Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã thiết kế một loại nhựa có thể tái chế, giống như một bộ đồ chơi Lego, có thể tháo rời thành các bộ phận cấu thành của nó ở cấp độ phân tử, sau đó ghép lại thành một hình dạng, kết cấu và màu sắc khác nhau mà không làm giảm hiệu suất hoặc chất lượng.
Nhẹ nhưng chắc chắn, nhựa là tuyệt vời cho đến khi bạn không còn cần nó nữa. Bởi vì nhựa có chứa các chất phụ gia khác nhau, như thuốc nhuộm, chất độn hoặc chất chống cháy, rất ít nhựa có thể được tái chế mà không làm giảm hiệu suất hoặc tính thẩm mỹ. Ngay cả loại nhựa có thể tái chế nhất, PET hoặc poly (ethylene terephthalate) chỉ được tái chế với tỷ lệ 20-30%, phần còn lại thường đi vào lò đốt rác hoặc bãi chôn lấp, nơi vật liệu giàu carbon phải mất hàng thế kỷ để phân hủy.
Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (DOE) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (Phòng thí nghiệm Berkeley) đã thiết kế một loại nhựa có thể tái chế, giống như một bộ đồ chơi Lego, có thể tháo rời thành các bộ phận cấu thành của nó ở cấp độ phân tử một hình dạng, kết cấu và màu sắc khác nhau nhiều lần mà không làm giảm hiệu suất hoặc chất lượng. Vật liệu mới, được gọi là poly (diketoenamine), hoặc PDK, đã được báo cáo trong tạp chí Nature Chemistry.
“Hầu hết các loại nhựa không bao giờ được sản xuất để tái chế”, Peter Christensen, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Nhà máy phân tử của Phòng thí nghiệm Berkeley cho biết. “Nhưng chúng tôi đã phát hiện ra một cách mới để lắp ráp nhựa có thể tái chế từ việc xem xét từ góc độ phân tử.”
Christensen là một phần của một nhóm đa ngành do Brett Helms, một nhà khoa học nhân viên tại xưởng đúc phân tử của Phòng thí nghiệm Berkeley. Các đồng tác giả khác là các nhà nghiên cứu đại học Angelique Scheuermann (lúc đó thuộc UC Berkeley) và Kathryn Loeffler (lúc đó thuộc Đại học Texas tại Austin), được tài trợ bởi chương trình Thực tập Khoa học Phòng thí nghiệm Khoa học (SULI) của DOE tại thời điểm nghiên cứu. Dự án tổng thể được tài trợ thông qua chương trình Nghiên cứu và Phát triển theo Hướng dẫn của Phòng thí nghiệm Berkeley.
Tất cả các loại nhựa, từ chai nước đến các bộ phận ô tô, được tạo thành từ các phân tử lớn gọi là polyme, bao gồm các đơn vị lặp lại của các hợp chất chứa carbon ngắn hơn gọi là monome.
Theo các nhà nghiên cứu, vấn đề với nhiều chất dẻo là các hóa chất được thêm vào để làm cho chúng trở nên hữu ích – chẳng hạn như chất độn tạo ra chất dẻo dẻo hoặc chất dẻo tạo ra chất dẻo dẻo – liên kết chặt chẽ với các monome và ở trong nhựa ngay cả sau khi nó được xử lý tại một nhà máy tái chế.
Trong quá trình chế biến tại các nhà máy như vậy, nhựa có thành phần hóa học khác nhau – nhựa cứng, nhựa co giãn, nhựa trong, nhựa màu kẹo được trộn với nhau và nghiền thành bit. Khi hỗn hợp nhựa được băm nhỏ đó được nấu chảy để tạo ra một vật liệu mới, thật khó để dự đoán tính chất nào mà nó sẽ được thừa hưởng từ nhựa ban đầu.
Sự kế thừa các đặc tính không xác định và do đó không thể đoán trước này đã ngăn nhựa trở thành thứ mà nhiều người coi là Chén Thánh tái chế: một vật liệu “tròn” mà các monome ban đầu có thể được phục hồi để tái sử dụng càng lâu càng tốt, hoặc “tái chế” để tạo ra một sản phẩm chất lượng cao hơn.
Vì vậy, khi một túi mua sắm có thể tái sử dụng được làm bằng nhựa tái chế bị hao mòn, nó không thể được tái chế hoặc thậm chí tái chế để tạo ra một sản phẩm mới. Và một khi chiếc túi đã hết tuổi thọ, nó sẽ bị đốt cháy để tạo ra nhiệt, điện hoặc nhiên liệu hoặc kết thúc ở bãi rác, Helms nói.
“Nhựa tròn và nhựa tái chế là những thách thức lớn”, ông nói. “Chúng ta đã thấy tác động của chất thải nhựa rò rỉ vào hệ sinh thái dưới nước của chúng ta và xu hướng này có thể sẽ trở nên trầm trọng hơn do số lượng nhựa ngày càng tăng được sản xuất và áp lực hạ nguồn trên cơ sở hạ tầng tái chế của thành phố.”
Tái chế nhựa một monome tại một thời điểm
Các nhà nghiên cứu muốn chuyển hướng nhựa từ các bãi chôn lấp và đại dương bằng cách khuyến khích thu hồi và tái sử dụng nhựa, điều này có thể xảy ra với các polyme hình thành từ PDK. “Với PDK, các liên kết bất biến của nhựa thông thường được thay thế bằng các liên kết thuận nghịch cho phép nhựa được tái chế hiệu quả hơn”, Helms nói.
Không giống như nhựa thông thường, các monome của nhựa PDK có thể được thu hồi và giải phóng khỏi mọi chất phụ gia hỗn hợp chỉ bằng cách nhúng vật liệu vào dung dịch có tính axit cao. Axit giúp phá vỡ các liên kết giữa các monome và tách chúng ra khỏi các chất phụ gia hóa học tạo cho nhựa vẻ ngoài và cảm giác của nó.
“Chúng tôi quan tâm đến hóa học chuyển hướng vòng đời nhựa từ tuyến tính sang vòng tròn,” Helms nói. “Chúng tôi thấy một cơ hội để tạo sự khác biệt cho nơi không có tùy chọn tái chế.” Điều đó bao gồm chất kết dính, vỏ điện thoại, dây đeo đồng hồ, giày, dây cáp máy tính và phích cứng được tạo ra bằng cách đúc vật liệu nhựa nóng.
Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên phát hiện ra tính chất tròn thú vị của nhựa dựa trên PDK khi Christensen đang áp dụng các loại axit khác nhau cho đồ thủy tinh dùng để tạo chất kết dính PDK và nhận thấy rằng thành phần của chất kết dính đã thay đổi. Tò mò về cách thức chất kết dính có thể đã được biến đổi, Christensen đã phân tích cấu trúc phân tử của mẫu bằng dụng cụ quang phổ NMR (cộng hưởng từ hạt nhân). “Thật ngạc nhiên, họ là những đơn phân ban đầu,” Helms nói.
Sau khi thử nghiệm các công thức khác nhau tại Xưởng đúc phân tử, họ đã chứng minh rằng axit không chỉ phân hủy polyme PDK thành các monome, mà quá trình này còn cho phép tách các monome khỏi các chất phụ gia kết dính.
Tiếp theo, họ đã chứng minh rằng các monome PDK thu hồi có thể được làm lại thành các polyme và các polyme tái chế đó có thể tạo thành các vật liệu nhựa mới mà không cần thừa hưởng màu sắc hoặc các tính năng khác của vật liệu ban đầu do đó, chiếc đồng hồ màu đen bị hỏng mà bạn ném vào thùng rác có thể tìm thấy mới cuộc sống như một bàn phím máy tính nếu nó được làm bằng nhựa PDK. Họ cũng có thể nâng cấp nhựa bằng cách thêm các tính năng bổ sung, chẳng hạn như tính linh hoạt.
Hướng tới một tương lai nhựa tròn
Các nhà nghiên cứu tin rằng nhựa tái chế mới của họ có thể là một sự thay thế tốt cho nhiều loại nhựa không thể tái chế được sử dụng ngày nay.
“Chúng tôi đang ở thời điểm quan trọng, nơi chúng tôi cần suy nghĩ về cơ sở hạ tầng cần thiết để hiện đại hóa các cơ sở tái chế để phân loại và xử lý chất thải trong tương lai,” Helms nói. “Nếu các cơ sở này được thiết kế để tái chế hoặc tái chế PDK và nhựa có liên quan, thì chúng tôi sẽ có thể chuyển hướng nhựa hiệu quả hơn từ các bãi chôn lấp và đại dương. nhựa tròn, “Helms nói.
Các nhà nghiên cứu kế hoạch phát triển nhựa PDK với nhiều đặc tính cơ và nhiệt cho các ứng dụng đa dạng như dệt, in 3D và bọt. Ngoài ra, họ đang tìm cách mở rộng các công thức bằng cách kết hợp các vật liệu dựa trên thực vật và các nguồn bền vững khác.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm quốc gia DOE / Lawrence Berkeley . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :