آپ سایکلینگ پلاستیک به نانومتریال کربن

مروری بر آپ سایکلینگ پلاستیک ها به نانومتریال کربن

امروزه، تولید و استفاده از پلیمر رو به افزایش است و استانداردهای زندگی روزمره را تا حد زیادی بهبود بخشیده است. با این حال، پلیمرها به دلیل ماهیت پایدار و غیرقابل تجزیه پس از مصرف محیط زیست و اکوسیستم را تهدید می کنند. در حال حاضر، نه تنها برای مهار تولید ضایعات پلیمری؛ بلکه برای یافتن راهکارهایی به منظور استفاده مداوم از آنها تلاش می شود. صرف نظر از بازیافت مکانیکی که پلیمرها را پس از مصرف به محصولات پلیمری جدید تبدیل می کند، و یا بازیافت حرارتی که انرژی حرارتی موجود در ضایعات پلاستیکی را از طریق احتراق آزاد می کند؛ بازیافت شیمیایی ضایعات پلیمر را به مواد اولیه به منظور تولید محصولا شیمیایی، مواد یا سوخت تبدیل می کند. این مقاله به بررسی مقاله قبلی در مورد کاربرد خاصِ بازیافت شیمیایی می پردازد که پلیمرها را به نانومتریال کربنی تبدیل می کند. این مواد از خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد، و عملکرد بالقوۀ فوق العاده برخوردار هستند. با این حال، فرایندهای تولید آنها به انرژی و منابع زیادی نیاز دارد. برهمین اساس، با بهره گیری از کربن بالای موجود در پلیمرهای ضایعاتی و همچنین انرژی بالای آنها می توان به تولید نانومتریال کربنی مقرون به صرفه، زیست سازگار و خود پایدار دست یافت.

مروری بر ضایعات پلاستیکی

در طی 50 سال گذشته، تولید مواد مصنوعی غیرقابل تجزیه مانند پلاستیک افزایش روافزونی داشته است. پلاستیک ها کاربرد گسترده ای در حوزه های مختلف همچون صنایع بسته بندی، ساختمان، حمل و نقل و خودروسازی، قطعات الکتریکی و الکترونیکی دارند اما محدود به این مواد هم نیستند. همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، تولید جهانی پلاستیک در سال 2011 به رکورد بالای 280 میلیون تن در سال رسید؛ به طوری که تقریبآ دو سوم آن به چین (23 درصد)، اتحادیه اروپا (21 درصد)، ایالات متحده (16 درصد) و ژاپن (5 درصد) اختصاص داشت.

شکل 1:

با این حال، بیش از 25، 31، 28 و 9 میلیون تن زباله پلاستیکی به ترتیب در اروپا، امریکا، چین و ژاپن تولید می شود.

مدیریت زباله های پلاستیکی؛ روش های بازیافت رایج

از آنجا که بیشتر پلیمرها به صورت انبوه و با قیمت پایین تولید می شوند، پس از استفاده به راحتی دور انداخته می شوند. مدیریت زباله برای به حداقل رساندن حجم زباله های پلاستیکی و کاهش اثرات زیست محیطی آنها بسیار ضروری است و به طور معمول کاهش حجم زباله، بازیافت (مکانیکی، شیمیایی و حرارتی) و همچنین دفن زباله بعنوان راه حلی رایج در نظر گرفته می شوند. با این حال، محدودیت هایی برای دفن زباله وجود دارد که می توان به کاهش فضای موجود برای انجام این کار و آلودگی زمین و آب اشاره کرد. برای مثال، انباشت زباله های پلاستیکی در چرخاب نیمه گرمسیری اقیانوس اطلس (آتلانتیک) شمالی و لکه بزرگ اقیانوس آرام را در نظر بگیرید؛ جایی که میزان زباله های غیرقابل تجزیه (مانند پلاستیک و لاستیک) به بیش از 100 برابر در 40 سال گذشته رسیده است. بنابراین، بازیافت و استفاده مجدد از آنها نه تنها مطلوب است، بلکه این نوع اثرات زیست محیطی را نیز به حداقل می رساند. بازیافت به جمع آوری ضایعات، پردازش یا تبدیل آنها (از لحاظ بیولوژیکی، مکانیکی، شیمیایی و یا حرارتی) به محصولات جدید، و بازاریابی آنها گفته می شود. علاوه براین، بازیافت بیوتکنولوژیکی در حضور میکروارگانیسم هایی مانند باکتری ها، قارچ ها و آنزیم ها برای تجزیه پلاستیک صورت می گیرد؛ در حالی که بازیافت مکانیکی، شیمیایی و حرارتی مبتنی بر فعالیت های انسانی است. در جدول زیر، اصطلاحات و تعاریف مرتبط با بازیافت های مبتنی بر فعالیت های انسانی در کشورهای مختلف ارائه شده است.

جدول 1:

بازیافت مکانیکی ضایعات پلاستیکی (عمدتآ ترموپلاستیک ها مانند PET، PP و PE) را به مواد خام ثانویه (که اصطلاحآ بازیافت نامیده می شود) برای تولید پلاستیک معمولی تبدیل می کند. در این بازیافت هیچ تغییر قابل توجهی در ساختار شیمیایی مواد رخ نمی دهد. این فرایند با جمع آوری ضایعات آغاز شده و سپس شناسایی، مرتب سازی، آسیاب، شستشو، خشک کردن، جداسازی، تجمع، اکسترود/ ترکیب و در نهایت پلیتزینگ صورت می گیرد. بازیافت شیمیایی (یا مواد اولیه) تا حد زیادی برخی از پلاستیک ها را بعنوان مونومرهای شان یا قطعات هیدروکربنی تبدیل می کند که می توانند بعنوان ماده اولیه برای پلیمریزاسیون یا در سایر فرایندهای شیمیایی مورد استفاده قرار گیرند. بازیافت حرارتی از میزان انرژی موجود در ضایعات پلاستیکی بهره می برد (چون آنها در طبیعت به صورت هیدروکربن هستند و در ادامه مورد بحث قرار خواهند گرفت) و انرژی را ازطریق فرایندهای حرارتی بازیابی می کنند (که اغلب زباله سوزی یا تبدیل زباله به انرژی نامیده می شود). بازیافت امکان جایگزینی مواد خام را پس از مصرف فراهم می کند که در غیر این صورت، از منابع طبیعی کاملآ کمیاب مانند فلزات یا نفت حاصل می شود. با این حال، بازیافت یکی از روش های محبوب در سلسله مراتب مدیریت پسماند است. نرخ بازیافت جهانی هنوز از لحاظ اقتصادی و زیست محیطی چندان بالا نیست و حتی براساس مناطق جغرافیایی نیز ممکن است متفاوت باشد. نرخ بازیافت در ژاپن بالاترین (78 درصد)، اتحادیه اروپا (5 درصد) و چین 48 درصد است؛ در حالی که این رقم در ایالات متحده 8 درصد است. بازیافت حرارتی (بازیافت انرژی) و بازیافت مکانیکی رایج ترین روش های بازیافت امروزی هستند، در حالی که بازیافت شیمیایی (مواد اولیه) به طور قابل ملاحظه ای فقط در کشورهای محدودی مانند ژاپن مورد استفاده قرار می گیرد.

عوامل متعددی وجود دارد که مشترکآ منجر به کاهش نرخ بازیافت می شوند من جمله عدم دسترسی به امکانات بازیافتی؛ دشوار بودن شناسایی، جدا سازی و شستشو زباله؛ انطباق محدود شهرداری، مصرف کننده و بازارهای محدود برای پلاستیک های بازیافتی؛ آگاهی عمومی، قوانین دولتی. امروزه پیشرفت های فناوری تا حدودی این مشکل را حل کرده است. بنابراین، بازیافت ممکن است به خودی خود بعنوان یک راه حل پایدار تلقی نشود؛ به ویژه با در نظر گرفتن این که چنین تلاش هایی اساسآ تحت تأثیر اقتصاد قرار دارند، بازار بازیافت چرخه ای است و به قدرت و دوام اقتصادی بستگی دارد.

تبدیل زباله های پلاستیکی به CNT ها با ارزش بالا در واقع یک راه حل پایدار با آیندۀ روشن است زیرا امکان تبدیل محصولات را پس از مصرف به محصولات دیگری با ارزش افزوده فراهم کرده و به کاهش حجم زباله های جامد در محیط زیست کمک می کند. تحقق این امر یک مفهوم چند رشته ای است. مشارکت بین علوم بنیادی، توسعه مهندسی و غیره برای ادغام چنین فرایندی با روش های تولید موجود ضرورت دارد. دانش و تجربه صنعتی در مورد تأسیسات موجود مانند تجهیزات بازیافت، تبدیل به گاز/ پیرولیز و همچنین کرکینگ کاتالیزوری سیال و کارخانجات هیدروکرکینگ می تواند کارآمد و کاربردی باشد.