از ضایعات PET تا پول نقد

از زباله تا پول نقد: استراتژی‌های فعلی برای چرخه زیستی مونومری بازگرفته شده از ضایعات بلوک ساختمانی پلی اتیلن ترفتالات

آلودگی پلاستیک به دلیل مسائل زیست محیطی، اقتصادی، سلامتی و اجتماعی به یک موضوع نگران کننده در سراسر جهان تبدیل شده است. با این وجود، جامعه ما از ریخته‌گری پلاستیک‌ها به دور است زیرا پلاستیک در برخی کاربردها ازجمله بسته بندی مواد غذایی، خودرو، الکترونیک، ساختمان و ساخت و ساز نقش پررنگی دارد. پلی اتیلن ترفتالات (PET) یک پلی استر مصنوعی مهم مشتق شده از نفت است که به طور گسترده در بسته بندی‌های پلاستیکی (عمدتا بطری و سینی) استفاده می‌شود. متاسفانه هیچ جایگزین پلیمری سبزتری در مقیاس بزرگ برای پاسخگویی به تقاضای جهانی تاکنون تولید نشده است. درنتیجه، بازیافت پلاستیک پایدارترین رویکرد برای مدیریت مقادیر انبوه ضایعات PET پس از مصرف با بازیابی مونومرهای آن است: ترفتالیک اسید و اتیلن گلیکول. با این حال، روش های بازیافت فعلی همچنان پرهزینه بوده و منجر به تولید مونومرهای احیا شده PET گرانتر از نمونه های فسیلی می شوند. اخیرا آپ سایکلینگ PET به عنوان یک استراتژی سودآور به منظور ارزش گذاری مونومرهای بازیابی شده با تبدیل آنها به مولکول‌هایی با ارزش افزوده بالاتر کاربرد دارد که دوام فرایند بازیافت را افزایش می‌دهند. در این مطالعه به بررسی کالاهای با ارزش تولید شده از تبدیل مونومرهای PET می پردازیم که توسط میکروارگانیسم‌ها کاتالیز می‌شوند؛ این فرایند به عنوان یک فرایند دوستدار محیط زیست، افزایش بیولوژیکی یا چرخه زیستی شناخته می‌شود. در اینجا همچنین ما یک چشم انداز از بازارهای بالقوه و مزایای چرخه زیستی PET نسبت به تولید صنعتی هر کالا را نیز ارائه می دهیم. علاوه براین، درمورد روش‌های مختلف بازیافت PET را باهدف بازیابی مونومرها قبل از مرحله چرخه زیستی بحث کرده و جوانب مثبت و منفی آن را بررسی می کنیم. ازطرفی، چالش‌های اصلی در رابطه با این تکنیک چرخه زیستی، به ویژه در ارتقاء مقیاس از مقیاس آزمایشگاهی تا پیاده سازی در دنیای واقعی را مورد بحث قرار می دهیم.

کشف و تولید صنعتی پلاستیک باعث یک تغییر شگرف در جهان ما، مثبت و منفی، شده است؛ به طوری که امروزه این تغییرات درهمه جا محسوس هستند. Circa در سال 2019 تنها 460 میلیون تن پلاستیک تولید کرد که 230 برابر بیشتر از تولید اولیه انبوه در سال 1950 بود. با این حال، انتظار می رود تقاضای جهانی تا سال 2060 با افزایش جمعیت جهان سالانه 3 برابر شده و به 1.32 میلیارد تن برسد. اگرچه پلاستیک دارای مزایای مطلوبی است (ازجمله تولید کم هزینه، وزن سبک، تطبیق پذیری، دوام، خواص مکانیکی و فیزیکوشیمیایی خوب) که استفاده گسترده از آن را توجیه می کند اما مدیریت ضایعات پلاستیکی تولید شده در دهه‌های گذشته منجر به یکی از بزرگترین بحران‌ها تبدیل شد که جهان درحال حاضر با آن مواجه است. باتوجه به داده های تخمین زده شده برای تمام ضایعات پلاستیکی تولید شده در سال 2019، تنها 9 درصد بازیافت شد؛ 19 درصد سوزانده شد (که بدون فناوری جذب، گازهای آلاینده را به اتمسفر آزاد می کند)؛ 49 درصد در محل دفن زباله دفن شده و درنهایت 22 درصد به طور مستقیم در محیط های طبیعی رها شدند. آلودگی پلاستیک موجب می شود تا ماکرو، میکرو و نانوذرات حاوی مولکول های سنتزی فسیلی که زمانی ارزش تولید داشتند اما درحال حاضر فقط زیان اقتصادی به همراه دارند، به محیط زیست وارد شوند. از آنجایی که این آلاینده ها نسبت به تجزیه توسط عوامل زنده و غیرزنده بسیار مقاوم هستند، این وضعیت با تداوم آلاینده های موجود در اکوسیستم های زمینی و دریایی تشدید می شود. صنعت بسته بندی بزرگترین بازار تولید پلاستیک است به طوری که در سال 2022 حدود 31.2 درصد از کل پلاستیک تولید شده را شامل می شد.

این مواد از این جهت ضروری هستند که هزینه حمل و نقل را به حداقل می‌رسانند و ازطرفی، در برابر رطوبت، هوا و آلاینده‌ها مقاوم هستند؛ و برای تولید برخی اقلام (مانند مواد غذایی، نوشیدنی‌ها و داروها) عمر طولانی دارند که از تولید ضایعات اولیه اجتناب می کند. با این وجود، بسته بندی پلاستیکی اساسا پلاستیک یکبار مصرف یا کوتاه مدت را تولید می کند که به راحتی پس از مصرف دور ریخته می شوند. بنابراین، این زنجیره خطی تولید، استفاده و دور ریختن بسته‌بندی‌های پلاستیکی روزانه منجر به مقادیر زیادی از زباله می‌شود زیرا این مواد برای بازیافت طراحی نشده اند. پلی اتیلن ترفتالات (PET) سومین پلیمر مورد استفاده در تولید بسته بندی های پلاستیکی است که اصلی ترین ماده محسوب می شود. دو واحد مونومری، ترفتالیک اسید (TPA؛ معطر) و اتیلن گلیکول (EG؛ آلیفاتیک)، که از مواد اولیه فسیلی به دست می آیند برای تشکیل یک زنجیره پلی استر پلیمریزه می شوند. PET یک ترموپلاستیک نیمه کریستال است که کاربردهای متعددی دارد. به عنوان مثال از PET به دلیل شفافیت، سبک وزن، ایمنی و مانع گازی در ساخت بطری های آب و نوشیدنی های گازدار استفاده می شود. با این حال، PET در تولید سایر محصولات مانند فنجان، سینی، ورق و فیلم نیز کاربرد دارد. همانطور که گفته شد، امروزه چرخه زیستی PET یک تکنیک سودآور درجهت ارزش گذاری مونومرهای بازیابی شده با تبدیل آنها به مولکول‌هایی با ارزش افزوده بالاتر شناخته می شود که دوام فرایند بازیافت را افزایش می‌دهند. در شکل زیر چرخه زیستی ضایعات PET نشان داده شده است.

شکل 1:

علاوه براین، از PET به دلیل مصرف و دفع سریع آن در صنعت بسته بندی که یکی از شایع ترین آلاینده های موجود در پسماند جامد شهری است استفاده می شود.

کلام آخر

پایان دادن به دفع تمام مواد پلاستیکی به منظور حل بحران جهانی پلاستیک یک مسیر یک طرفه است. برخی کشورها باهدف افزایش نرخ بازیافت و یافتن جایگزین پایداری جدید در این زمینه باهم همکاری دارند. در این مطالعه اثبات شد که پلیمریزاسیون PET و همچنین چرخه زیستی مونومرهای آن فناوری های امیدوارکننده ای برای ارزش گذاری مجدد ضایعات پلاستیکی PET هستند. با این وجود، برای دستیابی به واقعیت صنعتی در مقیاس بزرگ باید بر چالش‌های بزرگی غلبه کرد زیرا امروزه ضایعات PET هر روزه در سراسر جهان دور ریخته می شوند. از دیدگاه اقتصاد چرخشی، هیدرولازهای PET کاتالیزورهای ایده آلی برای پیاده سازی پلیمریزاسیون PET در مقیاس بزرگ صنعتی هستند. با این حال، هزینه آنها همچنان یک مشکل عمده است زیرا این آنزیم ها در دوره های طولانی انکوباسیون تخریب شده و فعالیت هیدرولیتیک را از دست می دهند که استفاده مجدد از آنها در چرخه های فرآوری را محدود می کند. مشکل بعدی باقی ماندن ذرات PET با درجه بلورینگی بالا در پایان واکنش است که هنوز هیچ راه حلی برای مقابله با آن وجود ندارد. برای جلوگیری از کاهش چرخه این ذرات باقیمانده، بایستی راه حل‌های کاهش درجه بلورینگی پلیمریزاسیون زیستی بیشتر مورد بررسی قرار گیرند. استفاده از حلال های سبز مناسب میزان انرژی مورد نیاز برای پلیمریزاسیون PET را به حداقل می رساند که درنتیجه، هزینه تولید را کاهش داده و شرایط عملیاتی را نیز تسهیل می کند. به طور کلی، هزینه به طور قابل توجهی به نوع کاتیون و آنیون انتخاب شده بستگی دارد. بنابراین، باید بر روی بازسازی IL باهدف اطمینان ازکاربرد اقتصادی PET در مقیاس صنعتی بیشتر تمرکز کرد.