Le plastiche di nuova generazione consentono il recupero dei monomeri dagli additivi comuni, anche in flussi di rifiuti misti, producendo solo acqua come sottoprodotto.
#biotecnologia, #PDK, #plastica, #riciclaggio
Un team di ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (Berkeley Laboratory) ha sviluppato una plastica riciclabile che può essere scomposta in elementi costitutivi a livello molecolare e quindi riassemblata in diverse forme, trame e colori ancora e ancora senza perdere prestazioni o qualità. Un nuovo materiale chiamato poli (dicentenoamina) o PDK è stato pubblicato su Nature Chemistry.
Tutte le materie plastiche, dalle bottiglie d'acqua ai ricambi auto, sono fatte di grandi molecole chiamate polimeri, che consistono in legami ripetitivi di composti di carbonio più brevi chiamati monomeri.
Le materie plastiche ricircolate sono prodotti a basso costo a causa delle impurità residue e della degradazione del polimero in ogni ciclo di riutilizzo. Le materie plastiche sottoposte a polimerizzazione reversibile possono recuperare monomeri preziosi e convertirli in materiali integri. Tuttavia, il recupero dei monomeri è spesso costoso, complesso e consuma energia. Le plastiche di nuova generazione, polimerizzate usando legami dinamici di diketoenamina covalenti, consentono il recupero dei monomeri dagli additivi comuni, anche in flussi di rifiuti misti, producendo solo acqua come sottoprodotto. I monomeri estratti possono essere recuperati nella stessa formulazione polimerica senza perdita di produttività, così come in altre formulazioni polimeriche con proprietà differenziate. La facilità con cui il polietilene (diketenoamine) può essere fabbricato, utilizzato, riciclato e riutilizzato senza perdita di valore indica nuove direzioni nello sviluppo di polimeri sostenibili con un impatto ambientale minimo.
Secondo i ricercatori, il problema di molte materie plastiche è che le sostanze chimiche aggiunte alla loro utilità, come i riempitivi che rendono rigide le materie plastiche, o i plastificanti che rendono flessibili le materie plastiche, sono strettamente correlate ai monomeri e rimangono la plastica Anche dopo essere stati trattati in un impianto di riciclaggio.
Durante la lavorazione in queste piante, le materie plastiche di diverse composizioni chimiche (plastiche solide, plastiche elastiche, plastica trasparente, plastica colorata) vengono mescolate e frantumate in pezzi. Quando questa miscela di plastica tagliata si scioglie per creare un nuovo materiale, è difficile prevedere le proprietà che erediterà dalla plastica originale.
Questo patrimonio di proprietà sconosciute e, quindi, imprevedibile, ha impedito alle materie plastiche di diventare ciò che molti considerano la base del processo: un materiale "rotondo" i cui monomeri originali possono essere estratti per il riutilizzo il più a lungo possibile o "Riciclato" in uno nuovo. Un prodotto di altissima qualità.
Pertanto, quando una shopping bag riutilizzabile si consuma, non può essere riciclata per creare un nuovo prodotto. Secondo Helms, una volta che la borsa ha raggiunto la fine della sua vita utile, viene incenerita per produrre calore, elettricità o carburante, oppure viene trasportata in una discarica sanitaria.
Una nuova generazione di materie plastiche.
I ricercatori vogliono rimuovere la plastica dalle discariche e dagli oceani, incoraggiandone il recupero e il riutilizzo, cosa possibile con i polimeri prodotti da MPC. "Nel caso del PDK, i composti invariabili in plastica convenzionale sono sostituiti da composti reversibili che consentono una lavorazione più efficiente della plastica", ha affermato Helms.
A differenza delle plastiche convenzionali, i monomeri in plastica PDK possono essere rimossi e rilasciati da qualsiasi additivo complesso semplicemente immergendo il materiale in una soluzione altamente acida. L'acido aiuta a rompere i legami tra i monomeri e li separa dagli additivi chimici che danno alla plastica un aspetto e una sensazione.
"Siamo interessati alla chimica che reindirizza i cicli di vita della plastica da lineare a circolare", ha detto Helms. "Vediamo un'opportunità per cambiare la situazione quando non ci sono opzioni di riciclaggio, come cole, casse del telefono, cinturini per orologi, scarpe, cavi per computer e materiali duri in plastica termoindurente.
I ricercatori hanno scoperto le sorprendenti proprietà del riciclaggio di materie plastiche basate su MPC quando Christensen ha applicato vari acidi alla vetreria utilizzata per realizzare gli adesivi MPC e ha notato che la composizione dell'adesivo era cambiata. Curioso di come l'adesivo potesse essere trasformato, Christensen ha analizzato la struttura molecolare del campione utilizzando un dispositivo di spettroscopia NMR. "Con nostra sorpresa, questi erano monomeri originali", dice Helms.
Dopo aver testato varie composizioni molecolari di fonderia, hanno dimostrato che non solo dividono gli acidi polimerici PDK in monomeri, ma consentono anche ai monomeri di separarsi dagli additivi bloccanti.
Hanno quindi dimostrato che i monomeri PDK recuperati possono essere convertiti in polimeri e che i polimeri riciclati possono formare nuovi materiali plastici senza ereditare il colore o altre caratteristiche del materiale originale, in modo che la plastica scartata possa trovare un nuovo uso. Ad esempio, una tastiera per computer, se è realizzata in plastica PDK, può anche essere riciclata aggiungendo funzioni aggiuntive come la flessibilità.
Verso il futuro delle materie plastiche riciclabili.
I ricercatori ritengono che la loro nuova plastica riciclabile possa essere una buona alternativa alle molte plastiche non riciclabili utilizzate oggi.
"Siamo in un punto critico in cui dobbiamo pensare all'infrastruttura necessaria per modernizzare le nostre strutture di riciclaggio in futuro", ha affermato Helms. "Se queste strutture fossero progettate per riciclare il KDP e le relative materie plastiche, potremmo fare un uso migliore della plastica da discariche e oceani: è un momento emozionante pensare a come progettare materiali e impianti di riciclaggio per consentire l'uso di plastica riciclabile ", ha detto Helms.
I ricercatori progettano quindi di sviluppare plastiche PDK con una vasta gamma di proprietà termiche e meccaniche per varie applicazioni, quali tessuti, stampa 3D e schiume. Inoltre, cercano di espandere le loro formulazioni per includere materiali vegetali e altre fonti sostenibili.
Sebbene queste plastiche "più rispettose dell'ambiente" contribuiranno a ridurre la contaminazione delle materie plastiche in futuro, l'umanità deve ancora trattare con 18 miliardi di chili di plastica ordinaria che raggiunge i nostri oceani ogni anno, e 6.3 un miliardo di tonnellate. Le materie plastiche sono state create dal 1950. Secondo uno studio condotto lo scorso anno, il 79% dei rifiuti è ancora qui, fluttuante nel mare, nelle discariche o sparsi per la campagna.
Referenze:
Helms, B. A. & Russell, T. P. Polymer chemistries enabling cradle-to-cradle life cycles for plastics. Chem. 1, 813–819 (2016).
Rahimi, A. R. & García, J. M. Chemical recycling of waste plastics for new materials production. Nat. Rev. Chem. 1, 0046 (2017).
García, J. M. & Robertson, M. L. The future of plastics recycling. Science 358, 870–872 (2017).
Hong, M. & Chen, E. Y.-X. Chemically recyclable polymers: a circular economy approach to sustainability. Green Chem. 19, 3692–3706 (2017).
MacArthur, E. Beyond plastic waste. Science 358, 843 (2017).
Schneiderman, D. K. & Hillmyer, M. A. 50th anniversary perspective: There is a great future in sustainable polymers. Macromolecules 50, 3733–3749 (2017).
Sardon, H. & Dove, A. P. Plastics recycling with a difference. Science 360, 380–381 (2018).
#biotecnologia, #PDK, #plastica, #riciclaggio
Tutte le materie plastiche, dalle bottiglie d'acqua ai ricambi auto, sono fatte di grandi molecole chiamate polimeri, che consistono in legami ripetitivi di composti di carbonio più brevi chiamati monomeri.
Le materie plastiche ricircolate sono prodotti a basso costo a causa delle impurità residue e della degradazione del polimero in ogni ciclo di riutilizzo. Le materie plastiche sottoposte a polimerizzazione reversibile possono recuperare monomeri preziosi e convertirli in materiali integri. Tuttavia, il recupero dei monomeri è spesso costoso, complesso e consuma energia. Le plastiche di nuova generazione, polimerizzate usando legami dinamici di diketoenamina covalenti, consentono il recupero dei monomeri dagli additivi comuni, anche in flussi di rifiuti misti, producendo solo acqua come sottoprodotto. I monomeri estratti possono essere recuperati nella stessa formulazione polimerica senza perdita di produttività, così come in altre formulazioni polimeriche con proprietà differenziate. La facilità con cui il polietilene (diketenoamine) può essere fabbricato, utilizzato, riciclato e riutilizzato senza perdita di valore indica nuove direzioni nello sviluppo di polimeri sostenibili con un impatto ambientale minimo.
Secondo i ricercatori, il problema di molte materie plastiche è che le sostanze chimiche aggiunte alla loro utilità, come i riempitivi che rendono rigide le materie plastiche, o i plastificanti che rendono flessibili le materie plastiche, sono strettamente correlate ai monomeri e rimangono la plastica Anche dopo essere stati trattati in un impianto di riciclaggio.
Durante la lavorazione in queste piante, le materie plastiche di diverse composizioni chimiche (plastiche solide, plastiche elastiche, plastica trasparente, plastica colorata) vengono mescolate e frantumate in pezzi. Quando questa miscela di plastica tagliata si scioglie per creare un nuovo materiale, è difficile prevedere le proprietà che erediterà dalla plastica originale.
Questo patrimonio di proprietà sconosciute e, quindi, imprevedibile, ha impedito alle materie plastiche di diventare ciò che molti considerano la base del processo: un materiale "rotondo" i cui monomeri originali possono essere estratti per il riutilizzo il più a lungo possibile o "Riciclato" in uno nuovo. Un prodotto di altissima qualità.
Pertanto, quando una shopping bag riutilizzabile si consuma, non può essere riciclata per creare un nuovo prodotto. Secondo Helms, una volta che la borsa ha raggiunto la fine della sua vita utile, viene incenerita per produrre calore, elettricità o carburante, oppure viene trasportata in una discarica sanitaria.
Una nuova generazione di materie plastiche.
I ricercatori vogliono rimuovere la plastica dalle discariche e dagli oceani, incoraggiandone il recupero e il riutilizzo, cosa possibile con i polimeri prodotti da MPC. "Nel caso del PDK, i composti invariabili in plastica convenzionale sono sostituiti da composti reversibili che consentono una lavorazione più efficiente della plastica", ha affermato Helms.
"Siamo interessati alla chimica che reindirizza i cicli di vita della plastica da lineare a circolare", ha detto Helms. "Vediamo un'opportunità per cambiare la situazione quando non ci sono opzioni di riciclaggio, come cole, casse del telefono, cinturini per orologi, scarpe, cavi per computer e materiali duri in plastica termoindurente.
I ricercatori hanno scoperto le sorprendenti proprietà del riciclaggio di materie plastiche basate su MPC quando Christensen ha applicato vari acidi alla vetreria utilizzata per realizzare gli adesivi MPC e ha notato che la composizione dell'adesivo era cambiata. Curioso di come l'adesivo potesse essere trasformato, Christensen ha analizzato la struttura molecolare del campione utilizzando un dispositivo di spettroscopia NMR. "Con nostra sorpresa, questi erano monomeri originali", dice Helms.
Dopo aver testato varie composizioni molecolari di fonderia, hanno dimostrato che non solo dividono gli acidi polimerici PDK in monomeri, ma consentono anche ai monomeri di separarsi dagli additivi bloccanti.
Hanno quindi dimostrato che i monomeri PDK recuperati possono essere convertiti in polimeri e che i polimeri riciclati possono formare nuovi materiali plastici senza ereditare il colore o altre caratteristiche del materiale originale, in modo che la plastica scartata possa trovare un nuovo uso. Ad esempio, una tastiera per computer, se è realizzata in plastica PDK, può anche essere riciclata aggiungendo funzioni aggiuntive come la flessibilità.
Verso il futuro delle materie plastiche riciclabili.
I ricercatori ritengono che la loro nuova plastica riciclabile possa essere una buona alternativa alle molte plastiche non riciclabili utilizzate oggi.
"Siamo in un punto critico in cui dobbiamo pensare all'infrastruttura necessaria per modernizzare le nostre strutture di riciclaggio in futuro", ha affermato Helms. "Se queste strutture fossero progettate per riciclare il KDP e le relative materie plastiche, potremmo fare un uso migliore della plastica da discariche e oceani: è un momento emozionante pensare a come progettare materiali e impianti di riciclaggio per consentire l'uso di plastica riciclabile ", ha detto Helms.
Sebbene queste plastiche "più rispettose dell'ambiente" contribuiranno a ridurre la contaminazione delle materie plastiche in futuro, l'umanità deve ancora trattare con 18 miliardi di chili di plastica ordinaria che raggiunge i nostri oceani ogni anno, e 6.3 un miliardo di tonnellate. Le materie plastiche sono state create dal 1950. Secondo uno studio condotto lo scorso anno, il 79% dei rifiuti è ancora qui, fluttuante nel mare, nelle discariche o sparsi per la campagna.
Referenze:
Helms, B. A. & Russell, T. P. Polymer chemistries enabling cradle-to-cradle life cycles for plastics. Chem. 1, 813–819 (2016).
Rahimi, A. R. & García, J. M. Chemical recycling of waste plastics for new materials production. Nat. Rev. Chem. 1, 0046 (2017).
García, J. M. & Robertson, M. L. The future of plastics recycling. Science 358, 870–872 (2017).
Hong, M. & Chen, E. Y.-X. Chemically recyclable polymers: a circular economy approach to sustainability. Green Chem. 19, 3692–3706 (2017).
MacArthur, E. Beyond plastic waste. Science 358, 843 (2017).
Schneiderman, D. K. & Hillmyer, M. A. 50th anniversary perspective: There is a great future in sustainable polymers. Macromolecules 50, 3733–3749 (2017).
Sardon, H. & Dove, A. P. Plastics recycling with a difference. Science 360, 380–381 (2018).
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