Chimiștii reimaginează reciclarea pentru a ține plasticul departe de gropile de gunoi

Se simte bine să reciclezi. Există un anumit sentiment de împlinire care vine de la sortarea conștiincioasă a sticlelor de suc, a pungilor de plastic și a paharelor de iaurt de restul gunoiului. Cu cât pui mai mult plastic în coșul de gunoi albastru, cu atât mai mult nu ajunge la gropile de gunoi și în oceane, nu-i așa?

Greșit. Indiferent cât de meticulos sunteți în curățarea și separarea materialelor plastice, cele mai multe ajung oricum în grămada de gunoi.

Luați ambalajele flexibile pentru alimente. Aceste filme conțin mai multe straturi de diferite materiale plastice. Deoarece fiecare plastic trebuie să fie reciclat separat, aceste filme nu sunt reciclabile. Pungile de cumpărături și ambalajele retractabile sunt prea fragile, predispuse să se încurce cu alte materiale pe o bandă transportoare. Nici polipropilena din paharele de iaurt și din alte articole nu este reciclată de obicei; reciclarea unui amalgam de polipropilenă produce un plastic întunecat și urât mirositor pe care puțini producători îl vor folosi.

Doar două tipuri de plastic sunt reciclate în mod obișnuit în Statele Unite: tipul din sticlele de suc din plastic, polietilen tereftalat, sau PET; și plasticul găsit în ulcioarele de lapte și recipientele de detergent – polietilenă de înaltă densitate, sau HDPE. Împreună, aceste materiale plastice reprezintă doar aproximativ un sfert din gunoiul de plastic din lume, au raportat cercetătorii în 2017 în Science Advances. Iar atunci când aceste materiale plastice sunt reciclate, ele nu sunt bune pentru prea multe. Topirea plasticului în vederea reciclării îi schimbă consistența, astfel încât PET-ul din sticle trebuie amestecat cu plastic nou-nouț pentru a obține un produs final rezistent. Reciclarea unui amestec de bucăți de HDPE multicolore creează un plastic întunecat bun doar pentru fabricarea unor produse precum băncile din parcuri și coșurile de gunoi, în care proprietăți precum culoarea nu contează prea mult.

Dificultățile de reciclare a plasticului în orice lucru pe care producătorii doresc să îl folosească este un motiv important pentru care lumea este plină de atât de multe deșeuri de plastic, spune Eric Beckman, inginer chimist la Universitatea din Pittsburgh. Numai în 2018, Statele Unite au aruncat la groapa de gunoi 27 milioane de tone de plastic și au reciclat doar 3 milioane, potrivit Agenției pentru Protecția Mediului din SUA. Ratele scăzute de reciclare nu sunt o problemă doar în Statele Unite. Din cele 6,3 miliarde de tone de plastic care au fost aruncate în întreaga lume, doar aproximativ 9 % au ajuns să fie reciclate. Alte 12 procente au fost arse, iar aproape 80 procente s-au acumulat pe uscat sau în cursurile de apă.

În condițiile în care plasticul se colectează peste tot, de la vârful Muntelui Everest până la fundul Gropii Marianelor, există o nevoie urgentă de a reduce cantitatea de plastic care este aruncată la gunoi (SN: 1/16/21, p. 5). Unele persoane propun înlocuirea materialelor plastice cu materiale biodegradabile, dar aceste înlocuitoare nu sunt, în general, la fel de rezistente sau ieftine de fabricat ca și materialele plastice (SN: 6/22/19, p. 18). Deoarece, în mod realist, plasticul nu va dispărea prea curând, chimiștii care înțeleg toate detaliile acestui plastic enervant lucrează pentru a-l face mai ușor de reciclat și de transformat într-un material de calitate superioară, care să fie util pentru mai multe lucruri.

„Nu va exista o singură tehnologie care va fi răspunsul”, spune Ed Daniels, manager senior de proiect la Institutul REMADE din West Henrietta, N.Y., care finanțează cercetarea în domeniul noilor tehnici de reciclare. Unele proiecte sunt pe punctul de a pătrunde în industrie, altele sunt încă doar experimente de laborator promițătoare. Dar toate se concentrează pe proiectarea unui viitor în care orice plastic care ajunge la coșul de reciclare poate avea o a doua și a treia viață într-un nou produs.

Separarea materialelor plastice

Unul dintre cele mai mari blocaje în reciclarea plasticului este faptul că fiecare material trebuie să fie procesat separat. „Majoritatea materialelor plastice sunt ca uleiul și apa”, spune chimistul Geoffrey Coates de la Universitatea Cornell. Pur și simplu nu se amestecă. Să luăm, de exemplu, un ulcior de detergent din polietilenă și capacul său din polipropilenă. „Dacă le topești și fac o sticlă din asta și o storc, practic s-ar crăpa pe o parte”, spune Coates. „Este nebunește de fragilă. Total lipsit de valoare”.

Acesta este motivul pentru care prima destinație pentru materialele reciclabile din plastic este o instalație de recuperare a materialelor, unde oamenii și mașinile fac sortarea. Materialele plastice separate pot fi apoi spălate, mărunțite, topite și refolosite. Sistemul funcționează bine pentru articole simple, cum ar fi sticlele de suc și ulcioarele de lapte. Dar nu și pentru articole precum recipientele pentru deodorante – unde sticla, manivela și capacul ar putea fi toate fabricate din diferite tipuri de plastic. Peliculele de ambalaj alimentar care conțin mai multe straturi de plastic diferit sunt deosebit de dificil de demontat. În fiecare an, în întreaga lume se produc 100 de milioane de tone din aceste folii multistrat. Atunci când sunt aruncate, aceste materiale plastice ajung la gropile de gunoi, spune inginerul chimist George Huber de la Universitatea Wisconsin-Madison.

muncitori care sortează la o instalație de gestionare a deșeurilor
La instalația de recuperare a materialelor de la Waste Management Material Recovery Facility din Elkridge, Maryland, muncitorii sortează gunoiul care trece pe lângă ei pe benzi transportoare.Saul Loeb/AFP via Getty Images

Pentru a aborda această problemă, Huber și colegii săi au conceput o strategie pentru a trata amestecuri complexe de materiale plastice. Procesul folosește o serie de solvenți lichizi pentru a dizolva componentele individuale de plastic de pe un produs. Șmecheria constă în alegerea solvenților potriviți pentru a dizolva doar un singur tip de plastic la un moment dat, spune Huber.

Echipa a testat tehnica pe o peliculă de ambalaj care conținea polietilenă și PET, precum și o barieră de oxigen din plastic realizată din etilenă alcool vinilic, sau EVOH, care păstrează alimentele proaspete.

Agitarea filmului într-un solvent de toluen a dizolvat mai întâi stratul de polietilenă. Scufundarea filmului EVOH-PET rămas într-un solvent numit DMSO a îndepărtat EVOH. Cercetătorii au smuls apoi pelicula PET rămasă și au recuperat celelalte două materiale plastice din solvenții lor separați prin amestecarea în substanțe chimice „antisolvent”. Aceste substanțe chimice au făcut ca moleculele de plastic care erau dispersate în lichide să se adune în aglomerări solide care au putut fi scoase.

Acest proces a recuperat practic tot plasticul din filmul original, au raportat cercetătorii în noiembrie anul trecut în Science Advances. Atunci când au fost testate pe un amestec de polietilenă, PET și perle de EVOH, solvenții au recuperat mai mult de 95% din fiecare material – ceea ce sugerează că acești solvenți ar putea fi utilizați pentru a îndepărta componentele din plastic de pe articole mai voluminoase decât foliile de ambalaj. Astfel, în teorie, instalațiile de recuperare ar putea folosi această tehnică pentru a dezasambla recipientele multiplastice pentru deodorante și alte produse de diferite forme și dimensiuni.

Huber și colegii săi intenționează să caute solvenți pentru a dizolva mai multe tipuri de plastic, cum ar fi polistirenul din polistirenul din polistiren. Dar va fi nevoie de mult mai multă muncă pentru ca această strategie să fie eficientă în sortarea tuturor combinațiilor complexe de plastic din materialele reciclabile din lumea reală.

Realizarea amestecului de materiale plastice

Pot exista, de asemenea, scurtături chimice care să permită ca filmele multistrat și alte amestecuri de materiale plastice să fie reciclate ca atare. Aditivii numiți compatibilizatori ajută diferite materiale plastice topite să se amestece, astfel încât materialele nesortate pot fi tratate ca unul singur. Dar nu există un compatibilizator universal care să permită amestecarea tuturor tipurilor de plastic. Iar compatibilizatorii existenți nu sunt folosiți pe scară largă deoarece nu sunt foarte puternici – iar adăugarea unei cantități mari de compatibilizator la un amestec de plastic devine costisitoare.

Pentru a spori viabilitatea, Coates și colegii săi au creat un compatibilizator foarte puternic pentru polietilenă și polipropilenă. Împreună, aceste două materiale plastice reprezintă mai mult de jumătate din plasticul din lume. Noua moleculă de compatibilizator conține două segmente de polietilenă, intercalate cu două segmente de polipropilenă. Aceste segmente alternante se fixează pe moleculele de plastic de același tip dintr-un amestec, aducând împreună polietilena și polipropilena. Este ca și cum polietilena ar fi fost făcută din Legos, iar polipropilena din Duplos, iar cercetătorii ar fi realizat un bloc de construcție special cu conectori care se potrivesc ambelor tipuri de blocuri.

Având doi conectori de polietilenă și doi conectori de polipropilenă pentru fiecare moleculă de compatibilizator, în loc de unul, a făcut ca acest compatibilizator să fie mai puternic decât versiunile anterioare, au raportat Coates și colegii în 2017 în Science. Primul test al noului compatibilizator a constat în sudarea unor benzi de polietilenă și polipropilenă. În mod normal, cele două materiale se desprind cu ușurință. Dar, cu un strat de compatibilizator între ele, benzile de plastic s-au rupt, și nu sigiliul compatibilizatorului, atunci când au fost trase în afară.

Într-un al doilea test, cercetătorii au amestecat compatibilizatorul într-un amestec topit de polietilenă și polipropilenă. A fost nevoie de doar 1 la sută compatibilizator pentru a crea un nou plastic rezistent.

„Aceștia sunt aditivi nebunește de puternici”, spune Coates. Alți compatibilizatori au trebuit să fie adăugați în concentrații de până la 10 la sută pentru a menține aceste două materiale plastice împreună. Noul compatibilizator este acum baza pentru start-up-ul lui Coates, Intermix Performance Materials, cu sediul în Ithaca, N.Y.

Ca nou

Chiar dacă fiecare deșeu din plastic ar putea fi ușor de reciclat, acest lucru nu ar rezolva problema plasticului din lume. Există câteva probleme majore în ceea ce privește modul în care funcționează în prezent reciclarea, care limitează grav capacitatea de utilizare a materialelor reciclate.

În primul rând, materialele plastice reciclate moștenesc toți coloranții, substanțele ignifuge și alți aditivi care au conferit fiecărei piese de plastic originale aspectul și senzația sa distinctivă. „Plasticul pe care îl recuperezi de fapt la finalul tuturor acestor lucruri este într-adevăr un amestec foarte complex”, spune chimistul Susannah Scott de la Universitatea California, Santa Barbara. Puțini producători pot folosi plasticul cu un amestec aleatoriu de proprietăți pentru a face ceva nou.

În plus, reciclarea rupe unele dintre legăturile chimice din moleculele de plastic, afectând rezistența și consistența materialului. Topirea și remodelarea plasticului este ca și cum ai reîncălzi pizza în cuptorul cu microunde – obții practic ceea ce ai pus înăuntru, doar că nu la fel de bine. Acest lucru limitează numărul de ori în care plasticul poate fi reciclat înainte de a trebui să fie aruncat la groapa de gunoi.

Soluția la ambele probleme ar putea sta într-un nou tip de proces de reciclare, numit reciclare chimică, care promite să producă plastic nou și pur de un număr infinit de ori. Reciclarea chimică implică dezmembrarea materialelor plastice la nivel molecular.

Moleculele care alcătuiesc materialele plastice se numesc polimeri, care sunt alcătuite din monomeri mai mici. Cu ajutorul căldurii și al substanțelor chimice, este posibil să se dezasambleze polimerii în monomeri, să se separe aceste elemente de bază de coloranți și alți contaminanți și să se recompună monomerii pentru a obține un plastic la fel de bun ca și cel nou.

„Reciclarea chimică a început cu adevărat să apară ca o forță, aș spune, în ultimii trei sau patru ani”, spune Beckman de la Universitatea din Pittsburgh. Dar majoritatea tehnicilor de reciclare chimică sunt prea scumpe sau necesită un consum mare de energie pentru a fi utilizate în scopuri comerciale. „Nu este pregătită pentru momentul de vârf”, spune el.

Diferitele materiale plastice necesită procese diferite de reciclare chimică, iar unele se descompun mai ușor decât altele. „Cel care se află cel mai departe este PET-ul”, spune Beckman. „Se întâmplă ca acest polimer să fie ușor de dezmembrat”. Mai multe companii dezvoltă metode de reciclare chimică a PET-ului, inclusiv compania franceză Carbios.

Carbios testează enzimele produse de microorganisme pentru a descompune PET-ul. Cercetătorii de la această companie și-au descris activitatea asupra unei astfel de enzime în aprilie anul trecut în Nature. Microbii folosesc în mod normal enzima, numită cutinaza compostului de frunze, pentru a descompune stratul de ceară de pe frunzele plantelor. Dar cutinaza este bună și la descompunerea PET-ului în monomerii săi: etilenglicol și acid tereftalic.

„Enzima este ca o foarfecă moleculară”, spune Alain Marty, director științific la Carbios. Dar pentru că a evoluat pentru a descompune materia vegetală, nu plasticul, nu este perfectă. Pentru ca enzima să fie mai bună la despicarea PET-ului, „am reproiectat ceea ce numim situsul activ al enzimei”, spune Marty. Acest lucru a presupus înlocuirea unora dintre aminoacizii de la locul de andocare a PET-ului cu alții.

Atunci când cercetătorii au testat enzima mutantă pe fulgi de plastic colorat din sticle PET, aplicând 3 miligrame de enzimă pe gram de PET, aproximativ 90% din plastic s-a descompus în aproximativ 10 ore. Enzima originală ajunsese la un maxim de aproximativ 50 la sută. Utilizând monomerii de acid tereftalic produși în acest proces, cercetătorii au realizat noi sticle de plastic la fel de rezistente ca și cele originale.

Carbios construiește acum o fabrică lângă Lyon, Franța, pentru a începe reciclarea chimică a PET-ului în cursul acestui an.

Condiții mai blânde

Dar alte materiale plastice, cum ar fi polietilena și polipropilena, sunt mult mai greu de descompus prin reciclare chimică. Descompunerea moleculelor de polietilenă, de exemplu, necesită temperaturi de peste 400° Celsius. La o astfel de căldură ridicată, chimia este haotică. Moleculele de plastic se descompun la întâmplare, generând un amestec complex de compuși care pot fi arși ca și combustibil, dar nu pot fi folosiți pentru a produce noi materiale.

Scott, chimistul de la UC Santa Barbara, propune descompunerea parțială a acestor materiale plastice rezistente într-un mod mai controlat, în condiții mai blânde, pentru a obține alte tipuri de molecule utile. Ea și colegii ei au găsit recent o modalitate de a transforma polietilena în compuși alchilaromatici, care pot fi folosiți ca ingrediente biodegradabile în șampoane, detergenți și alte produse. Procesul presupune plasarea polietilenei în interiorul unei camere de reacție setată la 280° C, cu o pulbere de catalizator care conține nanoparticule de platină.

Polietilena este o moleculă lungă, în care atomii de hidrogen sunt conectați la o coloană vertebrală de carbon care poate avea mii de atomi de carbon. Platina este bună la ruperea legăturilor carbon-hidrogen, spune Scott. „Când faci asta, generezi hidrogen în reactor, iar catalizatorul de platină poate folosi hidrogenul pentru a rupe legăturile carbon-carbon [in the molecule backbone]. Deci, de fapt, taie lanțul în bucăți mai mici”.

Deoarece această reacție are loc la o temperatură relativ blândă de 280° C, ea are loc într-un mod ordonat, rupând moleculele lungi de polietilenă în lanțuri mai scurte care au fiecare aproximativ 30 de atomi de carbon. Aceste fragmente se aranjează apoi în structurile inelare cu șase laturi caracteristice compușilor alchilaromatici.

După 24 de ore în camera de reacție, „majoritatea produselor sunt lichide, iar majoritatea lichidelor sunt alchilaromatice”, spune Scott. În cadrul experimentelor, aproximativ 69% din plasticul dintr-o pungă de polietilenă de joasă densitate a fost transformat în lichid. Aproximativ 55 la sută din capacul unei sticle de polietilenă de înaltă densitate a fost transformat. Procesul produce și gaze de hidrocarburi, care ar putea fi folosite pentru a genera căldură pentru a rula reacția la o instalație de reciclare, spune Scott.

Deocamdată, aceasta este doar o demonstrație de laborator și, la fel ca multe strategii noi de reciclare, este încă departe de comercializare. Și nici o singură îmbunătățire a conductei de reciclare nu va scăpa lumea de munții tot mai mari de deșeuri de plastic. „Vom avea nevoie de o suită de tehnologii pentru a face față acestei provocări”, spune Daniels, de la REMADE Institute. Dar fiecare nouă tehnologie – fie că se concentrează pe facilitarea reciclării materialelor plastice, fie pe transformarea lor în materiale mai utile – ar putea fi de ajutor.