بازیافت پلی‌استایرن دورریز به مواد جاذب کربن

بشریت با انتشار دی‌اکسید کربن ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی، آسمان را آلوده کرده و آب‌وهوای سیاره را تغییر داده است. در همین حال، مقادیر عظیمی از کربن به شکل پلاستیک در محل‌های دفن زباله و محیط زیست رها می‌شود. چه می‌شد اگر حل یکی از این مشکلات می‌توانست به حل مشکل دیگر نیز کمک کند؟

یک مطالعه جدید به سرپرستی روث ابن‌باوئر در دانشگاه آرهوس، این ایده را با بازیافت پلی‌استایرن دورریز به بخشی از ماده‌ای که معمولاً در سیستم‌های جذب کربن استفاده می‌شود، آزمایش کرده است.

افزودن آمین‌ها: کلید جذب CO2

این ماده بر پایه آمین‌ها ساخته شده است؛ یک گروه شیمیایی ساده که به راحتی مانند اسفنج برای CO2 عمل می‌کند. آمین‌ها مولکول‌های CO2 را هنگام قرار گرفتن در معرض آن‌ها جذب می‌کنند، اما با حرارت دادن یا کاهش فشار، CO2 را آزاد می‌کنند و برای استفاده مجدد آماده می‌شوند. اولین «اسکرابرهای CO2» که در دودکش‌ها آزمایش شدند، از آمین‌های حل شده در آب استفاده می‌کردند، اما اکنون آمین‌های جامد در انواع سیستم‌های جذب کربن به کار می‌روند، زیرا به انرژی کمتری نیاز دارند. این مواد جامد که اغلب به صورت گرانول‌هایی شبیه کربن فعال در فیلتر آب ساخته می‌شوند، دارای سطح و تخلخل بالایی هستند، بنابراین آمین‌ها می‌توانند به طور کارآمد با مولکول‌های CO2 ترکیب شوند.

در حال حاضر، تمام این مواد از سوخت‌های فسیلی مشتق می‌شوند. دو جزء اصلی وجود دارد: خود گروه‌های آمین و ماده‌ای دیگر که ساختاری برای قرار گرفتن آن‌ها فراهم می‌کند. ایده تیم تحقیقاتی این بود که پلی‌استایرن می‌تواند گزینه مناسبی برای این جزء ساختاری باشد. پلی‌استایرن برای ساخت فوم، ظروف غذاخخوری یا قسمت شفاف قاب CD استفاده می‌شود. کمتر از 1 درصد آن در ایالات متحده بازیافت می‌شود، در حالی که اروپا کمی بهتر عمل کرده و 10 درصد را بازیافت می‌کند.

فرآیند بازیافت و آزمایش‌ها

فرآیند بازیافت شامل دو مرحله شیمیایی است. مرحله اول، با استفاده از طلا به عنوان کاتالیزور، اتم‌های برم را به حلقه‌های آروماتیک در پلی‌استایرن متصل می‌کند. مرحله دوم، فرم دو کربنه آمین (یک ماده رایج در طیف وسیعی از محصولات) و کاتالیزور مس را معرفی می‌کند که گروه‌های آمین را جایگزین اتم‌های برم می‌کند.

برخی از گروه‌های آمین به صورت منفرد باقی می‌مانند، در حالی که برخی دیگر به یکدیگر متصل می‌شوند تا به ایجاد تخلخل در ماده جامد کمک کنند.

محققان این فرآیند را با چند شی پلاستیکی، از جمله فوم، بسته‌بندی مواد غذایی، چنگال، قاب CD و صفحه پایه لگو (که جزء شیمیایی دیگری دارد) آزمایش کردند. آن‌ها دریافتند که ماده تولید شده در چرخه جذب کربن، هم در غلظت بسیار بالای CO2 دودکش و هم در غلظت پایین‌تر هوای محیط، عملکرد خوبی از خود نشان می‌دهد.

تنظیم دقیق و بهبود خواص

محققان همچنین دریافتند که می‌توانند خواص ماده را در طول فرآیند کنترل کنند. آن‌ها می‌توانستند محتوای آمین را افزایش یا کاهش دهند و همچنین نسبت آمین‌هایی را که به جای جذب CO2، پیوندهای ایجاد کننده تخلخل را تشکیل می‌دهند، تنظیم کنند.

از آنجایی که ماده اولیه حاوی آمین که آن‌ها استفاده کردند، در نهایت از سوخت‌های فسیلی مشتق شده بود، آن‌ها همچنین آزمایش کردند که چند نوع دیگر از مواد مصنوعی را به جای آن به آمین تبدیل کنند. تحقیقات قبلی مسیرهایی را برای انجام این کار نشان داده است، اما این مسیرها اشکال کمی پیچیده‌تری از آمین‌ها را به دست می‌دهند که ممکن است به اندازه کافی واکنش‌پذیر نباشند.

در این مورد، آن‌ها از این آمین‌ها در یک واکنش بازیافت بر روی مواد تشک فوم اورتان و تزئینات ساختمانی استفاده کردند. این کار موفقیت‌آمیز بود و ماده جذب کربن را به طور کامل از زباله تولید کرد، اما گروه‌های آمین بزرگ‌تر ساخته شده از زباله عملکرد خوبی نداشتند. ظرفیت جذب CO2 آن‌ها کمتر بود و نتوانستند CO2 را از هوای محیط جذب کنند.

با این حال، پلی‌استایرن همچنان به تعهد خود عمل کرد و یک طرح انعطاف‌پذیر در اینجا وجود دارد. با منبع و فرآیند مناسب برای آمین‌ها، مواد جذب کربن می‌توانند به طور کامل از سیل پلاستیک‌هایی که وارد محل‌های دفن زباله می‌شوند، تولید شوند. و حتی اگر تنها نیمی از آن از پلاستیک‌ها تولید شود، باز هم پیشرفت خواهد بود. این می‌تواند هم بازاری برای تغییر مسیر بخشی از زباله‌های پلاستیکی فراهم کند و هم از نظر فنی ردپای کربن جذب کربن را کاهش دهد (اگرچه بخش عمده ردپای آن، انرژی مورد نیاز برای اجرای فرآیند است).

جذب کربن مجوزی برای ادامه استفاده از سوخت‌های فسیلی نیست. این یک اقدام اضافی است که می‌توانیم برای مهار سریع‌تر CO2 اتمسفر انجام دهیم. و هر چه این فرآیند پایدارتر باشد، بهتر است.