Na Virginia Tech, dzięki innowacyjnej technice, naukowcy przekształcają polietylen w mydło poprzez upcycling. Odkrycie to opiera się na nieoczekiwanym podobieństwie między polietylenem a kwasami tłuszczowymi, które są używane do produkcji mydła. Zespołowi udało się stworzyć krótkołańcuchowe cząsteczki polietylenu poprzez rozbicie łańcuchów polietylenowych za pomocą nowego procesu termolizy gradientu temperatury. Teraz można go wykorzystać do produkcji mydła.
Naukowcy z Virginia Tech opracowali innowacyjną technikę i wytwarzają mydło z polietylenu. Proces ten polega na przekształcaniu tworzyw sztucznych w cenne surfaktanty. Te substancje chemiczne są szeroko stosowane w produkcji podstawowych produktów codziennego użytku, takich jak mydło i detergent.
Tworzywa sztuczne i mydła są bardzo różne pod względem tekstury, wyglądu i, co ważniejsze, ich praktycznych zastosowań. Istnieje zaskakujące powiązanie molekularne między nimi. Polietylen, jeden z najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych na świecie, wykazuje zadziwiająco bliskie podobieństwo do struktury chemicznej kwasu tłuszczowego. Ten kwas tłuszczowy jest używany jako chemiczny prekursor do produkcji mydła. Mimo że oba materiały są wykonane z długich łańcuchów węgla, pod koniec łańcucha w kwasach tłuszczowych znajduje się dodatkowa grupa atomów.
Podobieństwa między polietylenem a kwasami tłuszczowymi skłoniły Guolianga „Grega” Liu , profesora chemii w Virginia Tech College of Science , do przekonania, że możliwe jest przekształcenie polietylenu w kwasy tłuszczowe . Po kilku dodatkowych krokach proces ten mógłby zostać wykorzystany do produkcji mydła. Musiał on jednak znaleźć sposób na rozbicie długiego łańcucha polietylenowego na krótsze, ale nie za krótkie łańcuchy.
Wydajność była również istotna. Liu głęboko wierzył w ogromną szansę na zrewolucjonizowanie procesu upcyklingu, przekształcając pozornie nieistotne odpady plastikowe w cenny i praktyczny towar.
Źródło inspiracji
Podczas przytulnego zimowego wieczoru przy kominku Liu miał chwilę natchnienia. Obserwował dym unoszący się z ognia i zdał sobie sprawę, że składał się on z małych cząsteczek powstających podczas spalania drewna. Chociaż ważne jest unikanie spalania plastiku w kominkach ze względu na bezpieczeństwo i kwestie środowiskowe, ciekawość Liu została pobudzona, gdy rozważał potencjalne skutki bezpiecznego spalania polietylenu w laboratorium.
Liu, stypendysta programu Blackwood Junior Faculty Fellowship w dziedzinie nauk przyrodniczych na Wydziale Chemii, powiedział: „Drewno opałowe składa się głównie z polimerów, takich jak celuloza. Spalanie drewna opałowego rozbija te polimery na krótkie łańcuchy, a następnie na małe cząsteczki gazowe, zanim ulegną całkowitemu utlenieniu do dwutlenku węgla”.
„Jeśli w podobny sposób rozbijemy syntetyczne cząsteczki polietylenu, ale zatrzymamy ten proces zanim rozbiją się na małe cząsteczki gazowe, powinniśmy uzyskać krótkołańcuchowe cząsteczki przypominające polietylen” – dodał profesor Liu.
Liu współpracował z Zhen Xu i Erikiem Munyanezą , dwoma doktorantami chemii w swoim laboratorium, aby zbudować kompaktowy i wydajny reaktor przypominający piec. Ta innowacyjna konstrukcja umożliwiła zastosowanie termolizy w gradiencie temperatury do ogrzewania polietylenu , dając niezwykłe rezultaty.
Zobacz także : Grzyby zjadające plastik w sztucznej plastoskopii mogą pomóc w walce z globalnymi odpadami
Proces
Piec osiąga temperaturę na dole wystarczająco wysoką, aby rozerwać łańcuchy polimerów , natomiast na górze jest schładzany do wystarczająco niskiej temperatury, aby zapobiec dalszemu rozpadowi. Po procesie termolizy zebrali pozostałą substancję, co przypominało usuwanie sadzy z komina. Ku ich uciesze, intuicja Liu okazała się słuszna, ponieważ składała się ona z krótkołańcuchowego polietylenu , a konkretnie z wosków.
Według profesora Liu „był to pierwszy krok w opracowaniu metody przetwarzania plastiku na mydło”.
Naukowcy przetwarzają polietylen w mydło poprzez upcykling, co jest pierwszym na świecie sposobem na uzyskanie mydła z plastiku . Następnie zespół dodał kilka dodatkowych etapów, takich jak zmydlanie, proces wykorzystywany w produkcji mydła . Aby udoskonalić proces, zespół zwrócił się o pomoc do ekspertów w dziedzinie modelowania obliczeniowego, analityków ekonomicznych i innych specjalistów.
Kilkoro z tych ekspertów zostało wciągniętych na pokład dzięki ich powiązaniom z Macromolecules Innovation Institute w Virginia Tech. Grupa pracowała wspólnie, aby starannie udokumentować i udoskonalić proces upcyclingu, osiągając punkt, w którym jest on teraz gotowy do udostępnienia społeczności naukowej.
Zhen Xu , główny autor artykułu, powiedział: „Nasze badania wskazują na nową metodę upcyklingu plastiku bez użycia nowych katalizatorów ani skomplikowanych procedur. W tej pracy pokazaliśmy potencjał strategii tandemowej w recyklingu plastiku. To pozwoli ludziom rozwijać bardziej kreatywne metody upcyklingu w przyszłości”.
Zobacz także : Poznaj bakterie, które mogą uratować planetę przed stale rosnącym problemem plastiku
Można stosować do innych tworzyw sztucznych
Polietylen był pierwotnym tworzywem sztucznym, które zainspirowało ten projekt. Jednak metodę upcyklingu można zastosować również do innego tworzywa sztucznego – polipropylenu . Od opakowań produktów, przez pojemniki na żywność, po tkaniny – te dwa materiały stanowią znaczną część tworzyw sztucznych, z którymi konsumenci stykają się na co dzień.
Zalety techniki upcyklingu
Innowacyjna metoda upcyklingu opracowana przez Liu przynosi następujące korzyści.
- W porównaniu do niektórych obecnie stosowanych technik recyklingu, eliminuje ona potrzebę specjalnego sortowania plastiku w celu zapobiegania zanieczyszczeniom.
- Urządzenie umożliwia bezproblemową obróbkę obu rodzajów tworzyw sztucznych jednocześnie, eliminując potrzebę żmudnego oddzielania.
- Przyczynia się to nie tylko do opłacalności tej metody, ale również minimalizuje jej wpływ na środowisko.
- Ta technika upcyklingu wymaga jedynie plastiku i ciepła na początek. Podczas gdy kolejne etapy procesu wymagają dodatkowych składników, aby przekształcić cząsteczki wosku w kwasy tłuszczowe i mydło, początkowa konwersja plastiku jest prostą i bezpośrednią reakcją.
Wymagania, aby upcykling był skuteczny
Aby upcycling miał znaczący wpływ, produkt końcowy musi posiadać wystarczającą wartość, aby nie tylko zrównoważyć koszty procesu, ale także uczynić go bardziej atrakcyjnym ekonomicznie niż dostępne alternatywy recyklingu. Mydło i pokrewne produkty cieszą się dużym popytem, podobnie jak popyt na tworzywa sztuczne.
Profesor Liu powiedział: „Te badania stanowią podstawę nowego sposobu redukcji odpadów poprzez wykorzystanie zużytych tworzyw sztucznych do produkcji innych użytecznych materiałów”.
Ma nadzieję, że zakłady recyklingu na całym świecie stopniowo przyjmą tę technikę. Konsumenci mogą ostatecznie kupić innowacyjne i zrównoważone produkty mydlane, które pomogą zmniejszyć ilość odpadów plastikowych na wysypiskach.
Zobacz także : Od odpadów do paliwa: reaktor zasilany energią słoneczną przekształca CO2 i plastik w zrównoważone paliwo
„Dlatego też przetwarzanie tworzyw sztucznych w mydła może okazać się ekonomicznie opłacalne” – dodał profesor Liu.
Główny autor, Zhen Xu, powiedział: „Należy zdać sobie sprawę, że zanieczyszczenie plastikiem jest globalnym wyzwaniem, a nie problemem kilku głównych krajów. W porównaniu z zaawansowanym procesem i złożonym katalizatorem lub odczynnikiem, prosty proces może być bardziej dostępny dla wielu innych krajów na całym świecie. Mam nadzieję, że to dobry początek walki z zanieczyszczeniem plastikiem”.
Profesor Liu jest członkiem programu nanonauki, prestiżowej części cenionej Akademii Zintegrowanej Nauki College of Science. Ponadto jest również związany z Wydziałem Materiałoznawstwa i Inżynierii w renomowanym Virginia Tech College of Engineering. Naukowcy przekształcają polietylen w mydło poprzez recykling, a projekt obejmował współpracę z naukowcami z Wydziału Inżynierii Chemicznej. Współpraca odegrała kluczową rolę w rozwoju pracy badawczej.
