شیمیدان‌ها چگونه مشکل پلاستیک را حل می‌کنند؟

ما معمولاً کل پلاستیک‌ها را در یک گروه قرار می‌دهیم، اما همان‌طور که احتمالاً هنگام تلاش برای انداختن مواد قابل بازیافت در سطل بازیافت متوجه شده‌اید، بطری‌های آب، قوطی‌های شیر، کارتن‌های تخم‌مرغ و کارت‌های اعتباری درواقع از مواد مختلفی ساخته شده‌اند. وقتی آن‌ها به مرکز بازیافت می‌رسند، پلاستیک باید جدا شود. این فرایند می‌تواند کند و پرهزینه باشد و درنهایت انواع مواد قابل بازیافت و مقدار بازیافت را محدود کند.

اکنون پژوهشگران فرایند جدیدی را توسعه داده‌اند که می‌تواند مخلوطی از چند نوع پلاستیک را به پروپان تبدیل کند که واحد ساختمانی شیمیایی ساده‌ای است که می‌تواند به‌عنوان سوخت مصرف شود یا به پلاستیک جدید یا محصولات دیگر تبدیل شود. علت کارآمد بودن این فرایند آن است که اگرچه شیمی دقیق آن‌ها می‌تواند متفاوت باشد، بسیاری از پلاستیک‌ها دستور ساخت اولیه مشابهی دارند: آن‌ها از زنجیره‌های طولانی از عمدتاً کربن و هیدروژن ساخته شده‌اند.

همراه با سیاست‌ها و محافظت‌های زیست‌محیطی، مهندسی مجدد بازیافت می‌تواند به پیشگیری از برخی از بدترین آسیب‌های ناشی از پلاستیک‌ها کمک کند.

سالانه بیش از ۴۰۰ میلیون تن پلاستیک در سراسر جهان تولید می‌شود. از این مقدار، کمتر از ۱۰ درصد بازیافت می‌شود، حدود ۳۰ درصد از آن برای مدتی درحال استفاده باقی می‌ماند و بقیه یا به محل‌های دفن ضایعات یا به محیط زیست راه پیدا می‌کنند یا سوزانده می‌شوند.

پلاستیک‌ها همچنین یکی از عوامل مؤثر تغییرات اقلیمی هستند: تولید آن‌ها در سال ۲۰۱۹، ۳/۴ درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای جهانی را در پی داشت. بازیافت نه‌تنها پلاستیک‌ها را از مکان‌های دفن ضایعات و اقیانوس‌ها دور نگه می‌دارد، بلکه یافتن راه‌های جدید برای تولید واحدهای ساختمانی برای پلاستیک‌ها می‌تواند به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز کمک کند. جولی رورر، پژوهشگر فوق دکتری مهندسی شیمی در مؤسسه فناوری ماساچوست و یکی از نویسندگان پژوهش اخیر می‌گوید هدف ما این است که درنهایت بتوانیم ضایعات پلاستیکی را به‌عنوان ماده اولیه ارزشمندی ببینیم.

یکی از مزیت‌های اصلی رویکرد جدیدی که رورر و همکارانش توسعه داده‌اند، این است که روی دو پلاستیک رایج کار می‌کند: پلی اتیلن و پلی پروپیلن.

مخلوطی از پلاستیک‌ها که بطری‌های و ظرف‌های شیر را می‌سازند، وارد رآکتور می‌شود و پروپان تولید می‌شود. این رویکرد گزینش‌پذیری بالایی دارد و پروپان حدود ۸۰ درصد از گازهای محصول نهایی را تشکیل می‌دهد. رورر می‌گوید: «واقعاً هیجان‌انگیز است، زیرا گامی به سوی ایده‌ی چرخه‌ای بودن است.»

در فرایند رورر و همکارانش، برای کاهش انرژی موردنیاز برای تجزیه پلاستیک از کاتالیزوری با دو مؤلفه استفاده می‌شود: کبالت و ماده متخلخل شن‌مانندی به نام زئولیت. پژوهشگران هنوز دقیقاً از نحوه عملکرد این ترکیب اطمینان ندارند، اما رورر می‌گوید احتمالاً گزینش‌پذیری حاصل منافذ موجود در زئولیت است که محل واکنش زنجیره‌های مولکولی بلند در پلاستیک را محدود می‌کند، درحالی‌که کبالت از غیرفعال شدن زئولیت ممانعت می‌کند.

این فرایند هنوز تا آماده شدن برای استفاده صنعتی فاصله دارد. درحال‌حاضر، واکنش در مقیاس کوچکی انجام می‌شود و برای اینکه اقتصادی باشد، نیاز است که مستمر باشد.

پژوهشگران همچنین درحال بررسی موادی هستند که باید استفاده کنند. کبالت نسبت‌به کاتالیزورهای دیگری که آن‌ها آزمایش کرده‌اند مانند روتنیوم و پلاتین رایج‌تر و ارزن‌تر است، اما هنوز به‌دنبال گزینه‌های بهتری هستند. رورر می‌گوید درک بهتر نحوه عملکرد کاتالیزورها می‌تواند به آن‌ها اجازه دهد تا کبالت را با کاتالیزورهای ارزان‌تر و فراوان‌تری جایگزین کنند. رورر می‌گوید هدف نهایی سیستم بازیافت پلاستیک کاملاً مخلوط است و این چارچوب دور از ذهن نیست.

با‌این‌حال، دستیابی به این چشم‌انداز نیازمند اصلاحاتی است. پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن زنجیره‌های ساده‌ای از کربن و هیدروژن هستند، درحالی‌که برخی از پلاستیک‌های دیگر حاوی عناصر دیگری مانند اکسیژن و کلر هستند که می‌تواند روش‌های بازیافت شیمیایی را با چالش مواجه کند. برای مثال، اگر پلی‌وینیل کلراید (PVC) که به‌طور گسترده در بطری‌ها و لوله‌ها استفاده می‌شود، در این سیستم وارد شود، می‌تواند کاتالیزور را غیرفعال یا مسموم کند و محصولات جانبی از نوع گازهای سمی تولید کند، بنابراین پژوهشگران همچنان باید راه‌های دیگری برای مدیریت آن نوع پلاستیک پیدا کنند.

دانشمندان دیگر نیز به‌دنبال راه‌های دیگری برای بازیافت پلاستیک‌های مخلوط هستند. در مطالعه‌ای که در ماه اکتبر در مجله ساینس منتشر شد، پژوهشگران از فرایند شیمیایی در کنار باکتری‌های مهندسی‌شده ژنتیکی برای تجزیه مخلوطی از سه پلاستیک رایج استفاده کردند.

مرحله اول شامل اکسیداسیون شیمیایی است که زنجیره‌های طولانی را قطع می‌کند و مولکول‌های کوچک‌تری را تولید می‌کند که اکسیژن به آن‌ها متصل است. طبق توضیحات شانون استال، یکی از نویسندگان پژوهش و شیمیدان دانشگاه ویسکانسین، این رویکرد به این دلیل مؤثر است که اکسیداسیون به شکل بی‌قاعده روی طیف وسیعی از مواد عمل می‌کند.

درنتیجه‌ی اکسید شدن پلاستیک‌ها محصولاتی تولید می‌شود که سپس می‌توانند توسط باکتری‌هایی که برای تغذیه از آن‌ها مهندسی شده‌اند، مصرف شوند. پژوهشگران با تغییر متابولیسم باکتری‌ها، درنهایت می‌توانند پلاستیک‌های جدیدی مانند اشکال جدیدی از نایلون را بسازند.

آلی ورنر، زیست‌شناس آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر و یکی از نویسندگان مطالعه منتشر‌شده در ساینس می‌گوید این پژوهش هنوز ادامه دارد. پژوهشگران به‌طورخاص در تلاش هستند تا مسیرهای متابولیکی را که باکتری‌ها از آن برای ساخت محصولات استفاده می‌کنند، بهتر درک کنند تا بتوانند فرایند را تسریع کنند و مقادیر بیشتری از مواد مفید را تولید کنند. این رویکرد احتمالاً می‌تواند در مقیاس بزرگ‌تر مورد استفاده قرار گیرد، زیرا هم اکسیداسیون و هم باکتری‌های مهندسی‌شده فراگیر شده‌اند: صنعت پتروشیمی هر سال، برای میلیون‌ها تُن ماده به اکسیداسیون متکی است و میکروارگانیسم‌ها در صنایعی نظیر داروسازی و فرآوری مواد غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

همان‌طور که دانشمندانی مانند ورنر و رورر روی روش‌های بازیافت پلاستیک کار می‌کنند، فرصت‌هایی برای بازنگری درمورد نحوه‌ی برخورد ما با مقادیر عظیم ضایعات پلاستیکی پیش می‌آید. رورر می‌گوید: «این چالشی است که جامعه برای مقابله با آن مجهز است.» او خاطرنشان می‌کند که اخیراً پژوهشگران زیادی به کار روی بازیافت بهینه پلاستیک روی آورده‌اند.