Менее двух лет назад Хелмс объявил об изобретении нового пластика, который может незамедлительно бороться с кризисом отходов. Этот материал, получивший название поли (дикетоенамин) или PDK, обладает всеми удобными свойствами традиционных пластмасс, избегая при этом экологических ловушек, потому что в отличие от традиционных пластмасс, PDK можно перерабатывать на неопределенный срок без потери качества.
Теперь команда выпустила исследование, которое показывает, чего можно достичь, если производители начнут использовать PDK в больших масштабах.
Суть? Пластик на основе PDK может быстро стать коммерчески конкурентоспособным по сравнению с обычными пластиками, а продукты со временем станут менее дорогими и более экологичными.
"Пластмассы никогда не предназначались для вторичной переработки. Необходимость в этом была признана намного позже ", – пояснил Неми Вора, первый автор отчета и бывший научный сотрудник, работавший со старшим автором Коринн Скоун. "Но в основе этого проекта лежит обеспечение устойчивого развития.
PDK были разработаны для вторичной переработки с самого начала, и с самого начала команда работала над совершенствованием процессов производства и переработки PDK, чтобы этот материал мог быть недорогим и достаточно простым для использования в коммерческих масштабах в любых условиях: упаковка в авто."
В исследовании представлено моделирование предприятия производительностью 20 000 метрических тонн в год, которое выпускает новые PDK и принимает использованные отходы PDK для вторичной переработки. Авторы рассчитали необходимые химические ресурсы и технологии, а также затраты и выбросы парниковых газов, а затем сравнили свои выводы с эквивалентными цифрами для производства обычных пластиков.
"В наши дни наблюдается огромный толчок к внедрению в отрасли практики замкнутой экономики.
Все пытаются утилизировать то, что они выпускают на рынок », – сказал Вора. «Мы начали говорить с представителями отрасли о внедрении 100% -го бесконечно переработанного пластика и получили большой интерес."
«Вопрос в том, сколько это будет стоить, каково будет влияние на потребление энергии и выбросы, и как добраться туда, где мы находимся сегодня», – добавил Хелмс, штатный научный сотрудник Molecular Foundry лаборатории Беркли. «Следующий этап нашего сотрудничества – ответить на эти вопросы."
Проверка коробок с дешевым и легким
На сегодняшний день более 8.Было произведено 3 миллиарда метрических тонн пластика, большая часть которого оказалась на свалках или на заводах по сжиганию мусора.
Небольшая часть пластмасс отправляется на переработку «механически», то есть они расплавляются, а затем переделываются в новые продукты. Однако этот метод имеет ограниченные преимущества. Сама пластиковая смола состоит из множества идентичных молекул (называемых мономерами), связанных вместе в длинные цепи (называемые полимерами).
Тем не менее, чтобы придать пластику множество текстур, цветов и свойств, в смолу добавляют такие добавки, как пигменты, термостабилизаторы и антипирены. Когда многие пластмассы плавятся вместе, полимеры смешиваются с множеством потенциально несовместимых добавок, в результате получается новый материал с гораздо более низким качеством, чем недавно произведенная первичная смола из сырья. Таким образом, менее 10% пластика подвергается механической переработке более одного раза, а переработанный пластик обычно также содержит чистую смолу, чтобы компенсировать падение качества.
Пластмассы PDK полностью обходят эту проблему – полимеры на основе смол легко распадаются на отдельные мономеры при смешивании с кислотой. Затем мономеры могут быть отделены от любых добавок и собраны для изготовления новых пластиков без потери качества.
Предыдущее исследование команды показывает, что этот процесс «химической переработки» не требует выбросов энергии и углекислого газа, и его можно повторять бесконечно, создавая полностью замкнутый жизненный цикл материала, где в настоящее время существует билет в один конец, чтобы выбрасывать отходы.
Тем не менее, несмотря на эти невероятные свойства, чтобы по-настоящему победить пластик в их собственной игре, PDK также должны быть удобными. Переработка традиционного пластика на нефтяной основе может быть сложной задачей, но сделать новый пластик очень легко.
«Мы говорим о материалах, которые в основном не перерабатываются», – сказал Скоун. «Таким образом, с точки зрения привлекательности для производителей, PDK не конкурируют с переработанным пластиком – они должны конкурировать с первичной смолой. И нам было очень приятно увидеть, насколько дешево и эффективно будет переработка материала."
Скоун, штатный научный сотрудник отдела энергетических технологий и биологических наук Berkeley Lab, специализируется на моделировании будущих экологических и финансовых последствий новых технологий.
Скоун и ее команда работали над проектом PDK с самого начала, помогая группе химиков и ученых-изготовителей Хелмса выбрать сырье, растворители, оборудование и методы, которые позволят создать наиболее доступный и экологически чистый продукт.
«Мы берем технологию ранней стадии и проектируем, как она будет выглядеть в коммерческом масштабе», используя различные ресурсы и технологии, – сказала она.
Этот уникальный процесс совместного моделирования позволяет ученым из лаборатории Беркли выявлять потенциальные проблемы масштабирования и вносить улучшения в процесс без дорогостоящих циклов проб и ошибок.
В отчете команды, опубликованном в Science Advances, моделируется конвейер по производству и переработке PDK в промышленных масштабах на основе текущего состояния разработки пластика. «И основные выводы заключались в том, что после того, как вы изначально произвели PDK и включили его в систему, стоимость и выбросы парниковых газов, связанные с продолжением его переработки обратно в мономеры и производства новых продуктов, могут быть ниже, чем или, по крайней мере, наравне со многими обычными полимерами », – сказал Скоун.
Планируется запустить
Благодаря оптимизации на основе моделирования процесса переработанные PDK уже вызывают интерес у компаний, которым необходимо использовать пластик.
Всегда смотрящий в будущее, Хелмс и его коллеги проводят исследования рынка и встречаются с представителями промышленности с самого начала проекта. Их работа показывает, что лучшее начальное применение PDK – это рынки, на которых производитель будет получать свой продукт обратно в конце срока его службы, например, автомобильная промышленность (через обмен и возврат) и бытовая электроника (через электронные отходы). программ). После этого эти компании смогут воспользоваться преимуществами 100% перерабатываемых PDK в своей продукции: устойчивый брендинг и долгосрочную экономию.
«С PDK теперь у людей в промышленности есть выбор», – сказал Хелмс. "Мы привлекаем партнеров, которые создают цикличность в своих производственных линиях и производственных мощностях, и даем им возможность выбора, которая соответствует передовой практике будущего."
Добавлен Scown: "Мы знаем, что на этом уровне есть интерес. Некоторые страны планируют взимать высокие сборы за пластиковые изделия, изготовленные из неперерабатываемых материалов. Этот сдвиг станет сильным финансовым стимулом для отказа от использования первичных смол и должен стимулировать большой спрос на переработанный пластик."
Проникнув на рынок товаров длительного пользования, таких как автомобили и электроника, команда надеется расширить PDK до недолговечных одноразовых товаров, таких как упаковка.
Полный круг будущего
По мере того как они разрабатывают планы коммерческого запуска, ученые также продолжают свое технико-экономическое сотрудничество в процессе производства PDK. Хотя стоимость переработанного PDK уже прогнозируется на низком уровне, ученые работают над дополнительными усовершенствованиями, чтобы снизить стоимость первичного PDK, чтобы компании не сдерживались первоначальной инвестиционной ценой.
И правда, ученые одновременно работают на два шага вперед.
Скоун, который также является вице-президентом по жизненному циклу, экономике и агрономии в Объединенном институте биоэнергетики (JBEI), и Хелмс сотрудничают с Джеем Кизлингом, ведущим синтетическим биологом из лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли и генеральным директором JBEI, для разработки процесс производства полимеров PDK с использованием микробных ингредиентов-предшественников. В настоящее время в процессе используются промышленные химические вещества, но изначально он был разработан с учетом микробов Кизлинга благодаря удачному междисциплинарному семинару.
«Незадолго до того, как мы начали проект PDK, я был на семинаре, где Джей описывал все молекулы, которые они могли создать в JBEI с помощью созданных ими микробов», – сказал Хелмс. "И я был очень взволнован, потому что увидел, что некоторые из этих молекул были вещами, которые мы помещали в PDK. Мы с Джеем поговорили и поняли, что почти весь полимер можно сделать из растительного материала, ферментированного искусственными микробами."
«В будущем мы собираемся ввести этот биологический компонент, что означает, что мы сможем начать понимать последствия перехода от традиционного сырья к уникальному и, возможно, улучшенному сырью на основе биологических источников, который может быть более устойчивым в долгосрочной перспективе на основе энергоемкость производства и переработки энергии, углерода или воды ", – продолжил Хелмс. "Итак, то, где мы сейчас находимся, это первый шаг из многих, и я думаю, что перед нами действительно длинная взлетно-посадочная полоса, что очень интересно."
The Molecular Foundry – это пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики (DOE), специализирующийся на наноразмерных науках. JBEI – это исследовательский центр в области биоэнергетики, финансируемый Управлением науки Министерства энергетики США.
Эта работа была поддержана Управлением биоэнергетических технологий Министерства энергетики США и программой лабораторных исследований и разработок (LDRD) лаборатории Беркли.
Технология PDK доступна для лицензирования и совместной работы.