Fremtiden ser lys ud for uendeligt genanvendeligt plastik

Plast er en del af næsten alle produkter, vi bruger til daglig. Den gennemsnitlige person i USA genererer omkring 100 kg plastikaffald om året, hvoraf det meste går direkte til en losseplads. Et hold ledet af Corinne Scown, Brett Helms, Jay Keasling, og Kristin Persson ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) satte sig for at ændre det.

For mindre end to år siden, Helms annoncerede opfindelsen af ​​en ny plastik, der kunne tackle affaldskrisen direkte. Kaldet poly(diketoenamin), eller PDK, materialet har alle de bekvemme egenskaber som traditionel plast, samtidig med at det undgår de miljømæssige faldgruber, fordi i modsætning til traditionel plast, PDK'er kan genbruges i det uendelige uden tab i kvalitet.

Nu, holdet har udgivet en undersøgelse, der viser, hvad der kan opnås, hvis producenterne begyndte at bruge PDK'er i stor skala. Bundlinjen? PDK-baseret plast kan hurtigt blive kommercielt konkurrencedygtig med konventionel plast, og produkterne bliver billigere og mere bæredygtige som tiden går.

"Plast blev aldrig designet til at blive genbrugt. Behovet for at gøre det blev erkendt længe efter, " forklarede Nemi Vora, første forfatter på rapporten og en tidligere postdoc, der arbejdede sammen med seniorforfatter Corinne Scown. "Men at drive bæredygtighed er hjertet i dette projekt. PDK'er blev designet til at blive genbrugt fra starten, og siden begyndelsen, teamet har arbejdet på at forfine produktions- og genbrugsprocesserne for PDK, så materialet kunne være billigt og nemt nok til at blive implementeret i kommerciel skala i alt fra emballage til biler."

Undersøgelsen præsenterer en simulering for en 20, 000-meter-ton-per-år-anlæg, der udsætter nye PDK'er og tager brugt PDK-affald ind til genanvendelse. Forfatterne beregnede de kemiske input og den nødvendige teknologi, samt omkostninger og drivhusgasemissioner, sammenlignede derefter deres resultater med de tilsvarende tal for produktion af konventionel plast.

"Disse dage, der er et stort skub for at indføre cirkulær økonomi i branchen. Alle forsøger at genbruge, hvad de end bringer ud på markedet, " sagde Vora. "Vi begyndte at tale med industrien om at anvende 100 % uendeligt genanvendt plast og har fået stor interesse."

"Spørgsmålene er, hvor meget det vil koste, hvad indvirkningen på energiforbrug og emissioner vil være, og hvordan man kommer dertil, hvor vi er i dag, " tilføjede Helms, en stabsforsker ved Berkeley Labs Molecular Foundry. "Næste fase af vores samarbejde er at besvare disse spørgsmål."

Tjek boksene af billigt og nemt

Til dato, mere end 8,3 milliarder tons plastmateriale er blevet produceret, og langt størstedelen af ​​dette er endt på lossepladser eller affaldsforbrændingsanlæg. En lille del af plasten sendes til genanvendelse "mekanisk, betyder, at de smeltes ned og derefter omformes til nye produkter. denne teknik har begrænset fordel. Plastharpiks i sig selv er lavet af mange identiske molekyler (kaldet monomerer) bundet sammen til lange kæder (kaldet polymerer). Men for at give plastik dens mange teksturer, farver, og evner, tilsætningsstoffer som pigmenter, varmestabilisatorer, og flammehæmmere tilsættes harpiksen. Når mange plastik smeltes sammen, polymererne bliver blandet med en række potentielt uforenelige tilsætningsstoffer, resulterer i et nyt materiale med meget lavere kvalitet end nyproduceret jomfruharpiks fra råvarer. Som sådan, mindre end 10 % af plasten genanvendes mekanisk mere end én gang, og genbrugsplast indeholder normalt også jomfruharpiks for at kompensere for kvalitetsdykket.

PDK-plast omgår dette problem fuldstændigt - harpikspolymererne er konstrueret til let at nedbrydes til individuelle monomerer, når de blandes med en syre. Monomererne kan derefter adskilles fra eventuelle tilsætningsstoffer og samles til ny plast uden tab af kvalitet. Holdets tidligere forskning viser, at denne "kemiske genbrugsproces" er let på energi- og kuldioxidemissioner, og det kan gentages i det uendelige, skabe en fuldstændig cirkulær materialelivscyklus, hvor der i øjeblikket er en enkeltbillet at spilde.

Men på trods af disse utrolige egenskaber, for virkelig at slå plastik i deres eget spil, PDK'er skal også være praktiske. Genbrug af traditionel petroleumsbaseret plast kan være hårdt, men det er meget nemt at lave nyt plastik.

"Vi taler om materialer, der dybest set ikke genbruges, " sagde Scown. "Så, med hensyn til at appellere til producenter, PDK'er konkurrerer ikke med genbrugsplastik - de skal konkurrere med jomfruharpiks. Og vi var virkelig glade for at se, hvor billigt og hvor effektivt det vil være at genbruge materialet."

Skov, der er en stabsforsker i Berkeley Labs energiteknologier og biovidenskabsområder, har specialiseret sig i at modellere fremtidige miljømæssige og økonomiske påvirkninger af nye teknologier. Scown og hendes team har arbejdet på PDK-projektet siden starten, at hjælpe Helms' gruppe af kemikere og fabrikationsforskere med at vælge råmaterialerne, opløsningsmidler, udstyr, og teknikker, der vil føre til det mest overkommelige og miljøvenlige produkt.

"Vi tager teknologi på et tidligt stadium og designer, hvordan det vil se ud i kommerciel skala" ved hjælp af forskellige input og teknologi, hun sagde. Denne unikke, kollaborativ modelleringsproces gør det muligt for Berkeley Lab-forskere at identificere potentielle opskaleringsudfordringer og foretage procesforbedringer uden dyre cyklusser af forsøg og fejl.

Holdets rapport, udgivet i Videnskabens fremskridt , modellerer en PDK-produktions- og genbrugspipeline i kommerciel skala baseret på plastens nuværende udviklingstilstand. "Og de vigtigste ting var, at når du først har produceret PDK'en, og du har fået den i systemet, omkostningerne og drivhusgasemissionerne forbundet med at fortsætte med at genbruge det tilbage til monomerer og fremstille nye produkter kan være lavere end eller i det mindste på niveau med, mange konventionelle polymerer, " sagde Scown.

Planlægger at lancere

Takket være optimering fra procesmodellering, genanvendte PDK'er tiltrækker allerede interesse fra virksomheder, der har brug for at købe plastik. Altid at se på fremtiden, Helms og hans kolleger har gennemført markedsundersøgelser og mødtes med folk fra industrien siden projektets tidlige dage. Deres benarbejde viser, at den bedste indledende anvendelse for PDK'er er markeder, hvor producenten vil modtage deres produkt tilbage ved slutningen af ​​dets levetid, såsom bilindustrien (gennem bytte og tilbagekøb) og forbrugerelektronik (gennem e-affaldsprogrammer). Disse virksomheder vil så være i stand til at høste fordelene af 100 % genanvendelige PDK'er i deres produkt:bæredygtig branding og langsigtede besparelser.

"Med PDK'er, nu har folk i industrien et valg, " sagde Helms. "Vi bringer partnere ind, som bygger cirkulæritet ind i deres produktlinjer og produktionskapaciteter, og give dem en mulighed, der er i overensstemmelse med fremtidig bedste praksis."

Tilføjede Scown:"Vi ved, at der er interesse på det niveau. Nogle lande har planer om at opkræve store gebyrer på plastprodukter, der er afhængige af ikke-genanvendt materiale. Det skift vil give et stærkt økonomisk incitament til at gå væk fra at bruge jomfruelige harpikser og bør drive en stor efterspørgsel efter genbrugsplast."

Efter at have infiltreret markedet for holdbare produkter som biler og elektronik, teamet håber at udvide PDK'er til kortere, engangsvarer såsom emballage.

En fuld cirkel fremtid

Mens de laver planer om en kommerciel lancering, forskerne fortsætter også deres tekno-økonomiske samarbejde om PDK-produktionsprocessen. Selvom omkostningerne ved genanvendt PDK allerede forventes at være konkurrencemæssigt lave, forskerne arbejder på yderligere forbedringer for at sænke omkostningerne ved virgin PDK, så virksomhederne ikke bliver afskrækket af den oprindelige investeringspris.

Og tro mod form, forskerne arbejder to skridt foran på samme tid. Skov, som også er vicepræsident for Life-cycle, Økonomi &Agronomi ved Joint BioEnergy Institute (JBEI), og Helms samarbejder med Jay Keasling, en førende syntetisk biolog ved Berkeley Lab og UC Berkeley og administrerende direktør for JBEI, at designe en proces til fremstilling af PDK-polymerer ved hjælp af mikrobefremstillede precursor-ingredienser. Processen bruger i øjeblikket industrielle kemikalier, men blev oprindeligt designet med Keaslings mikrober i tankerne, takket være et serendipitalt tværfagligt seminar.

"Kort før vi startede PDK-projektet, Jeg var til et seminar, hvor Jay beskrev alle de molekyler, de kunne lave på JBEI med deres konstruerede mikrober, " sagde Helms. "Og jeg blev meget ophidset, fordi jeg så, at nogle af de molekyler var ting, som vi lagde i PDK'er. Jay og jeg havde et par chats og, we realized that nearly the entire polymer could be made using plant material fermented by engineered microbes."

"I fremtiden, we're going to bring in that biological component, meaning that we can begin to understand the impacts of transitioning from conventional feedstocks to unique and possibly advantaged bio-based feedstocks that might be more sustainable long term on the basis of energy, kulstof, or water intensity of production and recycling, " Helms continued. "So, where we are now, this is the first step of many, and I think we have a really long runway in front of us, hvilket er spændende."