Holdbar plastikforurening nedbrydes let, rent med ny katalysator
Mange mennesker kender de forrygende billeder af dyreliv – inklusive havskildpadder, delfiner og sæler – viklet ind i forladte fiskenet.
Hovedproblemet bag Nylon-6, plastikken inde i disse net, tæpper og tøj, er, at det er for stærkt og holdbart til at blive nedbrudt af sig selv. Så når den først er i miljøet, bliver den hængende i tusinder af år, strøer vandveje, knækker koraller og kvæler fugle og havliv.
Nu har Northwestern University kemikere udviklet en ny katalysator, der hurtigt, rent og fuldstændigt nedbryder Nylon-6 i løbet af få minutter - uden at generere skadelige biprodukter. Endnu bedre:Processen kræver ikke giftige opløsningsmidler, dyre materialer eller ekstreme forhold, hvilket gør den praktisk til hverdagsbrug.
Ikke alene kunne denne nye katalysator spille en vigtig rolle i miljøsanering, den kunne også udføre det første trin i at genbruge nylon-6-affald til produkter af højere værdi.
Forskningen blev offentliggjort torsdag (30. november) i tidsskriftet Chem .
"Hele verden er klar over plastikproblemet," sagde Northwesterns Tobin Marks, undersøgelsens seniorforfatter. "Plast er en del af vores samfund; vi bruger så meget af det. Men problemet er:Hvad gør vi, når vi er færdige med det? Ideelt set ville vi ikke brænde det af eller lægge det på lossepladser. Vi ville genbruge det. Vi er ved at udvikle katalysatorer, der dekonstruerer disse polymerer, og bringer dem tilbage til deres oprindelige form, så de kan genbruges."
Marks er Charles E. og Emma H. Morrison professor i kemi og Vladimir N. Ipatieff professor i katalytisk kemi ved Northwestern's Weinberg College of Arts and Sciences og professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved Northwesterns McCormick School of Engineering.
Han er også tilknyttet fakultet ved Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Northwestern medforfattere omfatter Linda J. Broadbelt, Sarah Rebecca Roland professor i kemi og biologisk teknik og senior associeret dekan for McCormick, og Yosi Kratish, en forskningsassistent professor i Marks' gruppe.
En dødelig vanskelighed
Fra tøj til tæpper til sikkerhedsseler, Nylon-6 findes i en række forskellige materialer, som de fleste bruger hver dag. Men når folk er færdige med disse materialer, ender de på lossepladser eller endnu værre:løse i miljøet, inklusive havet. Ifølge World Wildlife Federation efterlades op til 1 million pund fiskeredskaber i havet hvert år, og fiskenet bestående af nylon-6 udgør mindst 46 % af Great Pacific Garbage Patch.
"Fiskenet mister kvalitet efter et par års brug," sagde Liwei Ye, avisens ledende førsteforfatter, som er postdoc i Marks' laboratorium. "De bliver så vandtætte, at det er svært at trække dem op af havet. Og de er så billige at erstatte, at folk bare lader dem blive i vandet og køber nye."
"Der er meget affald i havet," tilføjede Marks. "Pap og madaffald nedbrydes biologisk. Metaller synker til bunds. Så står vi tilbage med plastikken."
Det grønneste opløsningsmiddel er intet opløsningsmiddel
Nuværende metoder til at bortskaffe Nylon-6 er begrænset til blot at nedgrave det på lossepladser. Når nylon-6 forbrændes, udsender det giftige forurenende stoffer såsom nitrogenoxider, som er forbundet med forskellige sundhedsmæssige komplikationer, herunder for tidlig død, eller kuldioxid, en berygtet potent drivhusgas.
Selvom andre laboratorier har udforsket katalysatorer til at nedbryde nylon-6, kræver disse katalysatorer ekstreme forhold (såsom temperaturer så høje som 350° Celsius), højtryksdamp (som er energisk dyrt og ineffektivt) og/eller giftige opløsningsmidler, der kun bidrager til mere forurening.
"Du kan opløse plast i syre, men så står du tilbage med snavset vand," sagde Marks. "Hvad gør man med det? Målet er altid at bruge et grønt opløsningsmiddel. Og hvilken type opløsningsmiddel er grønnere end slet ingen opløsningsmiddel?"
Gendannelse af byggesten til upcycling
For at omgå disse problemer kiggede forskerne på en ny katalysator, der allerede var udviklet i Marks' laboratorium. Katalysatoren udnytter yttrium (et billigt jordholdigt metal) og lanthanidioner. Da holdet opvarmede nylon-6-prøver til smeltetemperaturer og påførte katalysatoren uden opløsningsmiddel, faldt plastikken fra hinanden - og vendte tilbage til dens oprindelige byggesten uden at efterlade biprodukter.
"Du kan tænke på en polymer som en halskæde eller en perlerække," forklarede Marks. "I denne analogi er hver perle en monomer. Disse monomerer er byggestenene. Vi udtænkte en måde at nedbryde halskæden på, men genvinde disse perler."
I eksperimenter var Marks og hans team i stand til at genvinde 99% af plastens originale monomerer. I princippet kunne disse monomerer derefter omdannes til produkter af højere værdi, som i øjeblikket er meget efterspurgte på grund af deres styrke og holdbarhed.
"Genbrugt nylon er faktisk flere penge værd end almindelig nylon," sagde Marks. "Mange high-end modemærker bruger genbrugsnylon i tøj."
Effektiv målretning mod Nylon-6
Ud over at genvinde et højt udbytte af monomerer, er katalysatoren meget selektiv - den virker kun på Nylon-6-polymererne uden at forstyrre omgivende materialer. Det betyder, at industrien kan anvende katalysatoren på store mængder usorteret affald og selektivt målrette mod Nylon-6.
"Hvis du ikke har en katalysator, der er selektiv, hvordan adskiller du så nylon fra resten af affaldet?" sagde Marks. "Du bliver nødt til at hyre mennesker til at sortere alt affaldet for at fjerne nylonen. Det er enormt dyrt og ineffektivt. Men hvis katalysatoren kun nedbryder nylonen og efterlader alt andet, er det utroligt effektivt."
Genanvendelse af disse monomerer undgår også behovet for at producere mere plast fra bunden.
"Disse monomerer er produceret af råolie, så de har et enormt kulstofaftryk," sagde Ye. "Det er bare ikke holdbart."
Hvad er det næste?
Efter at have indgivet patent på den nye proces, har Marks og hans team allerede modtaget interesse fra potentielle industrielle partnere. De håber, at andre kan bruge deres katalysatorer i stor skala til at hjælpe med at løse det globale plastikproblem.
"Vores forskning repræsenterer et væsentligt skridt fremad inden for polymergenbrug og bæredygtig materialehåndtering," sagde Ye. "Den innovative tilgang adresserer et kritisk hul i de nuværende genbrugsteknologier og tilbyder en praktisk og effektiv løsning på nylonaffaldsproblemet. Vi mener, at det har konsekvenser for at reducere plastiks miljømæssige fodaftryk og bidrage til en cirkulær økonomi."
Flere oplysninger: Katalysator Metal-ligand design til hurtig, selektiv og opløsningsmiddelfri depolymerisering af nylon-6 plast, Kem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.10.022. www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(23)00548-X
Journaloplysninger: Kem
Leveret af Northwestern University
Varme artikler
-
En enklere måde at differentiere B-celler og T-celler påDen foreslåede farvningsmekanisme af CDyB. Kredit:Institut for Grundvidenskab Vores immunsystem er afgørende for vores overlevelse, da vores kroppe konstant bliver udsat for bakterier, vira, parasi -
Kemisk ingeniør udvikler styrenfrie biofornyelige harpikserPh.d.-studerende Harshal Bambhania hjælper med at udvikle nye styrenfrie biofornyelige harpikser. Kredit:Michigan State University Forskning ved Michigan State University udvikler nye styrenfrie b -
Teknik kan hjælpe masseproduktion af bionedbrydeligt plastFibre af majsafledt, bionedbrydeligt plastik udviklet ved University of Nebraska-Lincoln. Nebraska-forskere og deres kolleger har demonstreret en ny teknik til forbedring af egenskaber ved bioplast, d -
En hurtigere, billigere test påviser fødevarebåren toksinARS -kemiker Reuven Rasooly og biovidenskabstekniker Paula Undersøg fødevarebårne toksiner. Rasooly udviklede en test til påvisning af stafylokok -enterotoksiner i fødevarer. Kredit:Stephen Ausmus
- Det amerikanske senat stemmer for at genoprette netneutralitetsreglerne
- Undersøgelse viser, at flirt blandt kolleger kan reducere stress
- Hindcasting-undersøgelse undersøger den ekstreme Colorado-oversvømmelse i 2013
- Nobelskemivindere fortryder frygten for nye udviklinger
- Ekspertmatematikere chokeret over simple subtraktioner
- Kan du analysere mig nu? Mobiltelefoner bringer spektroskopi til klasseværelset