Plastik Atıkları Değerli Kimyasallara Dönüştüren Devrimsel Yöntem
Katalitik süreç, polimerleri verimli bir şekilde kimyasal öncüllere ayırarak plastikler için döngüsel bir ekonominin geliştirilmesini ilerletiyor.
Yeni bir kimyasal süreç, günümüzde atık akışına hakim olan plastikleri buharlaştırarak yeni plastikler için hidrokarbon yapı taşlarına dönüştürebiliyor.
Berkeley’deki Kaliforniya Üniversitesi’nde geliştirilen katalitik süreç, iki baskın tüketici sonrası plastik atık türüyle eşit derecede iyi çalışıyor: tek kullanımlık plastik poşetlerin çoğunun bileşeni olan polietilen ve mikrodalgada pişirilebilen tabaklardan valizlere kadar sert plastiklerin malzemesi olan polipropilen. Ayrıca bu tür plastiklerin bir karışımını da verimli bir şekilde bozuyor.
Süreç, ölçeklendirildiği takdirde, plastik atıkların tekrar polimer yapımında kullanılan monomerlere dönüştürülmesi ve böylece yeni plastiklerin yapımında kullanılan fosil yakıtların azaltılmasıyla, çöpe atılan birçok plastik için döngüsel bir ekonomi oluşturulmasına yardımcı olabilir. Bir polyester olan polietilen tetraftalattan (PET) yapılan şeffaf plastik su şişeleri 1980’lerde bu şekilde geri dönüştürülmek üzere tasarlanmıştı. Ancak polyester plastiklerin hacmi, poliolefin olarak adlandırılan polietilen ve polipropilen plastiklerin hacmine kıyasla çok küçüktür.
Araştırmayı yöneten UC Berkeley kimya profesörü John Hartwig, “Beslenme çantalarından çamaşır sabunu şişelerine ve süt sürahilerine kadar günlük nesnelerde muazzam miktarda polietilen ve polipropilen var – etrafımızdaki şeylerin çoğu bu poliolefinlerden yapılmıştır” dedi. “Şimdi yapabileceğimiz şey, prensip olarak, bu nesneleri almak ve tipik olarak kararlı karbon-karbon bağlarını ayıran tasarladığımız kimyasal reaksiyonlarla başlangıç monomerine geri getirmektir. Bunu yaparak, su şişelerindeki polyesterler için sahip olduğunuz daireselliği polietilen ve polipropilene vermeye herkesten daha fazla yaklaştık.”
Hartwig, yüksek lisans öğrencisi Richard J. “RJ” Conk, UC Berkeley Enstitü Profesörü olan kimya mühendisi Alexis Bell ve meslektaşları katalitik sürecin ayrıntılarını 29 Ağustos’ta Science dergisinde yayınladı.
Plastikler için Döngüsel Bir Ekonomi
Polietilen ve polipropilen plastikler dünya genelinde tüketici sonrası plastik atıkların yaklaşık üçte ikisini oluşturmaktadır. Yaklaşık %80’i çöplüklere atılmakta, yakılmakta ya da sokaklara atılmakta ve genellikle akarsularda ve okyanuslarda mikroplastik olarak son bulmaktadır. Geri kalanı ise düşük değerli plastik olarak geri dönüştürülmekte, zemin kaplama malzemesi, saksı ve çatal haline gelmektedir.
Bu atığı azaltmak için araştırmacılar, plastikleri yeni plastikler üretmek için polimerize edilen monomerler gibi daha değerli bir şeye dönüştürmenin yollarını arıyorlar. Bu, plastikler için döngüsel bir polimer ekonomisi yaratacak ve sera gazı üreten petrolden yeni plastikler üretme ihtiyacını azaltacaktır.
İki yıl önce Hartwig ve UC Berkeley ekibi, polietilen plastik torbaları propen olarak da adlandırılan monomer propilene parçalayarak polipropilen plastiklerin yapımında yeniden kullanılabilecek bir süreç geliştirdi. Bu kimyasal süreçte üç farklı ısmarlama ağır metal katalizör kullanıldı: biri polietilen polimerine bir karbon-karbon çift bağı eklemek için ve diğer ikisi de bu çift bağdaki zinciri kırmak ve tekrar tekrar bir karbon atomunu koparmak ve etilen ile polimer yok olana kadar propilen (C3H6) molekülleri yapmak için. Ancak katalizörler sıvı reaksiyonda çözünmüş ve kısa ömürlü olduklarından aktif bir biçimde geri kazanılmaları zordu.
Yüksek lisans öğrencisi RJ Conk, karışık plastiklerin parçalanarak yeni polimerlerin yeniden kullanılabilir yapı taşlarına dönüştürüldüğü bir reaksiyon odasını ayarlıyor. Kredi: Robert Sanders/UC Berkeley
Yeni süreçte, pahalı, çözünebilir metal katalizörler, katalizörü yeniden kullanan sürekli akış süreçleri için kimya endüstrisinde yaygın olarak kullanılan daha ucuz katı katalizörlerle değiştirilmiştir. Sürekli akış prosesleri büyük hacimlerde malzemeyi işlemek için ölçeklendirilebilir.
Conk bu katalizörleri ilk olarak Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Bölümü’nde heterojen katalizörler konusunda uzman olan Bell’e danıştıktan sonra denedi.
Alümina üzerinde bir sodyum katalizörü sentezleyen Conk, bunun çeşitli poliolefin polimer zincirlerini etkili bir şekilde kırdığını veya parçaladığını ve iki parçadan birini sonunda reaktif bir karbon-karbon çift bağı ile bıraktığını buldu. İkinci bir katalizör olan silika üzerindeki tungsten oksit, zincirin ucundaki karbon atomunu, bir propilen molekülü oluşturmak için reaksiyon odasından sürekli olarak akıtılan etilen gazına ekledi. Olefin metatezi olarak adlandırılan ikinci işlem, tüm zincir propilene dönüştürülene kadar katalizörün tekrar tekrar erişebileceği bir çift bağ bırakır.
Aynı reaksiyon, propen ve izobütilen adı verilen bir hidrokarbon kombinasyonu oluşturmak için polipropilen ile gerçekleşir. İzobütilen kimya endüstrisinde futbol topundan kozmetiğe kadar çeşitli ürünler için polimer yapımında ve yüksek oktanlı benzin katkı maddeleri yapımında kullanılır.
Şaşırtıcı bir şekilde, tungsten katalizörü polipropilen zincirlerini kırmada sodyum katalizöründen bile daha etkiliydi.
Hartwig, “Sodyumdan daha ucuzunu bulamazsınız” dedi. “Ve tungsten, daha hassas ve daha pahalı olan rutenyum metal katalizörlerimizin aksine, kimya endüstrisinde büyük ölçekte kullanılan ve toprakta bol miktarda bulunan bir metaldir. Silika üzerinde tungsten oksit ve alümina üzerinde sodyum kombinasyonu, iki farklı kir türünü alıp birlikte tüm polimer zincirini parçalayarak etilenden propen ve polipropilenden propen ve izobütilen kombinasyonu elde etmek gibi, daha karmaşık ve pahalı katalizörlerle elde ettiğimizden çok daha yüksek verim elde etmemizi sağlıyor.”
İnci Dizisi Gibi
Yeni katalizörlerin önemli bir avantajı, polimerde kırılabilir bir karbon-karbon çift bağı oluşturmak için hidrojeni çıkarma ihtiyacını ortadan kaldırmalarıdır; bu, araştırmacıların polietileni ayrıştırmak için daha önceki işlemlerinin bir özelliğiydi. Bu tür çift bağlar bir polimerin Aşil topuğudur, aynı şekilde polyester veya PET’teki reaktif karbon-oksijen bağları plastiğin geri dönüşümünü kolaylaştırır. Polietilen ve polipropilen bu Aşil topuğuna sahip değildir – tek karbonlu bağlardan oluşan uzun zincirleri çok güçlüdür.
Hartwig, “Poliolefin polimerini bir dizi inci gibi düşünün” dedi. “Uçlarındaki kilitler düşmelerini önler. Ancak ipi ortadan keserseniz, artık her seferinde bir inci çıkarabilirsiniz.”
İki katalizör birlikte polietilen ve polipropilenin neredeyse eşit bir karışımını yaklaşık %90’lık bir verimle propilen ve izobütilene (her ikisi de oda sıcaklığında gaz) dönüştürdü. Tek başına polietilen veya polipropilen için verim daha da yüksekti.
Conk, katalitik reaksiyonların kirleticilerden nasıl etkilendiğini görmek için reaksiyon odasına plastik katkı maddeleri ve farklı plastik türleri ekledi. Bu kirliliklerin küçük miktarları dönüşüm verimliliğini çok az etkiledi, ancak küçük miktarlarda PET ve polivinil klorür – PVC – verimliliği önemli ölçüde azalttı. Ancak bu bir sorun olmayabilir çünkü geri dönüşüm yöntemleri zaten plastikleri türlerine göre ayırmaktadır.
Hartwig, birçok araştırmacının plastikleri kolayca yeniden kullanılabilecek şekilde baştan tasarlamayı umduğunu, ancak bugünün geri dönüşümü zor plastiklerinin onlarca yıl sorun olacağını belirtti.
“Tüm polietilen ve polipropileni ortadan kaldırmamız ve sadece yeni döngüsel malzemeler kullanmamız gerektiği iddia edilebilir. Ancak dünya on yıllar boyunca bunu yapmayacak. Poliolefinler ucuz ve iyi özelliklere sahipler, bu yüzden herkes onları kullanıyor,” diyor Hartwig. “İnsanlar onları dairesel hale getirmenin bir yolunu bulabilirsek bunun büyük bir olay olacağını söylüyorlar ve biz de bunu yaptık. Bunu yapabilecek ticari bir tesisi hayal etmeye başlayabilirsiniz.”
Kaynak: https://scitechdaily.com
Plastik Atıkları Tüketen Mikroplar İnsan Gıdası Olabilir Mi?