گروه پژوهشی به سرپرستی یونگ وانگ از دانشگاه ژجیانگ در هانگژو چین با همکاری شیمیدانان دانشگاه کاردیف، از ویژگیهای منحصربهفرد قطرات کوچک آب استفاده کردند. هنگامی که آب به شکل قطرات ریز درمیآید، میدانهای الکتریکی بسیار قدرتمندی شکل میگیرد. پژوهشگران معتقدند این میدانها میتوانند الکترونها را از مولکولهای آب جدا کنند و رادیکالهای هیدروکسیل ایجاد میکنند؛ گونههایی بسیار واکنشپذیر که قادرند پیوندهای شیمیایی مقاوم را بشکنند.
در این روش، پلیاتیلن ابتدا تا دمای ذوب گرم میشود و سپس با شدت زیادی در آب هم زده میشود. در نتیجه، پلاستیک مذاب به قطرات روغنی بسیار کوچکی با قطر چند میکرومتر تبدیل میشود که در آب پراکنده هستند. مخلوط حاصل در هنگام انجام واکنش ظاهری کدر دارد، اما پس از سرد شدن دوباره شفاف میشود.
واکنش اصلی در مرز میان قطرات پلاستیکی و آب اتفاق میافتد که رادیکالهای واکنشپذیر شکل میگیرند و زنجیرههای بلند پلیمر را به تدریج به قطعات کوچکتر تقسیم میکنند تا در نهایت اسیدهای آلی سادهتر به وجود آیند. این فرایند از آن جهت اهمیت دارد که پلیاتیلن یکی از مقاومترین مواد پلیمری است و تجزیه شیمیایی آن معمولا به انرژی یا مواد شیمیایی ویژه نیاز دارد.
شواهد آزمایشگاهی نیز نشان دادند که آب در این واکنش تنها نقش یک محیط یا حلال را ندارد، بلکه بهطور مستقیم در فرایند شیمیایی مشارکت میکند. یکی از مهمترین شواهد، آزمایشی بود که در آن آب معمولی با آب سنگین جایگزین شد. در این شرایط، سرعت واکنش تقریبا هفت برابر کاهش یافت که نقش مستقیم آب در واکنش را تایید میکند.
پژوهشگران برای بررسی بیشتر این موضوع، آزمایش دیگری با استفاده از آبی انجام دادند که حاوی نوع سنگینتری از اکسیژن بود. با ردیابی این اکسیژن مشخص شد بخش عمده آن در نهایت وارد محصولات اسیدی شده است که نشان میدهد، اکسیژن موجود در این ترکیبات از آب تامین میشود.
همچنین ابزارهای آزمایشگاهی توانستند حضور رادیکالهای هیدروکسیل را در جریان واکنش شناسایی کنند. تمام این فرایند در دمای حدود ۲۵۰ درجه فارنهایت، معادل ۱۲۱ درجه سانتیگراد، انجام شد، دمایی بسیار پایینتر از بیش از ۷۵۰ درجه فارنهایت، معادل ۴۰۰ درجه سانتیگراد که برای تجزیه حرارتی پلیاتیلن مورد نیاز است.
پژوهشگران در آزمایشهای خود از پلیاتیلن کمکیفیت استفاده کردند و توانستند حدود ۶۹ درصد از آن را به دیاسیدهای زنجیرهکوتاه تبدیل کنند که در میان آنها یک نوع اسید سهم غالب را داشت.
بیش از نیمی از محصولات نهایی را اسید سوکسینیک تشکیل میداد، ترکیبی شیمیایی که در صنایع دارویی و غذایی کاربرد دارد و برای تولید برخی مواد زیستتخریبپذیر نیز استفاده میشود.
پیش از این نیز دانشمندان موفق شده بودند که پلیاتیلن را به چنین ترکیباتی تبدیل کنند، اما روشهای قبلی معمولا به کاتالیزورهای فلزی وابسته بودند. برای مثال، در یکی از روشهای معرفی شده در سال ۲۰۲۳، از روتنیوم برای دستیابی به بازده بالا استفاده شد. روش جدید در حالی به عملکردی قابلمقایسه دست یافته است که به چنین کاتالیزوری نیاز ندارد.
حذف کاتالیزورهای فلزی علاوه بر کاهش هزینه، میتواند مشکل مسمومیت با کاتالیزورو غیرفعال شدن کاتالیزورها را نیز برطرف کند. مزیت مهم دیگر این روش آن است که در پایان، میکروپلاستیک باقی نمیماند زیرا زنجیرههای پلیمری تا حد زیادی به ترکیبات اسیدی کوچک و محلول در آب تبدیل میشوند.
یونگ وانگ در اینباره گفت: حذف نیاز به کاتالیزورهای گرانقیمت یا سمی میتواند یکی از مهمترین موانع اقتصادی و زیستمحیطی توسعه صنعتی بازیافت شیمیایی پلاستیک را برطرف کند.
آزمایشهای انجامشده روی مواد واقعی نیز نتایج امیدوارکنندهای به همراه داشت. کیسههای پلاستیکی، درپوش بطری، دستکش، پلیپروپیلن، پلیاستایرن فومی و حتی قطعات خردشده لاستیک همگی در این فرایند به محصولات اسیدی تبدیل شدند.
البته موادی که پراکندهسازی آنها دشوارتر بود، به دمای بیشتری برای انجام واکنش نیاز داشتند. این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا پلاستیکهای تجاری معمولا حاوی رنگدانهها، تثبیتکنندهها و انواع افزودنی هستند که میتوانند در روشهای متداول، عملکرد کاتالیزورها را مختل یا آنها را غیرفعال کنند.
در آزمایشهای این گروه، چنین مشکلی مشاهده نشد. واکنش نهتنها در آب خالص آزمایشگاهی، بلکه در آب لولهکشی و آب دریا نیز با موفقیت انجام شد. این یافته نشان میدهد، فناوری مورد نظر میتواند در مواجهه با مواد اولیه واقعی و ناخالص نیز عملکرد مناسبی داشته باشد.
نبود ذرات میکرو و نانوپلاستیک در محصولات نهایی، اهمیت ویژهای دارد. بر اساس برآورد یکی از پژوهشها، تنها در اقیانوس اطلس شمالی حدود ۲۷ میلیون تن، معادل ۲۴.۵ میلیون تن متریک، ذرات نانوپلاستیکی وجود دارد، بنابراین روشی که پلاستیک را بدون تولید ذرات ریزتر به ترکیبات شیمیایی قابلاستفاده تبدیل کند، میتواند از نظر زیستمحیطی اهمیت قابلتوجهی داشته باشد.
گراهام هاچینگز از دانشگاه کاردیف نیز با اشاره به حجم بالای زبالههای پلاستیکی، بر نیاز به روشهای موثرتر برای بازیافت این مواد تاکید کرد. به گفته وی، یکی از چالشهای اصلی، تبدیل فناوریهای شیمیایی مبتنی بر قطرات ریز به فرایندی است که بتوان آن را در مقیاس صنعتی و با هزینهای قابلقبول اجرا کرد.
نتایج پژوهشهای پیشین نشان دادند که قطرات بسیار کوچک آب خالص میتوانند بدون دخالت مواد شیمیایی اضافی، هیدروژن پراکسید و گونههای واکنشپذیر مرتبط با آن را تولید کنند. با این حال، استفاده از این ویژگی در گذشته عمدتا به آزمایشهای کوچکمقیاس محدود بود.
نتایج تحلیل اقتصادی پژوهشگران نشان میدهد که سرمایهگذاری برای ساخت و راهاندازی کارخانهای با ظرفیت فرآوری دهها هزار تن پلاستیک در سال، میتواند در حدود ۳ سال بازگردد. این بررسی همچنین نشان داد که این فرایند، برخلاف سوزاندن زبالههای پلاستیکی، میتواند در مجموع اثر خالص کاهندهای بر انتشار کربن داشته باشد.
طبق گزارش ارث، از آنجا که فناوری جدید به آب، اکسیژن و گرما نیاز دارد، امکان استفاده از آن در مناطق دورافتاده و کشورهای در حال توسعه که زیرساختهای گسترده بازیافت در اختیار ندارند نیز وجود دارد. به این ترتیب، فناوری که در ابتدا بر پدیدهای در مقیاس میکروسکوپی و قطرات بسیار کوچک آب متکی بود، اکنون میتواند بهعنوان گزینهای برای بازیافت پلاستیک در مقیاس صنعتی مورد بررسی قرار گیرد.
انتهای پیام
