Wiele osób zna zapadające w pamięć obrazy dzikiej przyrody – w tym żółwi morskich, delfinów i fok – zaplątanych w porzucone sieci rybackie.
Głównym problemem Nylonu-6, plastiku znajdującego się wewnątrz tych siatek, dywanów i odzieży, jest to, że jest on zbyt mocny i trwały, aby sam się rozłożył. Tak więc, gdy znajdzie się w środowisku, pozostaje przez tysiące lat, zaśmiecając drogi wodne, łamiąc koralowce oraz dusząc ptaki i życie morskie.
Teraz chemicy z Northwestern University opracowali nowy katalizator, który szybko, czysto i całkowicie rozkłada Nylon-6 w ciągu kilku minut – bez wytwarzania szkodliwych produktów ubocznych. Co więcej: proces nie wymaga toksycznych rozpuszczalników, drogich materiałów ani ekstremalnych warunków, dzięki czemu jest praktyczny w codziennych zastosowaniach.
Ten nowy katalizator może nie tylko odegrać ważną rolę w rekultywacji środowiska, ale może także stanowić pierwszy krok w przetwarzaniu odpadów nylonu-6 w produkty o wyższej wartości.
Wyniki badania zostaną opublikowane w czwartek (30 listopada) w czasopiśmie Chem.
„Cały świat jest świadomy problemu tworzyw sztucznych” – powiedział Tobin Marks z Northwestern, główny autor badania. „Plastik jest częścią naszego społeczeństwa; zużywamy go bardzo dużo. Problem polega jednak na tym, co robimy, gdy już go skończymy? Idealnie byłoby, gdybyśmy go nie palili ani nie wyrzucali na wysypiska śmieci. Poddalibyśmy recyklingowi it. Opracowujemy katalizatory, które rozkładają te polimery i przywracają je do pierwotnej postaci, dzięki czemu można je ponownie wykorzystać.
Marks jest profesorem chemii Charlesa E. i Emmy H. Morrisonów oraz profesorem chemii katalitycznej Vladimira N. Ipatieffa w Weinberg College of Arts and Sciences w Northwestern oraz profesorem nauk o materiałach i inżynierii w McCormick School of Engineering w Northwestern. Jest także pracownikiem naukowym Instytutu Zrównoważonego Rozwoju i Energii im. Pauli M. Trienens. Współautorami Northwestern są Linda J. Broadbelt, Sarah Rebecca Roland profesor inżynierii chemicznej i biologicznej oraz starszy prodziekan McCormick oraz Yosi Kratish, adiunkt ds. badań w grupie Marksa.
Śmiertelna trudność
Od odzieży, przez dywany, aż po pasy bezpieczeństwa, Nylon-6 występuje w różnych materiałach, których większość ludzi używa na co dzień. Kiedy jednak ludzie skończą z tymi materiałami, trafiają one na wysypiska śmieci lub, co gorsza, do środowiska, w tym do oceanu. Według Światowej Federacji Dzikiej Przyrody każdego roku w oceanach porzuca się do 1 miliona funtów sprzętu połowowego, a sieci rybackie wykonane z Nylonu-6 stanowią co najmniej 46% Wielkiej Pacyficznej Plamy Śmieci.
„Sieci rybackie tracą jakość po kilku latach użytkowania” – powiedział Liwei Ye, główny autor artykułu i stażysta podoktorski w laboratorium Marksa. „Stają się tak nasiąknięte wodą, że trudno je wyciągnąć z oceanu. A ich wymiana jest tak tania, że ludzie po prostu zostawiają je w wodzie i kupują nowe”.
„W oceanie jest dużo śmieci” – dodał Marks. „Tektura i odpady spożywcze ulegają biodegradacji. Metale opadają na dno. Następnie zostają plastiki”.
Najbardziej ekologiczny rozpuszczalnik to brak rozpuszczalnika
Obecne metody utylizacji Nylonu-6 ograniczają się do prostego zakopywania go na wysypiskach śmieci. Podczas spalania Nylon-6 emituje toksyczne zanieczyszczenia, takie jak tlenki azotu, które są powiązane z różnymi komplikacjami zdrowotnymi, w tym przedwczesną śmiercią, lub dwutlenek węgla, niesławnie silny gaz cieplarniany.
Chociaż inne laboratoria badały katalizatory do degradacji Nylonu-6, katalizatory te wymagają ekstremalnych warunków (takich jak temperatury do 350 stopni Celsjusza), pary pod wysokim ciśnieniem (która jest energetycznie kosztowna i nieefektywna) i/lub toksycznych rozpuszczalników, które jedynie przyczyniają się do więcej zanieczyszczeń.
„Możesz rozpuścić tworzywa sztuczne w kwasie, ale wtedy pozostaniesz z brudną wodą” – powiedział Marks. „Co z tym zrobić? Celem jest zawsze użycie ekologicznego rozpuszczalnika. A jaki rodzaj rozpuszczalnika jest bardziej ekologiczny niż jego całkowity brak?”
Odzyskiwanie elementów składowych do upcyklingu
Aby ominąć te problemy, badacze wykorzystali nowatorski katalizator opracowany już w laboratorium Marksa. Katalizator wykorzystuje itr (niedrogi metal występujący na Ziemi) i jony lantanowców. Kiedy zespół podgrzał próbki Nylonu-6 do temperatury topnienia i nałożył katalizator bez rozpuszczalnika, tworzywo sztuczne rozpadło się – powracając do swoich pierwotnych elementów składowych, nie pozostawiając po sobie produktów ubocznych.
„Możesz myśleć o polimerze jak o naszyjniku lub sznurze pereł” – wyjaśnił Marks. „W tej analogii każda perła jest monomerem. Monomery te są elementami budulcowymi. Opracowaliśmy sposób na rozbicie naszyjnika i odzyskanie pereł”.
W eksperymentach Marksowi i jego zespołowi udało się odzyskać 99% oryginalnych monomerów z tworzyw sztucznych. Zasadniczo monomery te można następnie poddać recyklingowi w produkty o wyższej wartości, na które obecnie istnieje duże zapotrzebowanie ze względu na ich wytrzymałość i trwałość.
„Nylon z recyklingu jest w rzeczywistości wart więcej pieniędzy niż zwykły nylon” – powiedział Marks. „Wiele ekskluzywnych marek modowych wykorzystuje w ubraniach nylon z recyklingu”.
Skutecznie celuje w Nylon-6
Oprócz odzyskiwania wysokiej wydajności monomerów, katalizator jest wysoce selektywny – działa tylko na polimery Nylon-6, nie zakłócając otaczających materiałów. Oznacza to, że przemysł może zastosować katalizator do dużych ilości nieposortowanych odpadów i selektywnie ukierunkować go na Nylon-6.
„Jeśli nie masz selektywnego katalizatora, jak oddzielić nylon od reszty odpadów?” Marks powiedział. „Byłoby trzeba zatrudnić ludzi do sortowania wszystkich odpadów w celu usunięcia nylonu. Jest to niezwykle kosztowne i nieefektywne. Ale jeśli katalizator tylko degraduje nylon i pozostawia wszystko inne, jest to niewiarygodnie wydajne”.
Recykling tych monomerów pozwala również uniknąć konieczności wytwarzania większej ilości tworzyw sztucznych od podstaw.
„Te monomery są produkowane z ropy naftowej, więc pozostawiają ogromny ślad węglowy” – powiedział Ye. „To po prostu nie do utrzymania”.
Co dalej?
Po złożeniu wniosku patentowego na nowy proces Marks i jego zespół spotkali się już z zainteresowaniem potencjalnych partnerów przemysłowych. Mają nadzieję, że inni będą mogli wykorzystać ich katalizatory na dużą skalę, aby pomóc w rozwiązaniu globalnego problemu tworzyw sztucznych.
„Nasze badania stanowią znaczący krok naprzód w dziedzinie recyklingu polimerów i zrównoważonego zarządzania materiałami” – powiedział Ye. „Innowacyjne podejście eliminuje krytyczną lukę w obecnych technologiach recyklingu, oferując praktyczne i skuteczne rozwiązanie problemu odpadów nylonowych. Uważamy, że ma to wpływ na zmniejszenie śladu tworzyw sztucznych na środowisko i przyczynienie się do gospodarki o obiegu zamkniętym”.
Badanie zatytułowane „Catalyst metal-ligand design for Rapid, Selective and rozpuszczalnikless depolimerization of Nylon-6 Plastics” zostało wsparte przez projekt RePLACE (Redesigning Polymers to Leverage A Circular Economy), finansowany przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych ( numery nagród SC0022290 i DE-FG02-03ER15457) oraz National Science Foundation (numer grantu CHE-1856619). Dodatkowe wsparcie pochodziło od Instytutu Katalizy w Procesach Energetycznych, który jest głównym projektem badawczym w ramach Centrum Katalizy i Nauk o Powierzchni w Instytucie Zrównoważonego Rozwoju i Energii im. Pauli M. Trienens.