Każdego roku miliony opon kończą na wysypiskach, tworząc kryzys środowiska o daleko idących konsekwencjach. W samych Stanach Zjednoczonych ponad 274 miliony opon zostało złomowanych w 2021 r., A prawie jedna piąta została odrzucona na wysypiska śmieci. Zgromadzenie tych materiałów odpadowych stanowi nie tylko problem z przestrzenią, ale także wprowadza zagrożenia dla środowiska, takie jak ługowanie chemiczne i spontaniczne spalanie. Podczas gdy piroliza-proces, który chemicznie recyklinguje gumy poprzez rozkład wysokiej temperatury-jest szeroko stosowany, generuje szkodliwe produkty uboczne, takie jak benzen i dioksyny, stwarzające ryzyko zdrowia i zagrożenia środowiskowego.
Badanie finansowane przez Departament Energii USA, „Dekonstrukcja gumy za pośrednictwem CH AMAMINACJA i AZA-COPE REGRANGE”, niedawno opublikowane w Nature i prowadzone przez dr Aleksandra Zhukhovitskiy, William R. Kenan, Jr. Fellow i zastępca profesora w Departamencie Chemii w UNC-Chapel Hill, wprowadza nową metodę chemiczną odpadów gumowych. Ta pionierska technika wykorzystuje Strategię Strategii Zatrudniania Polimeru w celu przekształcania odrzuconej gumy w cenne prekursory żywic epoksydowych, oferując innowacyjną i zrównoważoną alternatywę dla tradycyjnych metod recyklingu.
Guma, w tym rodzaj syntetyczny stosowany w oponach, składa się z polimerów połączonych razem z trójwymiarową siecią, która zachowuje się jak twardy, elastyczny materiał. Recykling tych materiałów jest trudny ze względu na obszerne sieciowanie w strukturze polimeru, co nadaje gumy jej trwałości, ale także czyni ją odporną na degradację. Tradycyjne metody rozkładania gumy koncentrują się na dwóch głównych podejściach: de-polukanizacji, które rozbija łącze krzyżowe siarki, ale osłabia właściwości mechaniczne polimeru i rozszczepienie szkoników polimerowych przy użyciu metod oksydacyjnych lub katalitycznych, które często powodują złożone, niską wartość z uboże. Żadne podejście nie zapewnia skutecznego, skalowalnego rozwiązania do zmiany przeznaczenia odpadów gumowych.
„Nasze badania mają na celu przezwyciężenie tych wyzwań, opracowując metodę, która rozkłada gumę na materiały funkcjonalne, które mają wartość nawet jako mieszankę” – powiedział dr Zhukhovitskiy, który jest odpowiednim autorem badania.
Naukowcy wprowadzają odczynnik Diimid Sulphur, który umożliwia instalację grup aminowych w określonych lokalizacjach w łańcuchach polimerowych. Ten krok ma kluczowe znaczenie, ponieważ ustawia scenę dla późniejszego przegrupowania kręgosłupa. Ta reakcja chemiczna reorganizuje szkielet polimerowy, rozkładając gumę na rozpuszczalne materiały funkcjonalizowane aminą, które można wykorzystać do wytwarzania żywic epoksydowych.
Naukowcy wykazali, że ich dwuetapowy proces działa bardzo dobrze. W teście z modelowym polimerem znacznie go rozbili, zmniejszając jego masę cząsteczkową z 58 100 g/mol do około 400 g/mol. Kiedy zastosowali metodę do użycia gumy, całkowicie załamała się w zaledwie sześć godzin, zamieniając go w rozpuszczalny materiał z grupami aminowymi, które można było wykorzystać do produkcji zasadniczo przydatnych materiałów, takich jak żywice epoksydowe.
Wydajność tej metody jest szczególnie uderzająca w porównaniu z tradycyjnymi technikami recyklingu, które często wymagają ekstremalnych temperatur lub drogich katalizatorów. Naukowcy osiągnęli swoje wyniki w łagodnych warunkach (35-50 ° C lub 95-122 ° F) w mediach wodnych, dzięki czemu proces jest bardziej przyjazny dla środowiska i opłacalny.
Żywice epoksydowe są szeroko stosowane w branżach do klejów, powłok i kompozytów. Zazwyczaj są one wykonane z chemikaliów na bazie ropy naftowej, takich jak bisfenol A i środki utwardzające. Badania te pokazują, że zmywane przez aminę polify polizowe, wytwarzane metodą naukowców, mogą tworzyć materiały epoksydowe o sile podobnej do żywic komercyjnych.
„W takich chwilach doceniam moc syntezu organicznej”-powiedział Maxim Ratushnyy, współautor artykułu i były uczony postoktorancki w UNC-Chapel Hill. „Fascynujące jest łatwość, z jaką rozwinięta sekwencja prostych, ale potężnych, organicznych transformacji może przybierać upartą wiązanie C-C i przekształcić polibutadienowe i polizoprenowe gumy w potencjalnie cenne żywice epoksydowe”.
Oprócz praktycznych zastosowań, badanie to znaczący krok w kierunku ekologicznych technologii recyklingu. Naukowcy ocenili wpływ ich procesu na środowisko za pomocą czynnika wpływu na środowisko (Factor E), miary odpadów generowanych w stosunku do wydajności produktu.
„Factor E jest prostą, ale potężną miarą porównającą wpływ nowego procesu dla zasiedziałów, ale także w celu podkreślenia etapów procesu, które można poprawić, gdy pracujemy nad przejściem tego procesu z laboratorium i w praktyce”-powiedział dr Geoff Lewis, specjalista ds. Badań w Centrum Systemów Zrównoważonych.
Podczas gdy pełny czynnik E, który obejmuje użycie rozpuszczalnika, był wysoki, prosty czynnik E, z wyłączeniem rozpuszczalników, był znacznie niższy, podkreślając obszary, w których proces ten można dodatkowo zoptymalizować pod kątem zrównoważonego rozwoju. Zespół już eksploruje bardziej ekologiczne systemy rozpuszczalników i alternatywne warunki reakcji w celu zmniejszenia wytwarzania odpadów.
„Nasze badania stanowi zmianę paradygmatu w zakresie podejścia do problemu odpadów gumowych”-powiedział Sydney Towell, współautor badania i doktorat. Kandydat w UNC-Chapel Hill. „Wykorzystując moc CH i przegrupowanie kręgosłupa, ta metoda zapewnia nową ścieżkę do przekształcania gumy po konsumpcji w materiały o wysokiej wartości, zmniejszając poleganie na składowiskach i minimalizując szkody środowiskowe”.