Due diverse plastiche PDK in soluzione acida, che dimostrano come ogni polimero si scomponga facilmente in singoli monomeri in diversi passaggi condotti a diverse temperature, il che consente il riciclaggio completo di entrambe le materie plastiche. Credito:Jérémy Demarteau/Berkeley Lab
Gli scienziati hanno progettato un nuovo sistema di materiali per superare una delle maggiori sfide nel riciclaggio dei prodotti di consumo:il riciclaggio misto di plastica. Il loro risultato contribuirà a consentire una gamma molto più ampia di prodotti in plastica completamente riciclabili e porterà a un'economia circolare efficiente per beni durevoli come le automobili.
Generiamo quantità sbalorditive di plastica e prodotti contenenti plastica ogni anno, ma solo una piccola parte di quella plastica può essere recuperata e utilizzata per fabbricare prodotti di qualità simile. Questo perché la maggior parte dei prodotti, dalle pellicole per imballaggi alimentari e borse monouso alle scarpe da ginnastica e all'elettronica, sono realizzati con miscele di diverse plastiche e, una volta mescolate, quelle plastiche non possono essere recuperate e utilizzate per creare nuove borse o scarpe da ginnastica. Invece, la maggior parte finisce nelle discariche, negli inceneritori o negli oceani.
Un team di scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) sta affrontando la sfida della plastica mista utilizzando un materiale progettato su misura chiamato polidiketoenammina (PDK), un nuovo tipo di plastica che hanno sviluppato per essere riciclato in modo efficiente e indefinito, fornendo un basso soluzione di produzione del carbonio per prodotti in plastica che non devono mai finire in una discarica.
In un nuovo studio apparso su Science Advances , il team ha dimostrato di essere in grado di creare PDK personalizzati su misura per il riciclaggio di plastica mista e di recuperare completamente la plastica costituente da un prodotto misto composto da più PDK e altri materiali di produzione comuni. Brett Helms, della Molecular Foundry di Berkeley Lab, ha guidato il team multidisciplinare, che comprendeva anche ricercatori del Joint BioEnergy Institute (JBEI) e Advanced Light Source di Berkeley Lab, tra gli altri. Il lavoro è un'importante convalida di un materiale promettente e approfondisce la nostra conoscenza della chimica dei polimeri.
"Ora sappiamo come personalizzare la plastica PDK per riciclare prodotti complessi comprendenti diversi tipi di materiali", ha affermato Helms. "Un esempio potrebbe essere una scarpa, in cui un tessuto è legato a una gomma da un adesivo. I materiali convenzionali utilizzati in tali prodotti non possono essere riciclati per il riutilizzo, poiché non possono essere smontati in modo indipendente. Tuttavia, se fossero realizzati con polimeri PDK diversi e appositamente progettati, potrebbero esserlo per la prima volta."
Creazione di un materiale di design
I PDK e altre materie plastiche sono noti come polimeri, materiali in cui le molecole costituenti sono lunghe catene di piccole unità ripetute note come monomeri. Per questo lavoro, i ricercatori hanno iniziato realizzando una varietà di PDK con strutture chimiche leggermente diverse e hanno dimostrato che ciascuno poteva essere "depolimerizzato" o scomposto nei rispettivi monomeri con elevate rese di recupero. Questo è essenzialmente il processo di riciclaggio della plastica, poiché i monomeri recuperati possono quindi essere utilizzati per creare un nuovo lotto di PDK.
Il team ha scoperto che ogni PDK si depolimerizza a una temperatura e una velocità diverse. Per comprendere meglio queste proprietà, hanno utilizzato calcoli teorici e modelli computazionali (teoria del funzionale della densità) per simulare i diversi polimeri ed esplorare come si formano e si depolimerizzano. Utilizzando queste conoscenze teoriche, il team ha identificato le migliori molecole PDK per il lavoro e ne ha ulteriormente ottimizzato il design.
"Un aspetto particolarmente interessante di questo lavoro è stata la stretta integrazione tra esperimenti e calcoli", ha affermato il direttore della fonderia molecolare Kristin Persson, che ha guidato il lavoro teorico. "Scoprindo il meccanismo alla base della circolarità, siamo stati in grado di progettare nuovi polimeri che conservano la riciclabilità. Siamo entusiasti che queste intuizioni di progettazione informeranno il lavoro futuro".
"È attraverso quelle interazioni tra teoria ed esperimento che costruiamo la conoscenza e la struttura per stabilire le regole di progettazione che regolano la reattività dei polimeri", ha affermato Helms. "Avremmo solo osservazioni altrimenti, piuttosto che una spiegazione."
Plastica mista? Nessun problema
Utilizzando queste molecole ottimizzate, i ricercatori hanno dimostrato il successo del loro sistema di materiali creando plastiche miste, ciascuna composta da due diversi PDK, quindi depolimerizzando completamente e recuperando i materiali costituenti. Hanno ripetuto la dimostrazione con PDK di diversi colori, affrontando una particolare sfida del settore, e hanno dimostrato che con un processo leggermente più complesso potevano recuperare ancora una volta i monomeri PDK con rese elevate.
Il team ha anche mostrato come PDK può essere utilizzato per realizzare imballaggi in plastica riciclabili e flessibili con la plastica convenzionale. Hanno formato un film multistrato di plastica comune - polipropilene (PP) e polietilene tereftalato (PET) - utilizzando uno "strato di collegamento" di PDK per legarli insieme. Normalmente il PP e il PET non potevano essere estratti da un materiale multistrato, ma qui i ricercatori hanno sfruttato il loro controllo sullo strato di PDK per separare e recuperare anche i film di PP e PET.
In una dimostrazione finale del loro potente approccio, i ricercatori hanno costruito un oggetto da un mix di diversi PDK insieme a vetro e acciaio inossidabile, per simulare le sfide del riciclaggio delle automobili, e hanno ripetuto il processo di riciclaggio, dimostrando il recupero ad alto rendimento del I monomeri PDK così come il vetro e il metallo. Questi risultati potrebbero portare a un cambiamento significativo nel modo in cui ci avviciniamo alla produzione di beni durevoli, consentendo un'economia circolare in cui i prodotti sono progettati per essere completamente recuperati e riutilizzati.
"I prodotti di consumo complessi semplicemente non vengono riciclati oggi; vengono inceneriti, messi in discarica o riciclati", ha affermato Helms. "Qui abbiamo gettato le basi per come riciclare tali prodotti riportandoli ai loro elementi costitutivi monomerici originali, facilitando il recupero dei materiali ad essi legati per il riutilizzo, inclusi metalli preziosi o vetro. In questo modo, i materiali PDK apportano maggiore circolarità alla produzione con intensità di carbonio intrinsecamente bassa." + Esplora ulteriormente
