Historien bag uendeligt genanvendeligt plastik

Et tværfagligt Berkeley Lab-team har i flere år arbejdet på at udvikle et spilskiftende plastik, der i modsætning til traditionel plast, kan genbruges på ubestemt tid og er ikke lavet af petroleum. Deres seneste milepæl var udgivelsen af ​​en analyse, der viser gennemførligheden og potentielle resultater af lanceringen af ​​det unikke materiale, kaldet poly(diketoenamin) eller PDK, ind på markedet i industriel skala.

Holdet fandt ud af, at det hurtigt kunne blive lige så billigt at lave produkter af genbrugs-PDK som at lave den samme genstand med nye plastikpolymerer (en meget lille del af vores nuværende plastik genbruges, så de fleste produkter er lavet af "jomfruelig" plastikharpiks), samtidig med at CO2 reduceres ₂ emissioner og energibehov i fremstillingen. Desuden, forskerne planlægger at udvikle en proces til at skabe den indledende PDK-harpiks ved hjælp af mikrobe-fermenteret plantemateriale, hvilket betyder, at hele livscyklussen for et PDK-plastprodukt kan være kulstoffattigt eller endda kulstofneutralt.

Når infrastrukturen for storstilet PDK-produktion og genanvendelse er udviklet, forskerne forestiller sig, at PDK kunne erstatte traditionel plast i en række forbrugerprodukter, fra bildele til vandflasker.

Vi talte med to projektledere, Brett Helms og Corinne Scown, om inspirationen til PDK, mangler i vores nuværende genbrugssystemer, og hvordan dette ambitiøse projekt er muliggjort af en mangfoldig kombination af videnskabelig ekspertise.

Brett Helms er kemiker og fabrikationsforsker, der arbejder på Berkeley Labs Molecular Foundry, en brugerfacilitet hos US Department of Energy (DOE). Helms ledede gruppen, der opfandt PDK for mere end tre år siden, som en del af et Laboratory Directed Research and Development (LDRD) Program-projekt fokuseret på at skabe et yderst funktionelt plastalternativ.

Corinne Scown er videnskabsmand i Berkeley Labs Energy Technologies Area, og næstformand for livscyklussen, Økonomi, og Agronomy Division ved Joint BioEnergy Institute (JBEI) - et DOE Bioenergy Research Center. Skov, en ekspert inden for teknoøkonomisk analyse, leder design og udvikling af processer til PDK-produktion og genanvendelse i industriel skala. Ved at modellere, hvordan disse systemer ville fungere i stor skala, hendes arbejde identificerer potentielle flaskehalse og forudsiger både omkostninger og miljøpåvirkning, derved hjælper materialeforskere med at vælge de mest effektive og bæredygtige teknologier fra et tidligt stadium.

Projektets øvrige ledere er Jay Keasling, administrerende direktør for JBEI; og Kristin Persson, Direktør for Molekylærstøberiet.

Q. Brett, hvor kom ideen eller inspirationen til PDK fra?

Brett:Den måde, industrien praktiserer polymergenanvendelse på, ændrer sig. I øjeblikket, tilgangen er afhængig af mekanisk genbrug, hvor efter sortering og formaling, polymeraffald smeltes til et homogeniseret materiale, hvis egenskaber er blevet forringet undervejs. I fremtiden, kemisk genanvendelse forventes at spille en større rolle, da den prioriterer genvinding af materialer af høj værdi, der kan genbruges i fremstillingen. Imidlertid, med den nuværende kemiske genbrugsteknologi, meget få polymerer kan genbruges effektivt, om vi måler effektivitet ud fra den nødvendige energi, mængden af ​​CO ₂ udsendes, eller mængden af ​​uberørt materiale, vi genvinder til sekundær harpiksfremstilling. Vi var opmærksomme på disse udfordringer og greb problemet an fra det perspektiv. Vi forsøgte at designe PDK'er som næste generations polymerer, der kun kræver små mængder energi for at blive kemisk genbrugt tilbage til deres oprindelige monomerer med høje udbytter, sådan at kulstof i PDK'er kan recirkuleres på tværs af grænseløse cyklusser af genindspilning og genbrug.

Q. Corinne, hvad trak dig til dette arbejde?

Corinne:Jeg har arbejdet med teknoøkonomisk analyse og livscyklusvurdering af biobrændstoffer i årevis nu og, tro det eller ej, plast er ikke et stort spring. Vi har udforsket biobaserede produkter i nogen tid nu, og biopolymerer var allerede interessante for os, fordi vi ved, at det er afgørende at finde vedvarende alternativer til alle de forskellige produkter, vi laver af den typiske tønde olie, ikke kun brændstoffer. Brett og Jay trak mig ind, da de skrev forslaget til dette særlige projekt, og jeg blev chokeret over visionens klarhed, og hvor hurtigt det hele kom sammen. Ideen om en polymer, der kan genanvendes tilbage til monomerer af jomfruelig kvalitet med minimal energitilførsel, løser en masse ellers vanskelige problemer med plastikaffald.

Q. Brett, hvordan kom du ind i materialevidenskab? Har der altid været et mål om at skabe miljøbevidste materialer, eller startede du med et andet mål?

Brett:Jeg lavede bachelor-forskning med Shenda Baker på Harvey Mudd College, hvor vi studerede polymerernes fysik ved grænseflader. På et tidspunkt, Jeg indså, at hvis jeg ville studere interessante polymerer, Jeg skal måske lære at lave dem selv. Shenda introducerede mig for Craig Hawker, og jeg brugte tid på at lære polymersyntese af ham og Eva Harth på IBM Almaden Research Center. Føler mig mere sikker på mine synteseevner, Jeg blev derefter interesseret i at lære at designe funktion til polymerer. Det var det, der førte mig til UC Berkeley, hvor jeg gennemførte min ph.d. med Jean Fréchet, hvis gruppe var kendt for sin kreativitet inden for funktionelle polymerer. Jeg lærte også, i min postdoc med Bert Meijer, ved Eindhoven University of Technology i Holland, hvordan interaktioner mellem polymerer og andre materialer er centrale for deres funktion.

At arbejde på et nationalt laboratorium har virkelig åbnet mine øjne for bredden, hvori materialer gør en forskel i vores liv, og i stigende grad i bæredygtigheden af ​​vores livsvalg. Jeg håber at, i vores arbejde med at nytænke polymerkemi til den cirkulære økonomi, vi tilbyder kreative løsninger, som alle kan blive begejstrede for og lære af, og at folk kan være motiverede til at arbejde sammen med os for at bringe disse løsninger til verden, i tråd med vores mission her på Berkeley Lab.

Q. Corinne, begrebet "teknoøkonomisk analyse" er sikkert nyt for mange mennesker. Hvordan forklarer du, hvad du gør, når en ikke-videnskabsmand spørger?

Corinne:Teknoøkonomisk analyse, eller TEA for kort, er et af de udtryk, der ikke blev brugt meget for et årti siden, og det er meget mere almindeligt nu. På et grundlæggende niveau, TEA involverer ingeniørdesign og pengestrømsanalyse. Det tekniske design og simuleringen er normalt den svære del. Du tager et sejt resultat, nogen fik i laboratoriet og prøver at finde ud af, hvordan et kommercielt anlæg ville se ud. inklusive alt fra genvinding af opløsningsmidler til varme- og elproduktion til affaldshåndtering. Dette indebærer normalt, at man tænker igennem ting, som forskerne ikke har overvejet, og det kan rejse interessante spørgsmål. For eksempel, TEA viste, at en af ​​reaktanterne i den opdagelsesbaserede kemi til syntetisering af jomfru PDK-N, N'-dicyclohexylcarbodiimid (DCC) – viste sig at være ret dyrt, emissionsintensive, og det resulterede i generering af farligt affald fra processen. Man kan sige, at DCC havde et mål på ryggen efter det – Bretts team var indstillet på at finde en måde at reducere eller eliminere brugen af ​​det.

Q. Mange mennesker bliver forvirrede over plastgenbrug. For eksempel, hvad er genanvendeligt versus hvad der ikke er? Hvad sker der med den, når du har lagt den i skraldespanden? Har du et råd lige nu, før PDK'er eller anden virkelig genanvendelig plast kommer på markedet, for folk, der forsøger at være opmærksomme på materialerne i deres liv?

Corinne:Heldigvis spørgsmålet om genbrug af plast har fået meget mere opmærksomhed på det seneste, og der er gode nyheder, du kan læse eller se for at få overraskende nuancerede bud på, hvad der er eller ikke kan genanvendes. Jeg tror, ​​at den største misforståelse er, at vi alle har pligt til at lægge alt, der har det lille genbrugslogo, i genbrugsbeholderen. Faktisk, det betyder blot, at faciliteter, der er plads- og kapacitetsbegrænsede i de bedste situationer, måske skal behandle mere materiale, der i sidste ende vil gå til lossepladser. Det bedste du kan gøre er at undgå at generere affald i første omgang, når det er muligt. Imidlertid, i sidste ende, vi skal være praktiske. Mennesker, inklusiv mig selv, ønsker at gøre, hvad der er bekvemt. Når jeg har en plastikgenstand, skal jeg smide ud, Jeg stiller mig selv et par grundlæggende spørgsmål:For det første, er plastikken mærket #1 (PET) eller #2 (HDPE)? For det andet er det tredimensionelt (ikke fladt)? Hvis svaret på et af disse spørgsmål er "nej, "Jeg lægger den i skraldespanden. Langt størstedelen af ​​de blandede #3-7 baller ender med at gå på lossepladser, og hvis du forsøger at genbruge flade ting - som plastikfilm og plastikkuverter - har de en god chance for at ende som en forurening i ellers ret højværdipapir- eller papballer. Hvis fiberballerne er for forurenede, de bliver måske ikke accepteret. Så "ønskecykling, "som de kalder det, kan have nogle meget reelle negative konsekvenser.

Brett:Pandemien har ændret vores forståelse for, hvor meget plastik vi bruger, og hvor svært det ville være at reducere. At arbejde mere hjemmefra, vi ser præcis, hvor meget affald vi genererer, hvorimod da vi tidligere var på farten, rejser mellem mange steder, vores daglige affald blev spredt ud over skraldespande, som andre mennesker tømmer. Manglende nogen form for regler om plastbrug og producentansvar ved udtjent levetid, den stærkeste effekt, vi kan have, kunne være ved at udnytte vores købekraft ved at købe produkter, der er fremstillet med højt post-forbrugerindhold eller bio-sourcede materialer, eller er lavet af de meget genanvendelige polymerer som PET. Tilsvarende vi kunne træffe valg om ikke at købe produkter, der ville være svære at genbruge – f.eks. dem fremstillet af blandinger af flere slags plastik. At træffe informerede valg er svært, som Corinne nævnte. Der er meget "ønskecykling", der sker for de bedste af os. Det er nemt at blive narret til at tro, at noget er bæredygtigt, hvis det har et genbrugslogo på et eller andet sted. I årtier, vi er blevet ført denne vej, og det vil tage tid at omlægge vores tankegang med bæredygtig genbrug i tankerne.

Q. Fortæl os om et personligt højdepunkt fra de sidste par år!

Brett:Jeg har aldrig oplevet noget som det offentlige svar på vores rapport om uendeligt genanvendelige PDK-materialer. Det blev lagt online på Jordens Dag i 2019, da bevidstheden omkring virkningerne af plastikaffald var ved at blive en del af en global kollektiv bevidsthed. Inden for timer, Berkeley Lab stillede spørgsmål fra medierne, hvilket resulterede i et årelangt samarbejde med dem for at bringe klarhed over plastproblemet og det presserende behov for løsninger. Det var også tydeligt, at der var et voksende samfund fra hele verden og fra forskellige baggrunde, alle fokuseret på at arbejde sammen.

Corinne:For mig, at besøge affaldshåndteringsanlæg var et rigtigt højdepunkt, og det er noget, jeg har savnet under pandemien. I de sidste par år, Jeg har været på et materialegenvindingsanlæg (MRF), et komposteringsanlæg, og flere anaerobe fordøjelsesfaciliteter. Der er noget særligt ved at tage dertil og se udstyret i aktion, at se, hvordan en plastikpose ser ud, efter at den har været igennem en rådnetank eller en komposteringsproces. På MRF, de taler om virksomheder, der tager deres nye emballage og sender den gennem anlægget som et eksperiment for at se, hvor den ender. Det er en helt anden verden, og de fleste mennesker får den ikke at se.

Q. Hvad begejstrer dig mest ved fremtiden for samarbejdet?

Corinne:Dette projekt har været en af ​​de mest sjove og tilfredsstillende oplevelser i min karriere hos Berkeley Lab indtil videre. I like the idea of digging into an application that makes sense for PDKs, like automotive parts or electronics, and figuring out how to implement it in practice. It gets into all sorts of interesting infrastructure issues. Cars have a very different end-of-life than consumer electronics, for eksempel. Would we want to let shredder facilities just shred vehicles, recover the metals, and then process the mixed material to recover PDKs, or should we try to pull out parts with PDK for recycling beforehand? What car parts make the most sense for PDK? I don't know the answer to those questions yet, but I want to find out. I have no doubt that Brett, Jay, and Kristin can figure out how to hit the necessary specifications and tune each type of PDK so it depolymerizes at just the right conditions. My favorite thing to do is take those cool results and figure out how they can work at scale.

Brett:I have learned so much working with this team. This is one of those projects where together, we are greater than the sum of our parts. I'm looking forward to understanding how PDKs might be tailored for specific applications and scaled. That's where our work with Corinne has been very insightful. I also look forward to working with Jay and Kristin on making PDKs from bio-based ingredients. There's a growing interest in highly recyclable bio-based plastics, and Jay and Kristin's efforts have been aimed at providing a competitive edge to both performance and recycling efficiency. The students and postdocs working on this project are endlessly creative and bring life to all of the ideas that come from our discussions.