Bij Virginia Tech zetten onderzoekers via een innovatieve techniek polyethyleen om in zeep door upcycling. Deze ontdekking is gebaseerd op de onverwachte gelijkenis tussen polyethyleen en vetzuren, die worden gebruikt om zeep te maken. Het team creëerde met succes korte-keten polyethyleenmoleculen door polyethyleenketens af te breken met behulp van een nieuw temperatuurgradiënt thermolyseproces. Dit kan nu worden gebruikt om zeep te maken.
Onderzoekers van Virginia Tech hebben met succes een innovatieve techniek ontwikkeld en maken zeep van polyethyleen. Het proces omvat het transformeren van plastics in waardevolle oppervlakteactieve stoffen. Deze chemicaliën worden veel gebruikt bij de productie van essentiële alledaagse producten zoals zeep en wasmiddel.
Kunststoffen en zepen verschillen enorm in termen van textuur, uiterlijk en, belangrijker nog, hun praktische toepassingen. Er is een verrassende moleculaire connectie tussen de twee. Polyethyleen, een van de meest gebruikte kunststoffen ter wereld, vertoont een opmerkelijk grote gelijkenis met de chemische structuur van een vetzuur. Dit vetzuur wordt gebruikt als chemische precursor voor de productie van zeep. Hoewel beide materialen zijn gemaakt van lange ketens van koolstoffen, is er aan het einde van de keten in vetzuren een extra groep atomen.
De overeenkomsten tussen polyethyleen en vetzuren leidden Guoliang “Greg” Liu, universitair hoofddocent scheikunde aan Virginia Tech College of Science, om te geloven dat het was mogelijk om polyethyleen om te zetten in vetzuren. Met een paar extra stappen kon dit gebruikt worden om zeep te maken. Hij moest een manier vinden om een lange polyethyleenketen te breken in kortere ketens, maar niet te kort.
Efficiëntie was ook belangrijk. Liu geloofde er heilig in dat er een immense kans bestond om het proces van upcycling te revolutioneren, door de ogenschijnlijk van onbeduidend plastic afval een waardevol en praktisch product.
Inspiratiebron
Terwijl hij genoot van een gezellige winteravond bij de open haard, kreeg Liu een moment van inspiratie. Hij observeerde de rook die uit het vuur opsteeg en realiseerde zich dat het bestond uit kleine deeltjes die ontstonden toen het hout brandde. Hoewel het belangrijk is om het verbranden van plastic in open haarden te vermijden vanwege veiligheids- en milieuoverwegingen, werd Liu's nieuwsgierigheid gewekt toen hij nadacht over de mogelijke uitkomst van het veilig verbranden van polyethyleen in een laboratorium.
De Blackwood Junior Faculty Fellowship-houder in Life Sciences op de afdeling Chemie, Liu zei: “Haardhout bestaat voor het grootste deel uit polymeren zoals cellulose. De verbranding van brandhout breekt deze polymeren af in korte ketens en vervolgens in kleine gasvormige moleculen voordat ze volledig oxideren tot koolstofdioxide.”
“Als we op dezelfde manier de synthetische polyethyleenmoleculen afbreken, maar het proces stoppen voordat ze helemaal zijn afgebroken tot kleine gasvormige moleculen, dan zouden we korteketenmoleculen moeten verkrijgen die lijken op polyethyleen,” Professor Liu voegde toe.
Liu werkte samen met Zhen Xu en Eric Munyaneza, twee Ph.D. scheikundestudenten in zijn lab, om een compacte en efficiënte reactor te bouwen die op een oven lijkt. Dit innovatieve ontwerp maakte het mogelijk om Toepassing van temperatuurgradiëntthermolyse om polyethyleen te verhitten, wat tot buitengewone resultaten leidde.
Het proces
De oven bereikt een temperatuur aan de onderkant die hoog genoeg is om de polymeerketens verbreken, terwijl het bovenaan wordt afgekoeld tot een temperatuur die laag genoeg is om verdere afbraak te voorkomen. Na de thermolyse proces, verzamelden ze de resterende substantie, wat leek op het verwijderen van roet uit een schoorsteen. Tot hun vreugde bleek Liu's intuïtie juist te zijn, aangezien het bestond uit kortketenpolyethyleen, met name in de vorm van wassen.
Volgens professor Liu, “Dit was de eerste stap in de ontwikkeling van een methode om plastics te recyclen tot zeep.”
De onderzoekers zetten polyethyleen om in zeep door middel van upcycling, wat de 's werelds eerste zeep van plasticHet team voegde vervolgens nog een paar stappen toe, zoals verzeping, een proces dat betrokken is bij het maken van zeepOm het proces verder te bevorderen, zocht het team de hulp van experts op het gebied van computationele modellen, economische analisten en andere professionals.
Een aantal van deze experts werd aan boord gehaald dankzij hun connecties met het Macromolecules Innovation Institute van Virginia Tech. De groep werkte samen om het upcyclingproces zorgvuldig te documenteren en te verbeteren, en bereikte een punt waarop het nu klaar is om te worden gedeeld met de wetenschappelijke gemeenschap.
Zhen Xu, zei de hoofdauteur van het artikel, “Ons onderzoek toont een nieuwe route voor plastic upcycling zonder gebruik van nieuwe katalysatoren of complexe procedures. In dit werk hebben we het potentieel van een tandemstrategie voor plastic recycling laten zien. Dit zal mensen verlichten om in de toekomst creatievere ontwerpen van upcyclingprocedures te ontwikkelen.”
Toepasbaar op andere kunststoffen
Polyethyleen was het eerste plastic dat dit project motiveerde. De upcyclingmethode kan echter ook worden toegepast op een ander plastic genaamd polypropyleenVan productverpakkingen tot voedselcontainers en stoffen: deze twee materialen vormen een aanzienlijk deel van de kunststoffen waarmee consumenten dagelijks in aanraking komen.
Voordelen van de Upcycling-techniek
Liu's innovatieve upcyclingmethode biedt de volgende voordelen:
- In vergelijking met bepaalde recyclingtechnieken die momenteel in gebruik zijn, is het niet langer nodig om plastic op een specifieke manier te sorteren om verontreiniging te voorkomen.
- Beide soorten kunststoffen kunnen naadloos en gelijktijdig worden verwerkt, waardoor er geen tijdrovende scheiding meer nodig is.
- Dit draagt niet alleen bij aan de kosteneffectiviteit van de methode, maar minimaliseert ook de ecologische voetafdruk.
- Deze upcyclingtechniek vereist in eerste instantie alleen plastic en hitte. Hoewel de daaropvolgende stappen van het proces wel wat extra ingrediënten vereisen om de wasmoleculen om te zetten in vetzuren en zeep, is de eerste omzetting van het plastic een simpele en directe reactie.
Vereisten om upcycling effectief te maken
Om upcycling een significante impact te laten hebben, moet het eindproduct voldoende waarde hebben om niet alleen de kosten van het proces te compenseren, maar het ook economisch aantrekkelijker te maken dan de beschikbare recyclingalternatieven. Zeep en aanverwante producten zijn erg gewild, net als de vraag naar plastics.
Professor Liu zei: “Dit onderzoek legt de basis voor een nieuwe manier om afval te verminderen door gebruikte kunststoffen te gebruiken voor de productie van andere nuttige materialen.”
Hij hoopt dat recyclingfaciliteiten wereldwijd deze techniek geleidelijk zullen overnemen. Consumenten kunnen uiteindelijk innovatieve en duurzame zeepproducten kopen die helpen plastic afval op stortplaatsen te verminderen.
Zie ook: Van afval tot brandstof: zonne-energiereactor zet CO2 en plastic om in duurzame brandstof
"Om deze reden kan worden aangetoond dat het omzetten van plastic in zeep economisch haalbaar is." voegde professor Liu toe.
Hoofdauteur Zhen Xu zei: “Men moet beseffen dat plasticvervuiling een wereldwijde uitdaging is in plaats van een probleem van een paar mainstreamlanden. Vergeleken met een geavanceerd proces en een complexe katalysator of reagens, kan een eenvoudig proces toegankelijker zijn voor veel andere landen wereldwijd. Ik hoop dat dit een goed begin kan zijn voor de strijd tegen plasticvervuiling.”
Professor Liu is lid van het nanowetenschapsprogramma, een prestigieus onderdeel van de gewaardeerde Academy of Integrated Science van het College of Science. Bovendien is hij ook verbonden aan de afdeling Material Science and Engineering van het gerenommeerde Virginia Tech College of Engineering. De onderzoekers zetten polyethyleen om in zeep door middel van upcycling en het project omvatte samenwerking met onderzoekers van de afdeling Chemical Engineering. De samenwerking speelde een cruciale rol bij het bijdragen aan de ontwikkeling van het onderzoeksartikel.
