في جامعة فرجينيا للتكنولوجيا، ومن خلال تقنية مبتكرة، يُحوّل باحثون البولي إيثيلين إلى صابون من خلال إعادة التدوير. يستند هذا الاكتشاف إلى التشابه غير المتوقع بين البولي إيثيلين والأحماض الدهنية، المستخدمة في صناعة الصابون. نجح الفريق في إنتاج جزيئات بولي إيثيلين قصيرة السلسلة عن طريق تحليل سلاسل البولي إيثيلين باستخدام عملية تحليل حراري جديدة بتدرج درجة الحرارة. ويمكن الآن استخدام هذه العملية في صناعة الصابون.
نجح باحثون من جامعة فرجينيا للتكنولوجيا في تطوير تقنية مبتكرة، حيث يقومون بتصنيع الصابون من البولي إيثيلين. تتضمن العملية تحويل البلاستيك إلى مواد فعالة سطحية قيّمة. تُستخدم هذه المواد الكيميائية على نطاق واسع في إنتاج المنتجات اليومية الأساسية، مثل الصابون والمنظفات.
يختلف البلاستيك والصابون اختلافًا كبيرًا من حيث ملمسهما ومظهرهما، والأهم من ذلك، تطبيقاتهما العملية. هناك صلة جزيئية مدهشة بينهما. يُظهر البولي إيثيلين، أحد أكثر أنواع البلاستيك استخدامًا حول العالم، تشابهًا كبيرًا في التركيب الكيميائي للأحماض الدهنية. يُستخدم هذا الحمض الدهني كمادة أولية لإنتاج الصابون. على الرغم من أن كلتا المادتين مصنوعتان من سلاسل طويلة من ذرات الكربون، إلا أنه قرب نهاية السلسلة في الأحماض الدهنية توجد مجموعة إضافية من الذرات.
أدت أوجه التشابه بين البولي إيثيلين والأحماض الدهنية إلى جوليانج "جريج" ليو، أستاذ مشارك في الكيمياء في كلية فرجينيا للتكنولوجيا للعلوم، للاعتقاد أنه كان من الممكن تحويل البولي إيثيلين إلى أحماض دهنيةببضع خطوات إضافية، يُمكن استخدام هذا في صنع الصابون. كان عليه إيجاد طريقة لتقسيم سلسلة البولي إيثيلين الطويلة إلى سلاسل أقصر، ولكن ليس قصيرة جدًا.
كانت الكفاءة مهمة أيضًا. كان ليو يؤمن إيمانًا راسخًا بوجود فرصة هائلة لإحداث ثورة في عملية إعادة التدوير، من خلال تحويل ما يبدو تحويل النفايات البلاستيكية غير المهمة إلى سلعة ثمينة وعملية.
مصدر الإلهام
بينما كان يستمتع بأمسية شتوية دافئة بجانب المدفأة، طرأت على ذهن ليو لحظة إلهام. لاحظ الدخان المتصاعد من النار، فأدرك أنه يتكون من جزيئات صغيرة ناتجة عن احتراق الخشب. ورغم أهمية تجنب حرق البلاستيك في المواقد لأسباب تتعلق بالسلامة والبيئة، إلا أن فضول ليو ازداد عندما تأمل في النتائج المحتملة لحرق البولي إيثيلين بأمان في المختبر.
وقال ليو، الحاصل على زمالة بلاكوود جونيور في العلوم الحياتية بقسم الكيمياء، يتكون الحطب في الغالب من بوليمرات مثل السليلوز. يؤدي احتراق الحطب إلى تفكيك هذه البوليمرات إلى سلاسل قصيرة، ثم إلى جزيئات غازية صغيرة قبل أن تتأكسد بالكامل إلى ثاني أكسيد الكربون.
"إذا قمنا بتفكيك جزيئات البولي إيثيلين الاصطناعية بنفس الطريقة ولكن أوقفنا العملية قبل أن تتحلل إلى جزيئات غازية صغيرة، فيجب أن نحصل على جزيئات قصيرة السلسلة تشبه البولي إيثيلين." أضاف البروفيسور ليو.
تعاون ليو مع تشن شو و إريك مونيانيزا، طالبي دكتوراه في الكيمياء في مختبره، لبناء مفاعل مدمج وفعال يشبه الفرن. سهّل هذا التصميم المبتكر تطبيق التحلل الحراري المتدرج في درجة الحرارة لتسخين البولي إيثيلين، مما أدى إلى نتائج غير عادية.
انظر أيضا: قد تساعد الفطريات التي تأكل البلاستيك في البلاستيسفير الصناعي في معالجة النفايات العالمية
عملية التصديق
يصل الفرن إلى درجة حرارة في الأسفل مرتفعة بدرجة كافية لـ تمزيق سلاسل البوليمربينما في الأعلى، يتم تبريده إلى درجة حرارة منخفضة بما يكفي لمنع أي انهيار آخر. بعد ذلك، عملية التحلل الحراريجمعوا المادة المتبقية، بطريقة تشبه إزالة السخام من المدخنة. ولسعادتهم، ثبتت صحة حدس ليو. تتكون من البولي إيثيلين قصير السلسلة، على وجه التحديد، في شكل شمع.
وفقا للأستاذ ليو، "كانت هذه الخطوة الأولى في تطوير طريقة لإعادة تدوير البلاستيك وتحويله إلى صابون."
يقوم الباحثون بتحويل البولي إيثيلين إلى صابون من خلال إعادة التدوير، وهو ما أول صابون مصنوع من البلاستيك في العالمثم أضاف الفريق بعض الخطوات الأخرى، مثل التصبن، عملية متضمنة في صناعة الصابونومن أجل المضي قدمًا في العملية، سعى الفريق إلى الحصول على مساعدة خبراء النمذجة الحاسوبية، والمحللين الاقتصاديين، وغيرهم من المتخصصين.
انضم عدد من هؤلاء الخبراء إلى فريق العمل بفضل علاقاتهم بمعهد ابتكار الجزيئات الكبيرة في جامعة فرجينيا للتكنولوجيا. وعمل الفريق بشكل تعاوني لتوثيق عملية إعادة التدوير بعناية وتحسينها، ووصل إلى مرحلة أصبحت فيها جاهزة لمشاركتها مع المجتمع العلمي.
تشن شووقال المؤلف الرئيسي للورقة البحثية، يُظهر بحثنا مسارًا جديدًا لإعادة تدوير البلاستيك دون استخدام محفزات جديدة أو إجراءات معقدة. في هذا العمل، أظهرنا إمكانات استراتيجية إعادة تدوير البلاستيك المتزامنة. سيُساعد هذا على تطوير تصاميم أكثر إبداعًا لإجراءات إعادة التدوير في المستقبل.
انظر أيضا: تعرف على البكتيريا التي يمكنها إنقاذ الكوكب من مشكلة البلاستيك المتنامية
ينطبق على المواد البلاستيكية الأخرى
كان البولي إيثيلين أول مادة بلاستيكية حفّزت هذا المشروع. ومع ذلك، يُمكن تطبيق أسلوب إعادة التدوير أيضًا على مادة بلاستيكية أخرى تسمى البولي بروبيلينمن تغليف المنتجات إلى حاويات الطعام إلى الأقمشة، تشكل هاتان المادتان جزءًا كبيرًا من البلاستيك الذي يصادفه المستهلكون يوميًا.
مزايا تقنية إعادة التدوير
وتتمتع طريقة ليو المبتكرة في إعادة التدوير بمزايا عديدة من نواحٍ عديدة.
- وبالمقارنة ببعض تقنيات إعادة التدوير المستخدمة حاليًا، فإنها تلغي الحاجة إلى فرز البلاستيك بشكل خاص لمنع التلوث.
- يمكنها معالجة كلا النوعين من البلاستيك بسلاسة في نفس الوقت، مما يلغي الحاجة إلى الفصل الشاق.
- ولا يساهم هذا في فعالية التكلفة لهذه الطريقة فحسب، بل يقلل أيضًا من بصمتها البيئية.
- تتطلب تقنية إعادة التدوير هذه البلاستيك والحرارة فقط في البداية. وبينما تتطلب المراحل اللاحقة من العملية بعض المكونات الإضافية لتحويل جزيئات الشمع إلى أحماض دهنية وصابون، فإن التحويل الأولي للبلاستيك تفاعل بسيط ومباشر.
المتطلبات اللازمة لجعل إعادة التدوير فعّالة
لكي يكون لإعادة التدوير تأثيرٌ كبير، يجب أن يمتلك المنتج النهائي قيمةً كافيةً لا لتعويض تكاليف العملية فحسب، بل لجعله أكثر جاذبيةً من الناحية الاقتصادية مقارنةً ببدائل إعادة التدوير المتاحة. يحظى الصابون والمنتجات ذات الصلة بطلبٍ كبير، تمامًا مثل الطلب على البلاستيك.
وقال البروفيسور ليو: "يضع هذا البحث الأساس لطريقة جديدة للحد من النفايات من خلال توجيه البلاستيك المستعمل إلى إنتاج مواد مفيدة أخرى."
ويأمل أن تتبنى مرافق إعادة التدوير حول العالم هذه التقنية تدريجيًا. وقد يتمكن المستهلكون في نهاية المطاف من شراء منتجات صابون مبتكرة ومستدامة تُسهم في الحد من النفايات البلاستيكية في مكبات النفايات.
"ولهذا السبب، يمكن إثبات أن تحويل البلاستيك إلى صابون أمر مجدٍ اقتصاديًا". أضاف البروفيسور ليو.
وقال المؤلف الرئيسي تشن شو، يجب إدراك أن تلوث البلاستيك تحدٍّ عالمي، وليس مشكلةً خاصة ببضعة دول رئيسية. فمقارنةً بعمليةٍ معقدةٍ ومحفزٍ أو كاشفٍ معقد، قد تكون العملية البسيطة في متناول العديد من الدول الأخرى حول العالم. آمل أن تكون هذه بدايةً جيدةً لمحاربة تلوث البلاستيك.
البروفيسور ليو عضو في برنامج علوم النانو، وهو جزء مرموق من أكاديمية العلوم المتكاملة المرموقة بكلية العلوم. علاوة على ذلك، فهو عضو في قسم علوم وهندسة المواد في كلية الهندسة المرموقة بجامعة فرجينيا التقنية. يُحوّل الباحثون البولي إيثيلين إلى صابون من خلال إعادة التدوير، وقد تضمن المشروع تعاونًا مع باحثين من قسم الهندسة الكيميائية. وقد لعب هذا التعاون دورًا حيويًا في تطوير البحث.
مصدر إعادة التدوير الكيميائي للبولي إيثيلين والبولي بروبيلين والمخاليط إلى مواد فعالة سطحية عالية القيمة
