علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
The Story Behind Our Infinitely Recyclable Plastic
(بقلم: علياء كوفنر – Aliyah Kovner)
سؤال وجواب مع اثنين من العلماء وراء مشروع يهدف إلى حل المشاكل العملية والبيئية للبلاستيك التقليدي
يعمل فريق (Berkeley Lab) متعدد التخصصات منذ عدة سنوات على تطوير بلاستيك يغير قواعد اللعبة يمكن ، على عكس البلاستيك التقليدي ، إعادة تدويره إلى أجل غير مسمى وليس مصنوعًا من البترول. كان آخر إنجاز لهم هو إصدار تحليل يوضح الجدوى والنتائج المحتملة لإطلاق مادة فريدة تسمى بولي (ديكيتوينامين) أو (PDK) ، في السوق على نطاق صناعي.
وجد الفريق أن صنع المنتجات من (PDK) المعاد تدويره يمكن أن يصبح سريعًا بسعر رخيص مثل صنع نفس العنصر باستخدام بوليمرات بلاستيكية جديدة (يتم إعادة تدوير نسبة صغيرة جدًا من البلاستيك الحالي لدينا ، لذا فإن معظم المنتجات مصنوعة من راتينج بلاستيكي “بكر”) ، بينما يقلل أيضًا من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ومتطلبات الطاقة للتصنيع. علاوة على ذلك ، يخطط العلماء لتطوير عملية لإنشاء راتينج (PDK) الأولي باستخدام مادة نباتية مخمرة بالميكروبات ، مما يعني أن دورة الحياة الكاملة لمنتج بلاستيك (PDK) يمكن أن تكون منخفضة الكربون أو حتى محايدة الكربون.
بمجرد تطوير البنية التحتية لإنتاج وإعادة تدوير (PDK) على نطاق واسع ، يتصور العلماء أن (PDK) يمكن أن يحل محل البلاستيك التقليدي في مجموعة متنوعة من المنتجات الاستهلاكية ، من أجزاء السيارة إلى زجاجات المياه.
تحدثنا مع اثنين من قادة المشروع ، بريت هيلمز وكورين سكاون ، حول الإلهام لـ (PDK) ، وأوجه القصور في أنظمة إعادة التدوير الحالية لدينا ، وكيف يتم تمكين هذا المشروع الطموح من خلال مجموعة متنوعة من الخبرات العلمية.
بريت هيلمز عالم كيميائي وعالم تصنيع يعمل في مسبك الجزيئات في مختبر بيركلي ، وهي “منشأة مستخدم” تابعة لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE). قاد هيلمز المجموعة التي ابتكرت (PDK) منذ أكثر من ثلاث سنوات ، كجزء من مشروع برنامج البحث والتطوير الموجه بالمختبر (LDRD) الذي يركز على إنشاء بديل بلاستيكي وظيفي للغاية.
كورين سكاون عالمة في منطقة تقنيات الطاقة في مختبر بيركلي ، ونائبة الرئيس لقسم دورة الحياة والاقتصاد والهندسة الزراعية في معهد الطاقة الحيوية المشترك (JBEI) – وهو مركز أبحاث الطاقة الحيوية التابع لوزارة الطاقة. يقود (Scown) ، وهو خبير في مجال التحليل الاقتصادي التقني ، تصميم وتطوير عمليات إنتاج وإعادة تدوير (PDK) على نطاق صناعي. من خلال نمذجة كيفية عمل هذه الأنظمة على نطاق واسع ، يحدد عملها الاختناقات المحتملة ويتنبأ بالتكلفة والأثر البيئي ، وبالتالي مساعدة علماء المواد على اختيار التقنيات الأكثر كفاءة واستدامة من مرحلة مبكرة.
قادة المشروع الآخرين هم جاي كيسلينج ، الرئيس التنفيذي لشركة (JBEI). وكريستين بيرسون ، مدير المسبك الجزيئي.
س. بريت ، من أين أتت الفكرة أو الإلهام لـ (PDK)؟
بريت: الطريقة التي تمارس بها الصناعة إعادة تدوير البوليمر آخذة في التغير. حاليًا ، يعتمد النهج على إعادة التدوير الميكانيكي حيث ، بعد الفرز والطحن ، يتم صهر نفايات البوليمر في مادة متجانسة تتدهور خصائصها على طول الطريق. في المستقبل ، من المتوقع أن تلعب إعادة التدوير الكيميائي دورًا أكبر ، حيث إنها تعطي الأولوية لاستعادة المواد عالية القيمة التي يمكن إعادة استخدامها في التصنيع. ومع ذلك ، مع تقنية إعادة التدوير الكيميائي الحالية ، يمكن إعادة تدوير عدد قليل جدًا من البوليمرات بكفاءة ، سواء كنا نقيس الكفاءة على أساس الطاقة المطلوبة ، أو كمية ثاني أكسيد الكربون المنبعثة ، أو كمية المواد الأصلية التي نسترجعها لتصنيع الراتينج الثانوي. كنا على دراية بهذه التحديات وتناولنا المشكلة من هذا المنظور. لقد حاولنا تصميم (PDKs) على أنها بوليمرات من الجيل التالي تتطلب كميات صغيرة فقط من الطاقة لإعادة تدويرها كيميائيًا إلى مونومراتها الأصلية ذات الإنتاجية العالية ، بحيث يمكن إعادة تدوير الكربون في (PDK) عبر دورات غير محدودة من إعادة التصنيع وإعادة الاستخدام.
س: كورين ، ما الذي جذبك إلى هذا العمل؟
كورين: لقد قمت بعمل في التحليل الاقتصادي التقني وتقييم دورة حياة الوقود الحيوي لسنوات حتى الآن ، وصدق أو لا تصدق ، البلاستيك ليس قفزة كبيرة. لقد كنا نستكشف المنتجات القائمة على أساس حيوي لبعض الوقت الآن ، وكانت البوليمرات الحيوية مثيرة للاهتمام بالفعل بالنسبة لنا لأننا نعلم أنه من الأهمية بمكان إيجاد بدائل متجددة لجميع المنتجات المختلفة التي نصنعها من برميل النفط النموذجي ، وليس الوقود فقط. شدني بريت وجاي عندما كانا يكتبان الاقتراح الخاص بهذا المشروع بالذات ، وقد تأثرت بوضوح الرؤية ومدى سرعة تكاملها معًا. فكرة البوليمر الذي يمكن إعادة تدويره إلى المونومرات ذات الجودة البكر مع الحد الأدنى من مدخلات الطاقة تحل الكثير من المشاكل المستعصية مع النفايات البلاستيكية.
س: بريت ، كيف دخلت في علم المواد؟ هل كان هناك دائمًا هدف لإنشاء مواد واعية بيئيًا ، أم هل بدأت بهدف آخر؟
بريت: أجريت بحثًا جامعيًا مع شندا بيكر في كلية هارفي مود ، حيث كنا ندرس فيزياء البوليمرات في الواجهات. في مرحلة ما ، أدركت أنني إذا أردت دراسة بوليمرات مثيرة للاهتمام ، فقد أحتاج إلى تعلم كيفية صنعها بنفسي. قدمني (Shenda) إلى (Craig Hawker) ، وقضيت وقتًا في تعلم تركيب البوليمر منه ومن إيفا هارث في مركز أبحاث (IBM Almaden). بعد أن شعرت بمزيد من الثقة في قدراتي على التوليف ، أصبحت مهتمًا بعد ذلك بتعلم كيفية تصميم الوظيفة في البوليمرات. هذا ما قادني إلى جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، حيث أجريت رسالة الدكتوراه. مع جان فريشيه ، الذي اشتهرت مجموعته بإبداعها في البوليمرات الوظيفية. لقد تعلمت أيضًا ، في بحثي بعد الدكتوراة مع بيرت ميجر ، في جامعة أيندهوفن للتكنولوجيا في هولندا ، كيف أن التفاعلات بين البوليمرات والمواد الأخرى تعتبر أساسية في وظيفتها.
لقد فتح العمل في مختبر وطني عينيّ حقًا على النطاق الذي تُحدث فيه المواد فرقًا في حياتنا ، وعلى نحو متزايد في استدامة خيارات حياتنا. آمل ، في عملنا مع إعادة التفكير في كيمياء البوليمرات للاقتصاد الدائري ، أن نقدم حلولًا إبداعية يمكن للجميع أن يشعروا بالإثارة والتعلم منها ، وأن يحفز الناس على العمل معنا لتقديم هذه الحلول إلى العالم ، بما يتماشى مع مهمتنا هنا في (Berkeley Lab).
س. كورين ، ربما يكون مصطلح “التحليل الاقتصادي التقني” جديدًا لكثير من الناس. كيف تشرح ما تفعله عندما يسأل غير العالم؟
كورين: التحليل الاقتصادي التقني ، أو اختصارًا (TEA) ، هو أحد تلك المصطلحات التي لم يتم استخدامها كثيرًا منذ عقد من الزمان وهي أكثر شيوعًا الآن. على المستوى الأساسي ، يتضمن (TEA) التصميم الهندسي وتحليل التدفق النقدي. عادة ما يكون التصميم الهندسي والمحاكاة هو الجزء الصعب. أنت تحصل على نتيجة رائعة حصل عليها شخص ما في المختبر وتحاول معرفة الشكل الذي ستبدو عليه منشأة على نطاق تجاري ، بما في ذلك كل شيء بدءًا من استرداد المذيبات إلى الحرارة وتوليد الطاقة وحتى معالجة النفايات. يتضمن هذا عادةً التفكير في أشياء لم يفكر فيها العلماء ويمكن أن يثير أسئلة مثيرة للاهتمام. على سبيل المثال ، أظهر (TEA) أن أحد المواد المتفاعلة في الكيمياء القائمة على الاكتشاف لتخليق (PDK) البكر – (N ، N’-dicyclohexylcarbodiimide (DCC)) – ثبت أنه مكلف للغاية ، كثيف الانبعاثات ، وأدى إلى توليد نفايات خطرة من هذه العملية. يمكنك القول أن (DCC) كان لديه هدف على ظهره بعد ذلك – تم تعيين فريق بريت على إيجاد طريقة لتقليل أو إلغاء استخدامه.
س. (كورين – بريت)، كثير من الناس يرتبكون بشأن إعادة تدوير البلاستيك. على سبيل المثال ، ما الذي يمكن إعادة تدويره مقابل ما هو غير قابل لإعادة التدوير؟ ماذا يحدث لها بعد وضعها في سلة المهملات؟ هل لديك أي نصيحة في الوقت الحالي ، قبل طرح علب (PDK) أو غيرها من المواد البلاستيكية القابلة لإعادة التدوير حقًا في السوق ، للأشخاص الذين يحاولون الانتباه إلى المواد الموجودة في حياتهم؟
كورين: لحسن الحظ ، حظيت قضية إعادة تدوير البلاستيك باهتمام كبير مؤخرًا وهناك قصص إخبارية رائعة يمكنك قراءتها أو مشاهدتها للحصول على تفاصيل دقيقة بشكل مدهش حول ما هو قابل لإعادة التدوير أو غير قابل لإعادة التدوير. أعتقد أن المفهوم الخاطئ الرئيسي هو أن علينا جميعًا واجب وضع أي شيء يحتوي على شعار إعادة التدوير الصغير في سلة إعادة التدوير. في الواقع ، هذا يعني فقط أن المرافق محدودة المساحة والسعة في أفضل الحالات قد تضطر إلى معالجة المزيد من المواد التي ستذهب في النهاية إلى مدافن النفايات.
أفضل شيء يمكنك القيام به هو تجنب توليد النفايات في المقام الأول ، عندما يكون ذلك ممكنًا. ومع ذلك ، في نهاية المطاف ، يجب أن نكون عمليين. الناس ، بمن فيهم أنا ، يريدون أن يفعلوا ما هو ملائم. عندما يكون لدي عنصر بلاستيكي أحتاج إلى التخلص منه ، أطرح على نفسي بضعة أسئلة أساسية: أولاً ، هل البلاستيك يحمل علامة # 1 (PET) أم # 2 (HDPE)؟ ، ثانيًا ، هل هو ثلاثي الأبعاد (غير مسطح)؟ إذا كانت الإجابة على أي من هذين السؤالين هي “لا” ، فأنا ألصقها في سلة المهملات.
الغالبية العظمى من البالات المختلطة # 3-7 ينتهي بها الأمر إلى مدافن النفايات ، وإذا حاولت إعادة تدوير الأشياء المسطحة – مثل الأغشية البلاستيكية والأظرف البلاستيكية – فهذه لديها فرصة جيدة في أن ينتهي بها الأمر كمواد ملوثة ذات قيمة عالية جدًا. بالة الورق أو الكرتون. إذا كانت بالات الألياف ملوثة جدًا ، فقد لا يتم قبولها. لذا فإن “تدوير الرغبات” ، كما يسمونه ، يمكن أن يكون له بعض النتائج السلبية الحقيقية للغاية.
بريت: لقد غيّر الوباء فهمنا لمقدار البلاستيك الذي نستخدمه ومدى صعوبة تقليله. بالعمل أكثر من المنزل ، نرى بالضبط مقدار النفايات التي ننتجها ، بينما عندما كنا في السابق نسافر بين العديد من الأماكن ، كانت نفاياتنا اليومية منتشرة عبر صناديق يفرغها الآخرون. في غياب أي نوع من اللوائح المتعلقة باستخدام البلاستيك ومسؤولية المنتج في نهاية العمر ، فإن أقوى تأثير قد يكون من خلال تسخير قوتنا الشرائية من خلال شراء المنتجات التي تحتوي على محتوى عالٍ بعد المستهلك أو مواد ذات مصادر حيوية ، أو مصنوعة من البوليمرات القابلة لإعادة التدوير بشكل كبير مثل (PET). وبالمثل ، يمكننا اتخاذ خيارات بعدم شراء المنتجات التي يصعب إعادة تدويرها – على سبيل المثال ، تلك المصنوعة من خليط من عدة أنواع من البلاستيك. من الصعب اتخاذ قرارات مستنيرة ، كما ذكرت كورين. هناك الكثير من “ركوب الأمنيات” الذي يحدث لأفضل منا. من السهل أن يتم خداعك للاعتقاد بأن شيئًا ما مستدام إذا كان عليه شعار إعادة التدوير في مكان ما. لعقود من الزمن ، تم قيادتنا بهذه الطريقة ، وسوف يستغرق الأمر وقتًا لإعادة توجيه تفكيرنا مع وضع إعادة الاستخدام المستدام في الاعتبار.
س: أخبرنا عن لمحة شخصية من العامين الماضيين!
بريت: لم أجرب أبدًا أي شيء مثل الاستجابة العامة لتقريرنا حول مواد (PDK) القابلة لإعادة التدوير بلا حدود. تم نشره على الإنترنت في يوم الأرض في عام 2019 ، عندما أصبح الوعي حول آثار النفايات البلاستيكية جزءًا من الوعي الجماعي العالمي. في غضون ساعات ، كان (Berkeley Lab) يرسل استفسارات من وسائل الإعلام ، مما أدى إلى مشاركة لمدة عام معهم لتوضيح مشكلة البلاستيك والحاجة الملحة لإيجاد حلول. كان من الواضح أيضًا أن هناك مجتمعًا متزايدًا من جميع أنحاء العالم ومن خلفيات مختلفة ، يركزون جميعًا على العمل معًا.
كورين: بالنسبة لي ، كانت زيارة مرافق إدارة النفايات بمثابة نقطة مضيئة حقيقية ، وهو شيء فاتني أثناء الوباء. في السنوات القليلة الماضية ، كنت في منشأة لاستعادة المواد (MRF) ، ومرفق تسميد ، والعديد من مرافق الهضم اللاهوائي. هناك شيء خاص حول الذهاب إلى هناك ورؤية الجهاز أثناء العمل ، ورؤية شكل كيس بلاستيكي بعد مروره بعملية الهضم أو عملية التسميد. في (MRF) ، يتحدثون عن الشركات التي تأخذ عبواتها الجديدة وترسلها عبر المنشأة كتجربة لمعرفة أين تنتهي. إنه عالم مختلف تمامًا ولا يتمكن معظم الناس من رؤيته.
س: ما الذي يثيرك أكثر بشأن مستقبل التعاون؟
كورين: كان هذا المشروع من أكثر التجارب إمتاعًا وإشباعًا في مسيرتي المهنية في (Berkeley Lab) حتى الآن. تعجبني فكرة البحث في تطبيق يكون منطقيًا لأجهزة (PDK) ، مثل قطع غيار السيارات أو الإلكترونيات ، ومعرفة كيفية تنفيذه عمليًا. إنه يدخل في جميع أنواع قضايا البنية التحتية المثيرة للاهتمام. السيارات لها نهاية عمر مختلفة تمامًا عن الإلكترونيات الاستهلاكية ، على سبيل المثال. هل نرغب في السماح لمنشآت التقطيع بتمزيق المركبات فقط ، واستعادة المعادن ، ثم معالجة المواد المختلطة لاستعادة (PDK) ، أم يجب أن نحاول سحب الأجزاء باستخدام (PDK) لإعادة التدوير مسبقًا؟ ما هي أجزاء السيارة الأكثر منطقية لـ (PDK)؟ لا أعرف إجابة هذه الأسئلة بعد ، لكني أريد معرفة الجواب. ليس لدي أدنى شك في أن بريت وجاي وكريستين يمكنهم معرفة كيفية الوصول إلى المواصفات الضرورية وضبط كل نوع من أنواع (PDK) بحيث يتم إزالة البلمرة في الظروف المناسبة تمامًا. الشيء المفضل لدي هو أخذ هذه النتائج الرائعة ومعرفة كيف يمكن أن تعمل على نطاق واسع.
بريت: لقد تعلمت الكثير من العمل مع هذا الفريق. هذا أحد تلك المشاريع حيث نكون معًا أكبر من مجموع أجزائنا. إنني أتطلع إلى فهم كيفية تصميم حزم (PDK) لتطبيقات معينة وتوسيع نطاقها. هذا هو المكان الذي كان فيه عملنا مع كورين ثاقباً للغاية. أتطلع أيضًا إلى العمل مع (Jay) و (Kristin) على صنع (PDKs) من المكونات الحيوية. هناك اهتمام متزايد بالبلاستيك الحيوي القابل لإعادة التدوير بدرجة كبيرة ، وتهدف جهود جاي وكريستين إلى توفير ميزة تنافسية لكل من الأداء وكفاءة إعادة التدوير. الطلاب وباحثو ما بعد الدكتوراة الذين يعملون في هذا المشروع مبدعون إلى ما لا نهاية ويعيدون الحياة إلى جميع الأفكار التي تأتي من مناقشاتنا.
يتم تمويل مشروع البلاستيك (PDK) الجاري من قبل مكتب تقنيات الطاقة الحيوية التابع لوزارة الطاقة الأمريكية وبرنامج مختبر بيركلي للبحث والتطوير الموجه للمختبرات (LDRD).
تقنية (PDK) متاحة للترخيص والتعاون. إذا كنت مهتمًا ، فيرجى الاتصال بمكتب الملكية الفكرية في (Berkeley Lab ، ipo@lbl.gov).
تأسس مختبر لورانس بيركلي الوطني وعلماؤه في عام 1931 على أساس الاعتقاد بأن أفضل التحديات العلمية التي تواجهها الفرق ، وقد حصلوا على 14 جائزة نوبل. اليوم ، يقوم باحثو (Berkeley Lab) بتطوير حلول الطاقة المستدامة والبيئة ، وإنشاء مواد جديدة مفيدة ، وتعزيز حدود الحوسبة ، والتحقيق في ألغاز الحياة والمادة والكون. يعتمد العلماء من جميع أنحاء العالم على مرافق المختبر لعلوم الاكتشاف الخاصة بهم. بيركلي لاب هو مختبر وطني متعدد البرامج ، تديره جامعة كاليفورنيا لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.
مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة هو أكبر داعم للأبحاث الأساسية في العلوم الفيزيائية في الولايات المتحدة ، ويعمل على معالجة بعض أكثر التحديات إلحاحًا في عصرنا. لمزيد من المعلومات ، يرجى زيارة (energy.gov/science).
المصدر:
https://newscenter.lbl.gov/2021/06/14/the-story-infinite-eco-plastic/