علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Polystyrene waste is everywhere, and it’s not biodegradable. Scientists just found a way to break it down
(Ames Laboratory – بواسطة: مختبر أميس)
ملخص المقالة:
اكتشف علماء مختبر “أميس” وجامعة كليمسون عملية خضراء منخفضة الطاقة لتكسير البوليستيرين. ويستخدم البوليستيرين على نطاق واسع في مواد التعبئة والتغليف وحاويات الطعام وأدوات المائدة والعديد من تطبيقات أخرى، ويمثل مشكلة كبرى في النفايات البلاستيكية العالمية، حيث تنتج منه مئات ملايين الأطنان المترية سنويا، ويتم حرقها للتخلص من غالبيتها بعد الاستخدام، منتجة ثاني أكسيد الكربون والغازات الخطرة الأخرى. كما أن إعادة تدويره غير مجدية اقتصاديًا في الوقت الحالي لارتفاع تكاليف الفرز والفصل، وحاجتها الى معالجة كيميائية، مستنزفة للطاقة، باستخدام مذيبات سامة. وقد تمت معالجة البوليستيرين التجاري في مختبر “أميس” بالطحن الكروي وتفكيكه في خطوة واحدة، في درجة حرارة الغرفة، في الجو المحيط في غياب المذيبات الضارة، وذلك بوضعه في قنينة طحن مع محامل كروية معدنية، والتي يتم تحريكها بعد ذلك، حتى يحدث التفاعل الكيميائي المطلوب. وتمثل هذه الطريقة اختراقًا مهمًا، يسمح بتطوير تقنيات إعادة تدوير جديدة ستساهم في إنشاء الاقتصاد الدائري.
المقالة
اكتشف العلماء في مختبر “أميس” (مختبر في جامعة ولاية أياوا، ويقع في مدينة أميس بولاية أياوا)، التابع لوزارة الطاقة الأمريكية وشركاؤهم من جامعة كليمسون (أسست في عام 1889 ، وتقع في مدينة كليمسون بولاية كارولاينا الجنوبية) عملية خضراء منخفضة الطاقة لتكسير البوليسترين، وهو نوع من البلاستيك يستخدم على نطاق واسع في مواد التعبئة والتغليف الرغوية وفي حاويات الطعام التي تستخدم لمرة واحدة وأدوات المائدة والعديد من تطبيقات أخرى.
ويمثل البوليسترين الجزء الأكبر من مشكلة النفايات البلاستيكية العالمية. ويتم إنتاج مئات الملايين من الأطنان المترية من البوليمرات كل عام، ويتم التخلص من الغالبية العظمى منها بعد الاستخدام. ونظرًا للاستقرار الكيميائي والمتانة للبوليمرات الصناعية، فإن النفايات البلاستيكية لا تتحلل بسهولة في مدافن النفايات وغالبًا ما يتم حرقها، مما ينتج عنه ثاني أكسيد الكربون والغازات الخطرة الأخرى. ومن أجل وقف الكم الهائل والمتزايد لنفايات البوليمر وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، يجب إعادة تدوير البلاستيك أو تحويله إلى منتجات جديدة ذات قيمة مضافة.
إن إعادة تدوير الغالبية العظمى من المواد البلاستيكية غير مجدية اقتصاديًا في الوقت الحالي؛ اذ يتطلب فرزها وفصلها وقتًا وعمالة مكثفة، بينما تتطلب المعالجة الكيميائية وإعادة التصنيع مدخلات طاقة كبيرة ومذيبات سامة. وغالبًا ما تظهر البوليمرات المعاد معالجتها أداءً أدنى من أداء المواد المصنعة حديثًا “المصنوعة من الصفر”.
وقد استخدم فريق من العلماء في مختبر “أميس” المعالجة بالطحن الكروي لتفكيك البوليسترين التجاري في خطوة واحدة، في درجة حرارة الغرفة، في الجو المحيط في غياب المذيبات الضارة. والطحن بالكرات هو تقنية تضع المواد في قنينة طحن مع محامل كروية معدنية، والتي يتم تحريكها بعد ذلك، حتى يحدث التفاعل الكيميائي المطلوب. ويسمى هذا النهج التجريبي بالكيمياء الميكانيكية، وله العديد من التطبيقات في تركيب المواد الجديدة، وميزات جذابة فيما يتعلق بإعادة تدوير البلاستيك.
فيديو يوضح المعالجة بالطحن الكروي
ويتم تفكيك البوليسترين من خلال سلسلة من الأحداث الكيميائية التي تتضمن قَطْعًا ميكانيكيًا للجزيئات الكبيرة، مما يولد مواد حرة قليلة القوام يمكن اكتشافها في المادة المطحونة حتى بعد تعرضها المطول للهواء. وتعمل المحامل المعدنية المستخدمة في الطحن والأكسجين المحيط كمحفزات مساعدة تمكن من استخلاص الستايرين الأحادي من الأنواع الحاملة للمواد قليلة القوام. وأظهرت التجارب أن ارتفاع درجة حرارة المادة أثناء الطحن ليس مسؤولاً عن الظاهرة الملاحظة، حيث أن درجة الحرارة داخل المسحوق المطحون لا تتجاوز 50 درجة مئوية، بينما يبدأ التحلل الحراري للبوليسترين في الهواء عند حوالي 325 درجة مئوية. وأكدت مجموعة كليمسون التفكيك الشامل للبوليمر الأصلي إلى أجزاء أصغر، مواد قليلة القوام، مناسبة لمزيد من المعالجة إلى منتجات جديدة ذات قيمة مضافة.
“تمثل هذه الطريقة اختراقًا مهمًا يتيح تفكيك البوليمر في وقت واحد مع تكسيرها في ظل الظروف المحيطة، أي حوالي 300 درجة مئوية تحت درجة حرارة التحلل الحراري للمادة الأصلية” ، كما قال كبير علماء مختبر أميس فيكتور باليما. وتابع: “نعتقد أن إثبات المفهوم هذا هو إمكانية مثيرة لتطوير تقنيات إعادة التدوير الجديدة لجميع أنواع البلاستيك، والتي ستساهم في إنشاء الاقتصاد الدائري”.
وعلق أيضًا شريكه من جامعة كليمسون، الأستاذ “كنتوول” المميز ايغور لوزينوف بأن “هذا الاكتشاف يفتح آفاقا جديدة للاستخلاص البطيء في درجة حرارة منخفضة لمونومرات من أنظمة البوليمر الأساس المتعددة المكونات، مثل المواد التركيبية والصفائح. كما أن التكنولوجيا التي لدينا ستسمح باستخراج مونومر من مواد متشابكة تحتوي على وحدات ستيرين في هياكلها”.
وأشار زميل أبحاث مؤسسة “ألفريد ب. سلون” ، البروفيسور آرون روسيني من جامعة ولاية أيوا، إلى أن “التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي للإلكترون يظهر تركيزات كبيرة من أنواع المواد الكربونية الحرة قليلة القوام المتمركزة في البوليسترين التي تم طحنها في الهواء. وهذه نتيجة مذهلة لأنها عادة ما تكون متفاعلة جدا. وأيضا، إن وجودها يعطي دليلا مباشرا على ان الطحن يسبب مباشرة انفصالًا من سلاسل البوليمر، ونحن نتوقع أن المواقع التفاعلية المرتبطة بالمواد الحرة قليلة القوام يمكن أن تستخدم لتُفَعِّل البوليمرات المصنعة للحصول على منتجات جديدة ذات قيمة مضافة”.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2021-03-polystyrene-biodegradable-scientists.html
لمزيد من المعلومات: فيكتور بايلما وآخرون، Depolymerization of polystyrene under ambient conditions, New Journal of Chemistry(2021). DOI: 10.1039/D0NJ05984F
