Molte persone hanno familiarità con le immagini inquietanti della fauna selvatica, tra cui tartarughe marine, delfini e foche, impigliate nelle reti da pesca abbandonate.
Il problema principale dietro il Nylon-6, la plastica all’interno di queste reti, tappeti e indumenti, è che è troppo resistente e durevole per rompersi da solo. Quindi, una volta nell'ambiente, persiste per migliaia di anni, sporcando i corsi d'acqua, rompendo i coralli e strangolando gli uccelli e la vita marina.
Ora, i chimici della Northwestern University hanno sviluppato un nuovo catalizzatore che scompone il Nylon-6 in modo rapido, pulito e completo in pochi minuti, senza generare sottoprodotti dannosi. Ancora meglio:il processo non richiede solventi tossici, materiali costosi o condizioni estreme, rendendolo pratico per le applicazioni quotidiane.
Questo nuovo catalizzatore non solo potrebbe svolgere un ruolo importante nel risanamento ambientale, ma potrebbe anche compiere il primo passo nel riciclo dei rifiuti di nylon-6 in prodotti di valore superiore.
La ricerca è stata pubblicata giovedì (30 novembre) sulla rivista Chem .
"Il mondo intero è consapevole del problema della plastica", ha affermato Tobin Marks della Northwestern, autore senior dello studio. "La plastica fa parte della nostra società; ne usiamo moltissima. Ma il problema è:cosa facciamo quando l'abbiamo esaurita? Idealmente, non la bruceremmo né la metteremmo in discarica. La ricicliamo". Stiamo sviluppando catalizzatori che decostruiscono questi polimeri, riportandoli alla loro forma originale, in modo che possano essere riutilizzati."
Marks è professore di chimica Charles E. ed Emma H. Morrison e professore di chimica catalitica Vladimir N. Ipatieff presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern e professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la McCormick School of Engineering della Northwestern.
È anche affiliato di facoltà presso l'Istituto Paula M. Trienens per la sostenibilità e l'energia. I coautori della Northwestern includono Linda J. Broadbelt, Sarah Rebecca Roland, professoressa di ingegneria chimica e biologica e preside associato senior di McCormick, e Yosi Kratish, un professore assistente di ricerca nel gruppo di Marks.
Una difficoltà mortale
Dai vestiti, ai tappeti, alle cinture di sicurezza, il Nylon-6 si trova in una varietà di materiali che la maggior parte delle persone utilizza ogni giorno. Ma, quando le persone hanno finito con questi materiali, finiscono nelle discariche o, peggio ancora, dispersi nell’ambiente, compreso l’oceano. Secondo la World Wildlife Federation, ogni anno vengono abbandonati nell'oceano fino a 1 milione di chili di attrezzi da pesca, con reti da pesca composte da nylon-6 che costituiscono almeno il 46% del Great Pacific Garbage Patch.
"Le reti da pesca perdono qualità dopo un paio d'anni di utilizzo", ha affermato Liwei Ye, il primo autore principale dell'articolo e ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Marks. "Diventano così impregnati d'acqua che è difficile tirarli fuori dall'oceano. E sono così economici da sostituire che la gente li lascia semplicemente in acqua e ne compra di nuovi."
"C'è molta spazzatura nell'oceano", ha aggiunto Marks. "Il cartone e i rifiuti alimentari si biodegradano. I metalli affondano sul fondo. Poi rimane la plastica."
Gli attuali metodi per smaltire il Nylon-6 si limitano al semplice seppellirlo nelle discariche. Quando il nylon-6 viene bruciato, emette inquinanti tossici come gli ossidi di azoto, che sono collegati a varie complicazioni per la salute, tra cui la morte prematura, o anidride carbonica, un gas serra notoriamente potente.
Sebbene altri laboratori abbiano esplorato catalizzatori per degradare il Nylon-6, tali catalizzatori richiedono condizioni estreme (come temperature fino a 350° Celsius), vapore ad alta pressione (che è energeticamente costoso e inefficiente) e/o solventi tossici che contribuiscono solo a più inquinamento.
"Puoi sciogliere la plastica nell'acido, ma poi ti ritroverai con acqua sporca", ha detto Marks. "Cosa ne fai? L'obiettivo è sempre quello di utilizzare un solvente ecologico. E quale tipo di solvente è più ecologico dell'assenza totale di solvente?"
Recuperare gli elementi costitutivi per l'upcycling
Per aggirare questi problemi, i ricercatori hanno cercato un nuovo catalizzatore già sviluppato nel laboratorio di Marks. Il catalizzatore sfrutta l'ittrio (un metallo economico abbondante sulla Terra) e gli ioni lantanidi. Quando il team ha riscaldato i campioni di nylon-6 a temperature di fusione e ha applicato il catalizzatore senza solvente, la plastica si è disgregata, tornando ai suoi elementi costitutivi originali senza lasciare sottoprodotti.
"Puoi pensare a un polimero come una collana o un filo di perle", ha spiegato Marks. "In questa analogia, ogni perla è un monomero. Questi monomeri sono gli elementi costitutivi. Abbiamo ideato un modo per scomporre la collana e recuperare quelle perle."
Negli esperimenti, Marks e il suo team sono riusciti a recuperare il 99% dei monomeri originali della plastica. In linea di principio, questi monomeri potrebbero poi essere riciclati in prodotti di valore superiore, che sono attualmente molto richiesti per la loro resistenza e durata.
"Il nylon riciclato vale in realtà più denaro del nylon normale", ha detto Marks. "Molti marchi di moda di fascia alta utilizzano nylon riciclato nei vestiti."
Oltre a recuperare un'elevata resa di monomeri, il catalizzatore è altamente selettivo, agendo solo sui polimeri Nylon-6 senza alterare i materiali circostanti. Ciò significa che l'industria potrebbe applicare il catalizzatore a grandi volumi di rifiuti indifferenziati e colpire selettivamente il nylon-6.
"Se non si dispone di un catalizzatore selettivo, come si fa a separare il nylon dal resto dei rifiuti?" Ha detto Marks. "Dovresti assumere persone per smistare tutti i rifiuti e rimuovere il nylon. È estremamente costoso e inefficiente. Ma se il catalizzatore si limita a degradare il nylon e lascia dietro di sé tutto il resto, è incredibilmente efficiente."
Il riciclo di questi monomeri evita inoltre la necessità di produrre più plastica da zero.
"Questi monomeri sono prodotti dal petrolio greggio, quindi hanno un'enorme impronta di carbonio", ha detto Ye. "Questo non è sostenibile."
Dopo aver depositato un brevetto per il nuovo processo, Marks e il suo team hanno già ricevuto l'interesse di potenziali partner industriali. Sperano che altri possano utilizzare i loro catalizzatori su larga scala per contribuire a risolvere il problema globale della plastica.
"La nostra ricerca rappresenta un significativo passo avanti nel campo del riciclaggio dei polimeri e della gestione sostenibile dei materiali", ha affermato Ye. "L'approccio innovativo affronta una lacuna critica nelle attuali tecnologie di riciclaggio, offrendo una soluzione pratica ed efficiente al problema dei rifiuti di nylon. Riteniamo che abbia implicazioni per ridurre l'impronta ambientale della plastica e contribuire a un'economia circolare."
Ulteriori informazioni: Design catalizzatore con legante metallico per la depolimerizzazione rapida, selettiva e senza solventi di plastiche in nylon-6, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.10.022. www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(23)00548-X
Informazioni sul giornale: Chimica
Fornito dalla Northwestern University
