملونة. حوالي 90 في المائة من البلاستيك تحطم في حوالي 10 ساعات. قام الفريق بتنقية مونومرات PET واستخدمها في صنع زجاجات بلاستيكية شفافة جديدة. كانت تلك الزجاجات بنفس قوة النسخ الأصلية. يقوم Carbios الآن ببناء مصنع في فرنسا لإعادة تدوير مادة PET كيميائيًا.

المساعدة الميكروبية

في إحدى الدراسات ، حطم إنزيم تنتجه الميكروبات بشكل طبيعي حوالي 50 في المائة من البولي إيثيلين تيريفثاليت ، أو PET (الخط الأزرق). حطمت نسخة معدلة من الإنزيم أكثر من 80 في المائة من البلاستيك (الخط المنقط الأسود). زيادة كمية الإنزيم من 1 ملليغرام لكل جرام من PET إلى 3 ملليجرام جعلته أكثر كفاءة - تكسير حوالي 90 بالمائة من البلاستيك.

انهيار PET بواسطة إنزيم

ظروف أكثر اعتدالا

PET هي حالة خاصة لإعادة التدوير الكيميائي. من الصعب تحطيم المواد البلاستيكية الأخرى. يتطلب تفكيك البولي إيثيلين ، على سبيل المثال ، درجات حرارة تزيد عن 400 درجة مئوية (750 درجة فهرنهايت). في مثل هذه الحرارة العالية ، تكون الكيمياء فوضوية. تتحلل جزيئات البلاستيك بشكل عشوائي. والنتيجة خليط من مركبات مختلفة. يمكن حرق هذه الجزيئات كوقود ولكن لا يمكن استخدامها لصنع بلاستيك جديد.

تقترح سوزانا سكوت طريقة أفضل لإعادة تدوير البولي إيثيلين. كيميائي يعمل سكوت في جامعة كاليفورنيا ، سانتا باربرا. فكرتها هي تكسير البلاستيك في ظل ظروف أكثر اعتدالًا. يمكن أن ينتج عن هذا الانهيار الأكثر تحكمًا مكونات للصابون ومنتجات أخرى. تسمى هذه المكونات مركبات alkylaromatic (AL-kyl-air-oh-MAT-ik).

لصنع هذه الأشياء ، وضع سكوت البولي إيثيلين داخل غرفة تفاعل كيميائي. ثم قامت بتسخينه حتى 280 درجة مئوية (540 درجة فهرنهايت). طبخ فريقها البلاستيك بمسحوق يحتوي على جزيئات صغيرة من البلاتين لمدة 24 ساعة. يساعد البلاتين في كسر روابط الكربون والهيدروجين في البولي إيثيلين. هذه العملية تطلق الهيدروجين. ثم يساعد الهيدروجين في كسر روابط البلاستيك الكربوني. هذا يقطع جزيئات البلاستيك إلى قطع أصغر. يبلغ طول كل قطعة حوالي 30 ذرة كربون. هذه الشظايا ترتب نفسها في حلقات. ثم voilà - مركبات alkylaromatic.

اختبرت سكوت وزملاؤها هذه التقنية على كيس بلاستيكي وغطاء زجاجة. كلاهما مصنوع من البولي إيثيلين. تحول حوالي 69 في المائة من الكيس البلاستيكي إلى سائل يحتوي على مركبات عطرية ألكيلية. تم تحويل حوالي 55 بالمائة من غطاء الزجاجة. أبلغ فريق سكوت عن هذه النتائج في 23 أكتوبر الماضي في العلوم . ينتج عن تحويل البولي إيثيلين أيضًا غازات مثل الميثان. يمكن حرق هذه الغازات كوقود لتسخين غرفة التفاعل.

صُممت لتدوم

لم يتم تصميم المواد البلاستيكية لاستخدامها أكثر من مرة. هذا هو سبب صعوبة إعادة تدويرها. لكن بعض الباحثين يتساءلون الآن ، "كيف يبدو الجيل القادم من المواد؟ كيف تصمم مادة على وجه التحديد بحيث لا تضطر أبدًا إلى الدخول في مكب النفايات؟ " يسأل بيكمان. الهدف الجديد ، كما يقول ، هو تصميم مادة بلاستيكية "تنهار عند القيادة".

قد يكون هناك جيل جديد من البلاستيك يسمى PDKs قابل لإعادة التدوير بلا حدود. تم وصف PDKs ، وهي اختصار لـ poly (diketoenamine) s ، لأول مرة في كيمياء الطبيعة في عام 2019.

يقول بريت هيلمز:"لدى PDKs القدرة على كسر روابطهم في ظل ظروف معتدلة نسبيًا". إنه كيميائي في مختبر لورانس بيركلي الوطني في كاليفورنيا. ببساطة ، يغمس PDK في الحمض يكسرها إلى مونومراتها.

يجب غمر البلاستيك في سائل حمضي جدًا حتى يتحلل. لنفترض أن الرقم الهيدروجيني 1 أو 2. "لا تواجه المواد عادةً درجة حموضة منخفضة للغاية" ، كما يلاحظ. "الأمر ليس كما لو وضعت PDK في الخل ، سيبدأ البوليمر في التكسير." لكنها يمكن أن تجعل إعادة التدوير سهلة. يمكن بعد ذلك استخدام مونومرات PDK لصنع بلاستيك جديد أصلي ، مرارًا وتكرارًا.

يقول بيكمان إن المواد البلاستيكية المستخدمة اليوم رخيصة للغاية بحيث يصعب على أي بلاستيك جديد المنافسة من حيث التكلفة فقط. في الوقت الحالي ، يعد البلاستيك القابل لإعادة التدوير بلا حدود مجرد فضول علمي. ولكن في يوم من الأيام ، قد تساعد المواد البلاستيكية القابلة لإعادة التدوير من البداية في حل مشكلة النفايات البلاستيكية في العالم.