Пластмассы теперь повсюду в нашей жизни, обеспечивая недорогое удобство и другие преимущества в бесчисленных приложениях. Их можно придать форму практически любой задаче: от тонких пленок до мягких детских игрушек и прочных компонентов.
Они зарекомендовали себя в медицине и сыграли решающую роль в глобальных усилиях по замедлению распространения пандемии COVID-19 за последние 16 месяцев.
В наши дни пластик кажется незаменимым.
К сожалению, в долгосрочной перспективе они также почти неразрушимы.
Наша планета сейчас несет на себе более семи миллиардов тонн пластика, и каждый день производится все больше. Постоянно растущий поток отходов забивает наши свалки, загрязняет наши водные пути и создает неотложный кризис для нашей планеты.
Четыре ученых опубликовали призыв к действию в новом выпуске журнала Science, посвященном проблеме пластмасс.
В обширной вводной статье ученые, в том числе двое из Университета Делавэра, один из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии и другой из Университета Шеффилда в Соединенном Королевстве, призывают к фундаментальным изменениям в способах создания пластмасс. , произведено, использовалось и повторно использовалось.
Конечная цель: разработка, внедрение и обеспечение «кругового» жизненного цикла пластмасс, который ведет не к свалке, не к океану или обочине дороги, а к долгому сроку службы почти бесконечного использования и повторного использования ценных ресурсов и приложений, которые они представляют.
По словам соавторов ЛаШанда Т., для этого требуются новые подходы к химии, инженерии, производственным процессам, политике и глобальному сотрудничеству.J. Корли, директор Центра инноваций в области пластмасс (CPI) Университета Делавэра и главный исследователь Партнерства Национального научного фонда (NSF) в области международных исследований и образования в области биологических материалов и систем; Томас Х из UD.
Эппс III, содиректор CPI, ведущий исследователь исследовательской группы NSF Growing Convergence Research (GCR) в области управления жизненным циклом материалов и директор Центра гибридных, активных и отзывчивых материалов (CHARM) в Университете штата Вашингтон; Бретт А. Хелмс из Молекулярного литейного производства Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии; и Энтони Дж. Райан из Центра устойчивого будущего Грэнтэма при Университете Шеффилда в Соединенном Королевстве.
«Дилемма пластиковых отходов – это глобальная проблема, требующая безотлагательного вмешательства и согласованных усилий, которые объединяют партнеров в промышленном, академическом, финансовом и государственном секторах, подкрепленных значительными инвестициями в устойчивость», – пишут они.
Это сложная задача, которая включает в себя внимание к вторичной переработке, вторичной переработке (повторное использование материалов с добавленной стоимостью), разработке новых материалов и признанию потребностей малообеспеченных сообществ.
«Не существует универсального решения», – сказала Корли, заслуженный профессор материаловедения и инженерии Университета штата Вашингтон, которая в течение своей карьеры разрабатывала новые пластики с особыми свойствами. «То, как люди живут с отходами и как они перерабатываются, – все по-разному. Путешествие по Европе выявило резкий контраст в использовании одноразовых пластиков, таких как соломинки для питья и столовые приборы, по сравнению с U.S.
Через U.S., города и муниципалитеты в пределах одного штата могут действовать по-разному."
По словам Корли, для изготовления многих пластиков используются сложные рецептуры, которые часто включают несколько видов полимеров и других добавок. Каждый компонент может усложнить переработку или сделать ее невозможной, поэтому переработчики будут принимать одни виды пластика и отказываться от других.
Но как можно спроектировать пластмассы так, чтобы все их компоненты можно было разобрать для будущего использования в других продуктах??
Это вызов для CPI, которым руководит Корли. Основное внимание уделяется вторичной переработке пластмасс – поиску способов превратить пластиковые отходы в ценные материалы, такие как топливо и смазочные материалы. Исследователи используют катализ и ферменты для восстановления некоторых видов пластика, таких как полиэтилен высокой плотности (HDPE), полиэтилен низкой плотности (LDPE) и полистирол / пенополистирол, виды пластика, используемые в молочных кувшинах, бутылках для шампуня, пакетах для сэндвичей, кофе. чашки, пакеты для продуктов и упаковка для пищевых продуктов.
«Различные свойства материалов требуют использования различных полимеров, смесей и добавок, что способствует усложнению и иерархии отходов», – сказал Корли.
В научном документе рассматриваются эти и многие другие вопросы с безотлагательностью, отражающей реальные и нынешние опасности для планеты, задушенной выброшенными пластиковыми отходами, которые никуда не денутся в ближайшее время.
Некоторые из этих реальностей действительно мрачны. Возьмем, к примеру, пластиковую бутылку с водой, которая помогала утолить жажду после утренней пробежки пять лет назад.
Вероятно, он будет с нами где-то еще 395 лет. Медленное разрушение нам тоже не помогает. Ученые обнаружили, что крошечные микрочастицы изношенного пластика преобладают в воде, которую мы пьем, и в продуктах, которые мы едим.
Менее 10% пластиковых отходов перерабатывается вообще и менее 1% будет перерабатываться более одного раза.
Около 12% будет сожжено. Миллионы тонн выброшенного пластика превращаются в гигантские водовороты мусора в океане, а остальная часть скапливается на свалках, тонет в руслах рек или лежит на обочинах дорог по всему миру.
Но Хелмс, соавтор из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, был частью команды, которая создала пластик нового поколения под названием PDK (полидикетоенамин), который может быть восстановлен до его молекулярных частей и при необходимости собран заново.
«Мы находимся на критическом этапе, когда нам нужно подумать об инфраструктуре, необходимой для модернизации предприятий по переработке отходов для будущей сортировки и переработки отходов», – сказал Хелмс после того, как было объявлено о новом материале. «Если бы эти объекты были спроектированы для переработки или вторичной переработки PDK и связанных с ним пластмасс, тогда мы могли бы более эффективно удалять пластик со свалок и в океаны. Это захватывающее время, чтобы начать думать о том, как проектировать как материалы, так и предприятия по переработке, чтобы производить круглые пластмассы."
Строительные блоки пластмасс – мономеры – состоят из элементов, включая углерод, водород, кислород, азот, хлор и серу.
Эти мономеры связаны химическими связями в полимеры, которые можно использовать при формировании пластмасс, которым можно придать различные формы для самых разных целей.
По словам Райана из Sheffield, ценность всех этих ресурсов теряется в одноразовых приложениях. Он называет это «удобной истиной» – удобство и дешевая стоимость таких продуктов делают их привлекательными для потребителей, не осознавая при этом ценности и стоимости для планеты. Его особенно беспокоят маркетинговые стратегии, утверждающие, что определенные пластиковые изделия являются «зелеными» и биоразлагаемыми, чтобы привлечь потребителей с благими намерениями.
«Циничная« зеленая волна »- самая большая проблема для устойчивости пластмасс», – сказал он. "Так что мне очень хотелось поработать с ЛаШандой и Томасом над этим. Я знаю их с тех пор, как они были докторами наук.D. студенты."
Благодаря инновациям и сотрудничеству в качестве столпов новых центров, которые они совместно руководят – Korley’s U.S.
CPI, поддерживаемый Министерством энергетики, и CHARM и GCR компании Epps, поддерживаемые NSF, Корли и Эппс, выдающиеся профессора химической и биомолекулярной инженерии Аллана и Майра Фергюсон, находятся в авангарде усилий по продлению срока службы нефти и биотехнологий. пластмассы и / или поместить их по круговой траектории, которая продолжается от производства до первого использования и до восстановления до бесконечности.
Райан сказал, что считает «экономику замкнутого цикла» критически важной. Он видит ценность в переработке и вторичной переработке, а также в разработке новых материалов, но ни один из них не является «серебряной пулей»."Решение дилеммы пластмасс требует признания истинной ценности пластмасс.
«Одно из решений – это то, в чем Америка не очень хороша – правила, политика и налогообложение», – сказал он. "Нет простого ответа на проблему пластика. Безудержный рынок этого не обеспечит.
"На все эти вопросы, где наука, инженерия и общество пересекаются, всегда есть ответ: это сложно."
Более точная перспектива, по мнению Райана, состоит в том, чтобы рассматривать проблему пластика как связанную с проблемой изменения климата, не отвлекая ее.
«Изменение климата – неудобная правда и невидимая правда», – сказал он. "Вы не можете увидеть, что вызывает это, и вы не можете увидеть углекислый газ в атмосфере. Вы не связываете поездку в магазин с изменением климата.
"Вы действительно ассоциируете вещи с пластиковыми отходами – и это удобная правда. У нас нет проблем с превращением ископаемого топлива в пластмассу. Но теперь нам нужно позаботиться об этом драгоценном пластике. Не просто выбрасывай это.
Это слишком дешево. Из-за проблем с загрязнением мы должны назначить искусственно завышенную цену."
По словам Райана, данные анализа жизненного цикла являются ключом к принятию решений, основанных на фактах, а потребители и законодатели не могут сделать это самостоятельно. Им нужны профессионалы, чтобы разбить затраты и выгоды и объяснить варианты.
«Это намного сложнее, чем большинство людей готовы думать», – сказал он.
Призыв к действию исчерпывающий.
«Для достижения более устойчивого будущего жизненно важна интеграция не только технологических соображений, но и анализа справедливости, поведения потребителей, географического спроса, реформирования политики, оценки жизненного цикла, согласования инфраструктуры и партнерских отношений в цепочке поставок», – заявили авторы.
Корли сказала, что видит растущую страсть к этой сложной задаче.
«Эти инициативы вызывают энтузиазм среди наших студентов – старшеклассников, студентов и аспирантов, а также наших постдоков», – сказала она. "Люди стремятся сделать что-нибудь, чтобы мир стал лучше. И они могут поговорить со своей бабушкой, племянницей или племянником и объяснить, почему работа, которую они делают, имеет значение."