Un po’ di misto plastica di consumo buttati via o gettati nei contenitori della raccolta differenziata finiscono effettivamente per essere riciclati. Quasi il 90% viene sepolto nelle discariche o incenerito in strutture commerciali che generano gas serra e tossine presenti nell’aria. Nessuno dei due risultati è ideale per l’ambiente.
L’organocatalizzatore di ORNL decostruisce la plastica mista a diverse temperature, facilitando il recupero dei singoli monomeri separatamente, in forma riutilizzabile. Crediti: Jill Hemman/ORNL, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
Perché non viene riciclata una maggiore quantità di plastica mista? Di solito è più semplice e meno costoso realizzare nuovi prodotti in plastica piuttosto che recuperare, differenziare e riciclare quelli usati. Il riciclaggio convenzionale della plastica mista significava in precedenza la separazione manuale o meccanica della plastica in base ai polimeri costituenti.
Per affrontare il problema, gli scienziati dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia hanno utilizzato una progettazione chimica attentamente pianificata, la diffusione dei neutroni e il calcolo ad alte prestazioni per contribuire a sviluppare un nuovo processo di riciclaggio catalitico.
Il catalizzatore decostruisce selettivamente e sequenzialmente più polimeri nella plastica mista in monomeri puri, molecole che reagiscono con altre molecole monomeriche per formare un polimero. Il processo offre una strategia promettente per combattere i rifiuti di plastica a livello globale, come bottiglie, imballaggi, schiume e tappeti.
L’analisi dei ricercatori, pubblicata su Orizzonti dei materiali, rispetto all’utilizzo del nuovo catalizzatore multiuso rispetto all’utilizzo di catalizzatori individuali per ciascun tipo di plastica. Il nuovo catalizzatore genererebbe fino al 95% in meno di gas serra, richiederebbe fino al 94% in meno di input energetico e comporterebbe una riduzione fino al 96% del consumo di combustibili fossili.
“Il nostro approccio prevede un organocatalizzatore sintetico su misura, un composto composto da piccole molecole organiche che facilitano le trasformazioni chimiche organiche. L’organocatalizzatore può convertire lotti di rifiuti plastici misti in preziosi monomeri da riutilizzare nella produzione di plastica di livello commerciale e altri materiali di valore”, ha affermato Tomonori Saito, chimico di polimeri sintetici dell’ORNL e autore corrispondente.
“Questo processo chimico eccezionalmente efficiente può aiutare a chiudere il ciclo del riciclaggio della plastica mista sostituendo i monomeri di primo utilizzo con monomeri riciclati.
“Oggi, quasi tutta la plastica è prodotta da combustibili fossili utilizzando monomeri di primo utilizzo realizzati mediante processi ad alta intensità energetica. L’istituzione di questo tipo di riciclaggio a circuito chiuso, se utilizzato a livello globale, potrebbe ridurre il consumo energetico annuo di circa 3,5 miliardi di barili di petrolio”, ha aggiunto Saito.
Una soluzione di riciclo per oltre il 30% di tutta la plastica
Il nuovo organocatalizzatore ha dimostrato di decostruire in modo efficiente e rapido più polimeri, in circa due ore. Tali polimeri includono quelli utilizzati in materiali come occhiali di sicurezza (policarbonati), schiume (poliuretani), bottiglie d’acqua (polietilene tereftalati) e corde o reti da pesca (poliammidi), che insieme costituiscono oltre il 30% della produzione globale di plastica. Finora non è stato dimostrato che un singolo catalizzatore sia efficace su tutti e quattro questi polimeri.
Il processo offre numerosi vantaggi ambientali sostituendo le sostanze chimiche aggressive per la decostruzione dei polimeri, oltre a offrire buona selettività, stabilità termica, non volatilità e bassa infiammabilità. La sua efficacia contro più polimeri lo rende utile anche per decostruire le crescenti quantità di plastica multicomponente, come compositi e imballaggi multistrato.
La diffusione di neutroni a piccolo angolo presso la sorgente di neutroni a spallazione dell’ORNL è stata utilizzata per contribuire a confermare la formazione di monomeri destrutturati dai rifiuti di plastica. Il metodo disperde i neutroni a piccoli angoli per caratterizzare la struttura a diversi livelli di dettaglio, dai nanometri alle frazioni di micrometro.
Conversione di polimeri plastici misti in vera plastica riciclata
L’organocatalizzatore decostruisce la plastica a diverse temperature, il che facilita il recupero sequenziale dei singoli monomeri separatamente, in forma riutilizzabile. I policarbonati si destrutturano a 130 C (266 F), i poliuretani a 160 C (320 F), i polietilentereftalati a 180 C (356 F) e le poliammidi a 210 C (410 F).
Altre plastiche, additivi e materiali associati come cotone e sacchetti di plastica vengono lasciati intatti a causa delle differenze nella loro reattività e possono successivamente essere recuperati.
“I monomeri destrutturati e l’organocatalizzatore sono solubili in acqua, quindi possiamo trasferirli nell’acqua, dove eventuali impurità come i pigmenti possono essere rimosse mediante filtrazione”, ha affermato il dottor Arifuzzaman, autore principale dello studio ed ex chimico organico sintetico post-dottorato presso l’ORNL. Ora è Innovation Crossroads Fellow e CEO e fondatore della società Re-Du.
“I monomeri quasi puri vengono quindi estratti, lasciando il catalizzatore, che viene quasi interamente recuperato facendo evaporare l’acqua e può essere riutilizzato direttamente per molteplici cicli di decostruzione”.
Lo studio ha coinvolto ricercatori della Divisione di Scienze Chimiche e del Centro per le Scienze dei Materiali in Nanofase dell’ORNL all’interno della Direzione delle Scienze Fisiche, della Direzione delle Scienze dei Neutroni e del Dipartimento di Ingegneria Chimica dell’Università della Virginia, Charlottesville. Questa ricerca è stata sostenuta dal Dipartimento dell’Energia, dall’Ufficio della Scienza, dalle Scienze Energetiche di Base, dalle Scienze dei Materiali e dalla Divisione di Ingegneria degli Stati Uniti.
CNMS e SNS sono strutture utente del Dipartimento dell’Energia e dell’Ufficio Scientifico. L’UT-Battelle gestisce l’ORNL per l’Office of Science del DOE, il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti. L’Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni per favore visita Energy.gov/science.
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