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 brachten Guoliang "Greg" Liu , universitair docent chemie aan het Virginia Tech College of Science , op het idee dat het mogelijk was polyethyleen om te zetten in vetzuren . Met een paar extra stappen zou dit gebruikt kunnen worden om zeep te maken. Hij moest een manier vinden om een lange polyethyleenketen op te splitsen in kortere ketens, maar niet té korte.
Efficiëntie was ook belangrijk. Liu was er vast van overtuigd dat er een enorme kans bestond om het upcyclingproces te revolutioneren door het ogenschijnlijk onbeduidende plastic afval om te vormen tot 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.
Liu, houder van de Blackwood Junior Faculty Fellowship in de levenswetenschappen bij de afdeling scheikunde, zei: "Brandhout bestaat voornamelijk uit polymeren zoals cellulose. De verbranding van brandhout breekt deze polymeren af tot korte ketens en vervolgens tot kleine gasvormige moleculen voordat ze volledig oxideren tot kooldioxide."
"Als we de synthetische polyethyleenmoleculen op dezelfde manier afbreken, maar het proces stoppen voordat ze volledig zijn afgebroken tot kleine gasvormige moleculen, dan zouden we kortketenige, polyethyleenachtige moleculen moeten verkrijgen," voegde professor Liu eraan toe.
Liu werkte samen met Zhen Xu en Eric Munyaneza , twee promovendi in de chemie in zijn laboratorium, aan de constructie van een compacte en efficiënte reactor die op een oven leek. Dit innovatieve ontwerp maakte de toepassing van temperatuurgradiëntthermolyse mogelijk voor het verhitten van polyethyleen , met buitengewone resultaten tot gevolg.
Het proces
De oven bereikt onderin een temperatuur die hoog genoeg is om de polymeerketens te breken , terwijl de temperatuur bovenin voldoende laag is om verdere afbraak te voorkomen. Na het thermolyseproces verzamelden ze de overgebleven substantie, vergelijkbaar met het verwijderen van roet uit een schoorsteen. Tot hun grote vreugde bleek Liu's vermoeden juist: het bestond uit kortketenige polyethyleen , meer specifiek in de vorm van wassen.
Volgens professor Liu was dit "de eerste stap in de ontwikkeling van een methode om plastic te hergebruiken en er zeep van te maken."
De onderzoekers zetten polyethyleen om in zeep door middel van upcycling, waarmee ze 's werelds eerste zeep van plastic produceren . Het team voegde vervolgens nog een paar stappen toe, zoals verzeping, een proces dat bij de zeepbereiding hoort . Om het proces verder te ontwikkelen, schakelde het team de hulp in van experts op het gebied van computermodellering, 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 , de hoofdauteur van het artikel, zei: "Ons onderzoek toont een nieuwe manier om plastic te upcyclen zonder gebruik te maken van nieuwe katalysatoren of complexe procedures. In dit werk hebben we het potentieel van een tandemstrategie voor plasticrecycling aangetoond. Dit zal mensen inspireren om in de toekomst creatievere upcyclingprocessen te ontwikkelen."
Toepasbaar op andere kunststoffen
Polyethyleen was het plastic dat als uitgangspunt voor dit project diende. De upcyclingmethode kan echter ook worden toegepast op een ander plastic, namelijk polypropyleen . Van productverpakkingen en voedselcontainers tot textiel: deze twee materialen vormen een aanzienlijk deel van het plastic 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 gebruikt plastic te hergebruiken bij 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 naar brandstof: een reactor op zonne-energie zet CO2 en plastic om in duurzame brandstof
"Daarom kan worden aangetoond dat het economisch haalbaar is om plastic om te zetten in zeep", voegde professor Liu eraan toe.
Hoofdauteur Zhen Xu zei: "We moeten beseffen dat plasticvervuiling een wereldwijde uitdaging is en geen probleem van een paar grote landen. In vergelijking met een geavanceerd proces en complexe katalysatoren of reagentia, is een eenvoudig proces wellicht toegankelijker voor veel andere landen wereldwijd. Ik hoop dat dit een goede start kan zijn in 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.
