مواد و ساخت پیشرفته

محققان دانشگاه برکلی موفق شدند یک فرایند کاتالیزوری جالب ابداع نمایند که طی آن بزرگ‌ترین جزء جریان زباله‌های پلاستیکی امروزی یعنی کیسه‌ها و بطری‌های پلاستیکی پلی‌الفین را به گازهایی مانند پروپیلن و ایزوبوتیلن تبدیل می‌کند که بلوک‌های سازنده پلی‌پروپیلن و انواع دیگر پلاستیک‌ها هستند.

از اینرو این فرآیند جدید کیسه‌ها و بطری‌های پلاستیکی را تبخیر می‌کند و گازهایی تولید می‌‌نماید تا پلاستیک‌های جدید و بازیافتی بسازیم. این فرایند با دو نوع غالب زباله‌های پلاستیکی پس از مصرف، به خوبی کار می‌کند: پلی اتیلن، جزء اکثر کیسه‌های پلاستیکی یکبار مصرف و پلی پروپیلن یا همان بخش از مواد پلاستیکی سخت که از ظروف مایکروویو گرفته تا چمدان در همجا به چشم می‌خورد. همچنین به طور موثر ترکیبی از این نوع پلاستیک‌ها را نیز تخریب می‌کند.

به علاوه در صورت مقیاس‌پذیر شدن این فرایند می‌تواند به اقتصاد چرخه‌ای برای حل مشکل بزرگ پلاستیک‌های دور ریخته‌شده کمک کند و با تبدیل زباله‌های پلاستیکی به مونومرهای مورد استفاده برای ساخت پلیمرها و در نتیجه کاهش سوخت‌های فسیلی مورد استفاده برای ساخت پلاستیک‌های جدید به کار گرفته شود.

پلاستیک‌های پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن حدود دو‌سوم زباله‌های پلاستیکی پس از مصرف در سراسر جهان را تشکیل می‌دهند که حدود هشتاد درصد آنها به محل‌های دفن زباله ختم می‌گردند یا سوزانده می‌شود یا به سادگی به خیابان‌ها رها می‌گردند که اغلب به صورت میکروپلاستیک سر از رودخانه‌ها و اقیانوس‌ها درمی‌آورند. بقیه نیز به عنوان پلاستیک کم‌ارزش بازیافت می‌شوند و به گلدان و آفتابه و غیره تبدیل می‌شوند!

برای کاهش این ضایعات، محققان به دنبال راه‌هایی بوده‌اند تا پلاستیک‌ها را به چیزی با ارزش‌تر تبدیل کنند مانند مونومرهایی که برای تولید پلاستیک‌های جدید پلیمریزه می‌شوند. این امر اقتصاد چرخه‌ای پلیمری را برای پلاستیک‌ها ایجاد می‌کند و نیاز به ساخت پلاستیک‌های جدید از نفت که گازهای گلخانه ای تولید می‌کند را کاهش می‌دهد.

این محققان در ابتدا فرآیندی را برای شکستن کیسه‌های پلاستیکی پلی‌اتیلن به مونومر پروپیلن که پروپن نیز نامیده می‌شود  ارائه کردند که می‌توان از آن برای ساخت پلاستیک‌های پلی‌پروپیلن دوباره استفاده کرد. این فرآیند شیمیایی از سه کاتالیزور مختلف فلزات سنگین سفارشی استفاده می‌کرد. یکی برای افزودن پیوند دوگانه کربن-کربن به پلیمر پلی‌اتیلن و دو تای دیگر برای شکستن زنجیره در این پیوند دوگانه و جدا کردن مکرر یک اتم کربن و ایجاد مولکول‌های پروپیلن با اتیلن تا زمانیکه پلیمر ناپدید شود. اما کاتالیزورها در واکنش مایع حل شدند و عمر کوتاهی داشتند که بازیابی آنها به شکل فعال را دشوار می‌کرد.

در فرآیند جدید، کاتالیزورهای فلزی گران‌قیمت و محلول با کاتالیزورهای جامد ارزان‌تری جایگزین شده‌اند که معمولاً در صنایع شیمیایی برای فرآیندهای جریان پیوسته استفاده می‌شوند و از کاتالیزور استفاده مجدد می‌کنند. فرآیندهای جریان پیوسته را می‌توان برای رسیدگی به حجم زیادی از مواد افزایش داد.

آنها با سنتز یک کاتالیزور سدیم بر روی آلومینا دریافتند که به طور موثر انواع مختلفی از زنجیره‌های پلیمری پلی اولفین را می‌‌شکند و یکی از این دو قطعه را با یک پیوند دوگانه کربن-کربن راکتیو در انتها باقی می‌گذارد. کاتالیزور دوم، اکسید تنگستن روی سیلیس، اتم کربن را در انتهای زنجیره به گاز اتیلن اضافه کرد که به طور مداوم از طریق محفظه واکنش جریان می‌یابد تا یک مولکول پروپیلن را تشکیل دهد. فرآیند دوم که متاتز الفین نامیده می‌شود، پیوند دوگانه‌ای را به جا می‌گذارد که کاتالیزور می‌تواند بارها و بارها به آن دسترسی داشته باشد تا زمانیکه کل زنجیره به پروپیلن تبدیل شود.

همین واکنش با پلی‌پروپیلن برای تشکیل ترکیبی از پروپن و هیدروکربنی به نام ایزوبوتیلن رخ می‌دهد. ایزوبوتیلن در صنایع شیمیایی برای ساخت پلیمرهای محصولات مختلف از توپ فوتبال گرفته تا لوازم آرایشی و برای ساختن افزودنی‌های بنزین با اکتان بالا استفاده می‌شود.

در ادامه با کمال تعجب مشخص شد کاتالیزور تنگستن حتی موثرتر از کاتالیزور سدیم در شکستن زنجیره‌های پلی پروپیلن عمل می‌کند. تنگستن یک فلز فراوان در زمین است که در صنایع شیمیایی در مقیاس بزرگ استفاده می‌شود، برخلاف کاتالیزورهای فلز روتنیم که حساس‌تر و گران‌تر بودند.

این ترکیب اکسید تنگستن روی سیلیس و سدیم روی آلومینا مانند برداشتن دو نوع خاک مختلف است و آنها را با هم جدا می‌کنیم تا کل زنجیره پلیمری را به بازدهی بالاتری به پروپن از اتیلن و ترکیب پروپن و ایزوبوتیلن از پلی‌پروپیلن تبدیل کنیم.

یکی از مزیت‌های کلیدی کاتالیزورهای جدید این است که نیاز به حذف هیدروژن برای تشکیل پیوند دوگانه کربن-کربن شکستنی در پلیمر اجتناب می‌‌شود که یکی از ویژگی‌های فرآیند قبلی برای تجزیه پلی اتیلن بود. چنین پیوندهای دوگانه پاشنه آشیل یک پلیمر هستند.

منبع