علوم المواد
اعتمادنا على البترول قد يتناقص ليس فقط من خلال السيارات الكهربائية، بل عبر البلاستيك المستدام
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
استخدام المحاصيل لإنتاج بلاستيك مستدام
عندما نفكر في النفط، يتبادر إلى أذهاننا أولًا وقود السيارات والسفن والطائرات. لكن المواد البتروكيميائية، التي يشكل جزء كبير منها بلاستيك أو مكوّنات لإنتاج البلاستيك، تمثل 12% من الطلب العالمي على النفط.
غالبًا ما يُنظر إلى استهلاك النفط بوصفه مصدرًا للتلوث بسبب انبعاثات الكربون، لكن الجسيمات البلاستيكية الدقيقة تثير أيضًا قلقًا متزايدًا. ويسهم إنتاج البلاستيك من النفط في انبعاث الكربون وانتشار هذه الجسيمات.
لذلك، فإن ظهور مواد بلاستيكية أكثر استدامة خبر سار.
طور الباحثون من المدرسة الاتحادية للفنون التطبيقية في لوزان (EPFL)، وجامعة العلوم التطبيقية والفنون في غرب سويسرا، وجامعة مانشستر، مصدرًا للبلاستيك المستدام من النفايات الزراعية.
وبصورة أدق، صنعوا بولياميدات مستدامة ذات بنية أساسية سكرية مشتقة من المخلفات الزراعية.
لماذا البولياميدات؟
يجب أن تتمتع منتجات بلاستيكية كثيرة، ومنها النايلون الذي ينتمي إلى عائلة البولياميدات، بمتانة عالية. ولتحقيق ذلك تعتمد على بنية كيميائية محددة تُعرف بالمجموعة العطرية.
تمنح هذه المجموعات العطرية البلاستيك الصلابة والقوة ومقاومة الحرارة العالية. إلا أن المقال يربطها أيضًا بصعوبة التحلل الحيوي وبالآثار السامة لبعض المواد البلاستيكية على البيئة.
المصدر: Master Organic Chemistry
ويرى الباحثون أن استخدام السكر العضوي بدلًا من المركبات العطرية في البولياميد قد يقلل سميته. ويعزز اعتماد بولياميد EPFL على سكر مستخرج من المخلفات الزراعية جانب الاستدامة في هذا الاكتشاف.
نوع جديد من البلاستيك
طور الباحثون عملية لا تحتاج إلى محفزات لتحويل ثنائي ميثيل غليوكسيلات الزيلوز، وهو سكر مثبت يُصنع مباشرة من الكتلة الحيوية مثل الخشب أو عرانيس الذرة، إلى بولياميدات عالية الجودة. وتتألف العملية من سلسلة خطوات، تبدأ بتسخين المادة إلى 140 درجة مئوية ثم إلى 250–260 درجة مئوية.
المصدر: Nature.com
كما اتسمت العملية بكفاءة مرتفعة، إذ بلغت الكفاءة الذرية 97%، ما يعني أن معظم ذرات المواد الأولية دخلت في تكوين البولياميدات الناتجة.
واختُبرت المادة الناتجة لتقييم خصائصها الكيميائية والفيزيائية.
وأظهرت مقاومة للحرارة تعادل مقاومة البولياميدات التقليدية المصنوعة من الوقود الأحفوري أو تتجاوزها. كما حققت نتائج جيدة في المتانة والمقاومة الميكانيكية، بما فيها مقاومة الشد.
المصدر: Nature.com
ومن القيود التي وجدها الباحثون أن المادة قد تتأثر بالتعرض لكميات كبيرة من الماء، ولذلك لا تصلح للغمر فيه. وقد تكون نفاذيتها للأكسجين والماء مرتفعة أكثر مما يلزم لاستخدامها في أغلفة الأغذية الرقيقة. ومع ذلك، تبقى لها تطبيقات محتملة كثيرة.
البلاستيك المستدام وقابلية الاستخدام الصناعي
قابلية المعالجة والتشكيل
من العوامل المهمة للتطبيقات الصناعية أيضًا «قابلية المعالجة»، أي سهولة تحويل المكونات البلاستيكية الخام إلى مواد ومنتجات مفيدة.
أثبت الباحثون إمكانية تشكيل مادتهم الجديدة بالحقن باستخدام مكبس، وكذلك بالبثق عالي القص بواسطة لولبين، وهما طريقتان شائعتان في صناعة البلاستيك.
المصدر: EPFL
واختبروا كذلك ملاءمتها للطباعة ثلاثية الأبعاد، ونجحوا في صنع غلاف لهاتف iPhone 11 باستخدام إعدادات حرارة مرتفعة.
المصدر: EPFL
إعادة التدوير
واختُبرت أيضًا إمكانية إعادة تدوير البولياميد الجديد، إذ أعيدت معالجته ثلاث مرات بالبثق عالي القص بواسطة لولبين.
وظلت خصائص الشد شبه متطابقة خلال الدورات الثلاث.
وازدادت شدة اللون قليلًا في كل دورة. لكن يمكن تجنب اللون البرتقالي تمامًا عند الحاجة بتعديل عملية الإنتاج، وتحديدًا بتحسين تنقية ثنائيات الأمين، ولذلك لا يُعد ذلك عائقًا كبيرًا.
وعمومًا، أظهرت إعادة التدوير الميكانيكية أداءً جيدًا يعادل أداء المواد البلاستيكية المتاحة حاليًا أو يفوقه.
وأخيرًا، بحث الفريق إمكانية إعادة التدوير الكيميائية عند نهاية العمر التشغيلي للبلاستيك. واعتمدت هذه العملية بدرجة كبيرة على أحماض قوية مثل حمض الكبريتيك، لكنها أظهرت إمكانية إعادة تدوير المادة بالكامل كيميائيًا.
بديل ذو تكلفة تنافسية
لكي تتبنى الصناعة هذا البلاستيك المستدام، من دون تغييرات تنظيمية تفرض ذلك، يجب أن يكون منافسًا من حيث التكلفة للمواد الكيميائية الراسخة المشتقة من الوقود الأحفوري.
يتراوح سعر النايلون 66، وهو أكثر أنواع البولياميد شيوعًا، عادة بين 3,000 و7,000 دولار للطن. ويُتوقع أن يقع سعر المادة الجديدة في نطاق مماثل، حتى بافتراض تكلفة مرتفعة نسبيًا للمواد الأولية.
وقد يؤدي استخدام مواد أولية أرخص، مثل عرانيس الذرة، إلى خفض التكلفة أكثر.
المصدر: Nature.com
وإلى جانب تنافسيتها السعرية، ترتبط المادة الجديدة بانبعاثات أقل بكثير من الكربون وغازات الدفيئة مقارنة بالمنتجات الموجودة في السوق، ولا سيما عند استخدام الزيلوز المستخرج من عرانيس الذرة بدلًا من الزيلوز التجاري.
البلاستيك المستدام – تقدم ضروري
نحتاج إلى أنواع جديدة من البلاستيك الحيوي، مثل النوع الذي تتناوله هذه الدراسة، لتقليل استهلاك الوقود الأحفوري.
ويمثل ذلك خطوة جديدة تتمثل في ابتكار جزيئات بلاستيكية ذات أداء مماثل أو أفضل، بدلًا من محاولة إعادة إنتاج المواد البلاستيكية التقليدية نفسها انطلاقًا من مصادر حيوية.
ومن المرجح أن استبدال المجموعات العطرية المشتقة من الوقود الأحفوري بالسكريات الحيوية ليس سوى البداية.
هذا النهج أصعب، لكنه يتيح أيضًا إنتاج مواد بلاستيكية جديدة ذات مزايا متعددة مقارنة بالمواد التقليدية:
- بصمة كربونية أقل.
- تلوث أقل.
- الاستفادة من المخلفات الزراعية وتحويلها إلى منتجات ذات قيمة.
- احتمال انخفاض التكاليف أو تحسين الخصائص الكيميائية.
وينبغي أن يشكل نجاح فريق EPFL وشركائه البحثيين نموذجًا لابتكارات أخرى تستخدم المواد الحيوية لإنتاج مواد كيميائية صناعية جديدة ومفيدة، بدلًا من الاكتفاء بمحاولة تقليد البلاستيك القائم بدقة باستخدام البنى الكيميائية الوفيرة في النفط.
