لقد أصبح البلاستيك المستدام الذي يتم الحصول عليه من النفايات الزراعية حقيقة واقعة بالفعل

مادة البولي أميد المستدامة (والاقتصادية) بدءًا من السكر المستخرج من الكتلة الحيوية: يوجد بالفعل منتج عرضي جاهز لطرحها في السوق

البولياميدات المستدامة، دراسة في سويسرا
ألياف البولياميد المستدامة (المصبوغة والطبيعية) بعد البثق (الصورة: Lorenz Manker/EPFL)

البحث عن مواد مستدامة لم يكن الأمر أكثر إلحاحا من أي وقت مضى: في عالم تضعف بشكل متزايد بسبب آثار الاحتباس الحراري والتعامل مع التطور السريع للغاية في البلدان الناشئة، فإن أحد أهم التحديات هو ما يمثله البلاستيك، الآن موجود في كل مكان في الحياة اليومية لكل واحد منا، من أحد أطراف الكوكب إلى الطرف الآخر.

بالإضافة إلى مشكلة التخلص من المواد البلاستيكيةوما يثير القلق أيضًا هو حقيقة أن هذه المواد يتم إنتاجها منها الوقود الحفري، وهذا هو السبب في أن تركيبها يؤثر بشكل مباشر علىانبعاثات غازات الدفيئة والاحتباس الحراري.

ومع ذلك، فقد طور العلماء في EPFL طريقة مستدامة للإنتاج البلاستيك عالي الأداء، مثل البولياميدات، بدءًا من واحد السكر المستخرج من المخلفات الزراعيةوخاصة من الكتلة الحيوية مثل الخشب أو أكواز الذرة.

عندما لا تكون المواد البلاستيكية النانوية كما تبدو
دوائر من المواد الخام المتجددة للإلكترونيات "الخضراء"

بديل ملموس للبلاستيك الأحفوري
فيلم شفاف مصنوع من مادة البولي أميد المستدامة التي تم تصنيعها من النفايات الزراعية (الصورة: لورينز مانكر/EPFL)

البلاستيك المستدام، يمثل تحديًا حاسمًا حقًا لكوكب الأرض

المنتجات مواد بلاستيكية عالية الأداء بطريقة مستدامة هو عليه تحديا حاسما لمستقبل الكوكبخاصة إذا أخذنا في الاعتبار أن معظم المواد عالية الأداء، مثل النايلون أو ما يسمى بالبوليمرات التكنولوجية، تستخدم السلائف العطرية والتي لا يزال من الصعب جدًا الحصول عليها بشكل مستدام.

يأتي النهج الرائد لهذه المشكلة من الدراسة التي أجراها فريق جيريمي لوترباكر من كلية الفنون التطبيقية الفيدرالية في لوزان تم نشره للتو على "استدامة الطبيعة": تمكن الباحثون من تجميع بعض البولي أميد، فئة من اللدائن تنتمي إليها أنواع مختلفة من النايلون، بدءاً من أ نواة السكر المستمدة من النفايات الزراعية.

ليس فقط الطريقة الجديدة يستغل موردا متجددا، ولكنه تمكن أيضًا من تحقيق هذا التحول بكفاءة وبطريقة الحد الأدنى من التأثير البيئي.

"تحتاج المواد البلاستيكية النموذجية ذات الأساس الأحفوري إلى مجموعات عطرية لإضفاء الصلابة على البلاستيك، مما يمنحها خصائص الأداء مثل الصلابة والقوة والمقاومة في درجات حرارة عالية"، يشرح لوترباكر.

"وهنا نحصل على نتائج مماثلة، ولكن نحن نستخدم هيكل السكر، والتي توجد في كل مكان في الطبيعة وهي عمومًا غير سامة تمامًا، لتوفير الصلابة وخصائص الأداء".

قرأنا في الدراسة أن الكربوهيدرات التي يتم الحصول عليها من النفايات قادرة على إعطاء أداء بلاستيكي قادر على التنافس مع أداء البلاستيك البوليمرات "الكلاسيكية" أو شبه العطرية.

الكيمياء والموضة: عندما يتعلق الأمر بـ… النسيج
البلاستيك في المحيط الأطلسي: المناطق الخمس الأكثر خطورة على الحيوانات

مادة البولي أميد المستدامة من المخلفات الزراعية
مادة البولي أميد الجديدة لا تزال في القالب بعد القولبة بالحقن (الصورة: 2024 EPFL)

تلك البولياميدات المستدامة وبأسعار تنافسية...

لورينز مانكر وقام زملاؤه بتطوير عملية خالية من المواد الحفازة لتحويله الزيلوز ثنائي ميثيل جليوكسيلات (DMGX)، كربوهيدرات مستقرة مصدرها مباشرة الكتلة الحيوية مثل الخشب أو أكواز الذرة، مصنوع من مادة البولي أميد عالية الجودة.

هذه العملية، بالإضافة إلى كونها مستدامة، فعالة للغاية أيضًا: فهي في الواقع تحقق نجاحًا مثيرًا للإعجاب الكفاءة الذرية 97 بالمئةمما يعني أنه يتم استخدام جميع المواد الأولية تقريبًا في المنتج النهائي، مما يقلل النفايات بشكل كبير.

ما تمكن العلماء من الحصول عليه هو مادة البولي أميد غير المتبلورة مع أداء مماثل للبدائل شبه العطرية القائمة على الحفريات. وكما تقول الدراسة "على الرغم من وجود نواة كربوهيدراتية، إلا أن هذه المواد تحافظ على خصائصها الميكانيكية الحرارية بفضل دورات متعددة من إعادة التدوير الميكانيكية عالية القص و ويمكن إعادة تدويرها كيميائياً".

ليس هذا فحسب: فقد أظهر التحليل الفني والاقتصادي وتقييم دورة حياة البولياميدات المستدامة الجديدة أن هذه المواد يمكن أن يكون لها "un سعر تنافسي مقارنة بالبولي أميدات التقليدية، بما في ذلك النايلون (على سبيل المثال النايلون 66)، مع أ الحد من احتمالات الاحتباس الحراري بنسبة تصل إلى 75 في المئة".

وكما قرأنا في الدراسة، فإن مادة البولي أميد لها قيمة سوقية عالية، حيث تتراوح أسعارها من 3-7 دولارات للكيلو الواحد من النايلون 66 إلى 20 دولارًا للكيلو الواحد من مادة البولي فثالات الحمضية شبه العطرية عالية الأداء (PPAs). البوليمرات المشتركة الخاصة بهم.

إليكم أول آيس كريم فانيليا يتم إنتاجه من... النفايات البلاستيكية
هل الورق هو البلاستيك الجديد؟ بعض الأسئلة حول الاستدامة

المونومر المستدام الذي يمكنه تغيير البلاستيك
لورينز مانكر، المؤلف الأول للدراسة، يقف مع 1,5 كجم من مونومر DMGX في يده أمام مفاعل البلمرة (الصورة: 2024 EPFL)

عملية فعالة قادرة على تقليل البصمة البيئية

نقطة البداية ل مادة البولي أميد المستدامة هو الزيلوز ثنائي ميثيل جليوكسيلات (DMGX)، وهو مادة بوليمرية يمكن إنتاجها من الكتلة الحيوية المتاحة والتي تم استخدامها بالفعل لإنتاج البوليستر القابل للتحلل.

وفي الدراسة الجديدة، تم استخدام نفس المركب لتخليق مادة البولي أميد ذات الوزن الجزيئي العالي، وذلك باستخدام ذوبان عند 250 درجة مئوية، دون الحاجة إلى محفز وبزمن رد فعل يصل إلى ثلاث ساعات فقط.

يمكن أن ينخفض ​​إنتاج المونومرات المستدامة لدمجها في مادة البولي أميدات الهندسية بشكل كبير البصمة البيئية للصناعة الكيميائية، في حين تقدم إمكانية تعزيز ربحية الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية فتح سوق ذات قيمة مضافة عالية مقارنة بسوق البوليستر والبولي أوليفينات الأساسية.

البولياميدات التقليدية، مثل نايلون أو كيفلر، تتمتع بمقاومة عالية للتأثيرات والتآكل والمذيبات والزيوت، مما يضمن عزلًا حراريًا معقولًا.

ومع ذلك، فيما يتعلق بالاستدامة، لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به. ويمكن ملاحظة ذلك بوضوح من خلال الأخذ بعين الاعتبار إمكانات الاحتباس الحراري (GWP)، والذي يعبر عن مساهمة المادة في ظاهرة الاحتباس الحراري والتي تكون مرتفعة بشكل خاص بالنسبة للبولي أميدات. وكما تقول الدراسة "مادة البولي أميد الأكثر شيوعًا، النايلون 66، لديها قدرة على إحداث الاحترار العالمي تبلغ حوالي 8-9 كجم من مكافئ ثاني أكسيد الكربون لكل كيلو"، مقارنة بـ 3 كجم البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET).

ومن المثير للاهتمام أيضًا أن نلاحظ كيف توليف النايلون، فإن جزءًا كبيرًا من القدرة على إحداث الاحترار العالمي يرجع على وجه التحديد إلى المادة الأولية، أي حمض الأديبيك، الذي "يزن" وحده 8,5 كجم.

الابتكارات والحماية: تنظيف المحيط لبحار خالية من البلاستيك
من البحر إلى المتحف الرقمي: Archeoplastica تنقذ الكوكب

البولياميدات المستدامة من المخلفات الزراعية: الدراسة
مادة البولي أميد المصنوعة من النفايات الزراعية قوية ومرنة ويمكن لفها وتضفيرها دون أن تنكسر (الصورة: 2024 EPFL)

بديل ملموس حقيقي لاستخدام البلاستيك الأحفوري

"عند تحليل الاستدامة الشاملة لموادنا، أخذنا في الاعتبار أيضًا فئات التأثير البيئي الأخرى بالإضافة إلى القدرة على إحداث الاحترار العالمي"، شرح العلماء. كما يحدث غالبا مع المنتجات الحيوية، فإن العبء البيئي لإنتاج هذه البولياميدات ينتقل إلى مكان آخر، ولا سيما فيما يتعلق التحول الطبيعي للتربة والسمية البيئية الناجمة عن الزراعة المكثفة.

البلاستيك الذي يتم الحصول عليه من النفايات الزراعيةونقرأ في الدراسة "لقد قلل من هذا العبء مقارنة بالبولي أميدات الحيوية الأخرى التي تنمو المحاصيل الزيتية حصريًا لهذا الغرض (مثل البولياميدات المشتقة من زيت الخروع)". علاوة على ذلك، استخدام المخلفات الزراعية بدلا من الزيوت النباتية يقلل بشكل كبير من التأثير على تحمض الأرض، علىالتخثث بالمياه العذبةبشأن السمية البيئية البحرية واستنفاد الوقود الأحفوري.

يقدم البولياميدات الحيوية التي طورها باحثو EPFLبديل واعد جدًا للمواد البلاستيكية الأحفوريةلمجموعة متنوعة من التطبيقات التي تتراوح من مكونات السيارات إلى خيوط للطباعة ثلاثية الأبعاد والسلع الاستهلاكية.

"العثور على سلائف بلاستيكية يمكن تصنيعها بكفاءة عالية منها المواد الخام الوفيرة والمتجددة، والتي تتوافق مع المواد الكيميائية المختلفة والتي يمكن أن تقدم خصائص أداء مماثلة لتلك الخاصة بالمونومرات العطرية والفثالات من شأنها أن تسهل إلى حد كبير المنافسة مع المنتجات البترولية"، تظهر الدراسة مرة أخرى.

لا يزال الطريق طويلاً ولكن التقدم يسير بسرعة: لقد أصبح إنتاج هذه المواد الجديدة بالفعل في مرحلة التوسع بفضل بلوم للطاقة المتجددة، العرضية EPFL والتي تهدف إلى طرحها في السوق. إن البديل الملموس للمواد البلاستيكية الأحفورية أصبح حقيقة واقعة بالفعل.

كيف ينتهي الأمر بالجسيمات الدقيقة والبلاستيكية النانوية في جليد القطب الشمالي
تانيا زيمرمان: "نحن نحاول "تجسيد" الطاقة"

البديل للبلاستيك الأحفوري يأتي من النفايات الزراعية
غلاف iPhone مطبوع بتقنية ثلاثية الأبعاد باستخدام خيوط من مادة البولي أميد المستدامة الجديدة (الصورة: 3 EPFL)