إعادة توظيف البلاستيك تصبح أسهل بمساعدة الليزر

تواصل مستويات التلوث المتزايدة عالميًا دفع الطلب على خدمات إعادة تدوير منخفضة التكلفة. وللأسف، لا تتحلل الملوثات البلاستيكية في المدافن مثل النفايات الأخرى، مما يؤدي إلى تراكمها بكميات هائلة. لكن فريقًا من المهندسين المبتكرين نشر هذا الشهر دراسة تعرض نظامًا جديدًا يعتمد على الليزر لجعل إعادة استخدام النفايات البلاستيكية أكثر كفاءة. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

تلوث البلاستيك

يحتاج العالم إلى حلول مستدامة لإدارة النفايات البلاستيكية. يصعب تحلل البلاستيك، ولذلك يبقى غالبًا في المدافن أو أكوام القمامة، حيث يتحلل ببطء ويضر بالبيئة. وتظهر هذه الملوثات باستمرار في مياه الشرب والحيوانات ونقاط مهمة أخرى في السلسلة الغذائية.

دراسة إعادة استخدام البلاستيك

يتناول البحث الأخير استخدام الليزر لتفكيك الروابط الكيميائية التي تجعل البلاستيك ضارًا وبطيء التحلل في البيئة. ويوضح التقرير كيف يمكن لليزر تفكيك جزيئات محددة في البلاستيك، مما يتيح تحويلها إلى مواد قابلة لإعادة الاستخدام. ونجح الفريق في إنشاء نقاط كربونية مضيئة (CDs) احتُجزت على ركائز صلبة باستخدام عملية تُسمى تنشيط روابط C-H.

اختار الباحثون كلوريد سيتيل ثلاثي ميثيل الأمونيوم (CTAC) أول هدف لطريقة التفكيك بالليزر، نظرًا لخصائصه، ومنها بنيته الكربونية النظيفة. كما أنه شائع في تركيب المواد النانوية، ويمكنه الحفاظ على حالته الصلبة دون الحاجة إلى تعديلات كبيرة في الظروف الجوية.

تنشيط C-H

تنشيط C-H عملية كيميائية مبتكرة تتيح تفكيك روابط الكربون والهيدروجين في جزيء عضوي. ويمكن استهداف الروابط بحسب تركيبها، ثم تحويلها انتقائيًا إلى مكونات أساسية قابلة لإعادة الاستخدام، مثل النقاط الكربونية.
تستخدم العملية أشعة ضوئية منخفضة القدرة على فترات وترددات محددة. وتفكك الأشعة الروابط التي تجعل البلاستيك غير قابل للتحلل الحيوي، وتكوّن روابط جديدة. وتبحث الدراسة تحديدًا تحويل المواد الخافضة للتوتر السطحي من أملاح الأمونيوم الرباعية العضوية طويلة السلسلة إلى نقاط كربونية مضيئة، مما يفتح فرصًا في الحد من التلوث وعلوم المواد والكيمياء العضوية والطب الحيوي.

المواد النانوية القائمة على الكربون

تُعد المواد النانوية الكربونية منتجًا مناسبًا لتحويل النفايات البلاستيكية إليه لأسباب عديدة. إذ يمكن استخدامها لصنع مكونات إلكترونية متقدمة، بما فيها لوحات الشرائح وأجهزة تخزين الذاكرة وغيرها من العناصر المهمة لقطاع الحوسبة. وهي مطلوبة بكثرة وضرورية للأجهزة الحديثة.

حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT)

طوّر الباحثون صيغة من حسابات نظرية دالة الكثافة للتنبؤ بعملية التحويل وضبط كمية الضوء وتردداته. ووفقًا للمهندسين، استندت الحسابات إلى شيفرة VASP، مع تمثيل إلكترونات التكافؤ بدوال موجية لكوهن-شام ضمن مجموعة أساس من الموجات المستوية. وأتاح ذلك تحديد الأخطاء والعيوب دون إعادة الاختبارات، ولا سيما تأثير حالات الأكسدة والعيوب في امتزاز الهيدروجين وتنشيط C–H.

مرحلة الاختبار

بدأ العلماء الاختبار بإنشاء طبقة رقيقة من CTAC الصلب، ثم غطوها بطبقة أحادية من WSe2 نُمّيت خصيصًا للتجربة بطريقة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD). وتسهل هذه الطبقات، المعروفة بثنائيات كالكوجينيدات الفلزات الانتقالية، التفاعل الكيميائي عند تعريضها لليزر مستمر الموجة منخفض القدرة. واستخدم الفريق ليزرات بقدرات تراوحت بين نحو 0.2 و5 ملي واط.
يسمح الليزر لجزيئات CTAC ببدء تنشيط روابط C–H بوساطة WSe2، مما يؤدي إلى تكوين روابط C=C وتحول جزيئات الهيدروجين إلى غاز. ودمج الفريق طبقات من ثنائيات كالكوجينيدات الفلزات الانتقالية (TMDCs)، فخفض بدرجة كبيرة الطاقة اللازمة لارتباط جزيئات الكربون وتحويل النفايات إلى نقاط كربونية.

مراقبة التغييرات

اختبر المهندسون العملية في ظروف إضاءة مختلفة. واستخدموا مجهر Nikon TiE مقلوبًا مع عدسة زيتية بتكبير ×100 ومصدر ضوء أبيض هالوجيني بجهد 12 فولت وقدرة 100 واط. كما استُخدم مكثف حقل مظلم بفتحة عددية بين 1.20 و1.43 لتتبع تشعيع الليزر.
وشملت الليزرات المستخدمة جهاز Coherent Genesis MX STM-1 W مستمر الموجة بطول موجي 660 نانومتر (Laser Quantum). ووسّع المهندسون الحزمة لزيادة كفاءتها باستخدام Thorlabs GBE05-A، مع توجيهها عبر المجهر أثناء الاختبارات.

النتائج تُظهر وعدًا بمستقبل أكثر خضرة

نتائج الدراسة كافية لإثارة اهتمام القطاع. فقد نجح الفريق في تحويل كلوريد سيتيل ثلاثي ميثيل الأمونيوم طويل السلسلة (CTAC، وصيغته C19H42ClN) إلى نقاط كربونية مضيئة على طبقات أحادية ثنائية الأبعاد من WSe2، بنمط منظم ومحدد مكانيًا. وقد حُسنت العملية ويمكن تطبيقها للمساعدة في تقليل النفايات البلاستيكية.
وللتأكد من كفاءة العملية، راقب العلماء التغيرات باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه النانوية في المجال القريب (nano-FTIR). ولاحظوا نطاق امتصاص بارزًا عند نحو 1660 سم⁻¹، عزز كفاءة روابط C=C في النقاط الكربونية. كما استخدموا أطياف رامان وخرائطها عبر نظام Renishaw لمتابعة التقدم. وأكد طيف رامان اكتمال التحويل من النفايات إلى النقاط الكربونية.

الفوائد

تقدم الدراسة فوائد عديدة. فالملوثات البلاستيكية مشكلة كبيرة تؤثر بالفعل في حياة الملايين سنويًا. وتحويل المركبات العضوية الوظيفية والملوثات البيئية، مثل مخلفات الوقود الأحفوري، إلى مواد كيميائية متجددة يفتح الطريق لاقتصاد أكثر دائرية، تتحول فيه النفايات مرارًا إلى منتجات قيّمة.

أكثر كفاءة

من أكبر فوائد العملية أنها أكثر كفاءة من الطرق الحالية. فالتقنيات المستخدمة اليوم تستهلك طاقة كبيرة، وتكلف مبالغ مرتفعة، وقد تسبب أضرارًا بيئية إضافية. لذلك يفتح هذا النهج المجال لإعادة تدوير أنظف لهذه النفايات.

مرن

ميزة أخرى مهمة هي إمكانية تطبيق البحث على مجموعة من الملوثات الكيميائية التي تضر بالبيئة. وذكر الباحثون أن العملية تنجح مع طيف واسع من المركبات العضوية طويلة السلسلة. ويمكن بالتالي تطبيقها عالميًا لمواجهة أنواع متزايدة من النفايات، بما فيها البولي إيثيلين والمواد الخافضة للتوتر السطحي.

الباحثون

جمعت دراسة الملوثات البلاستيكية باحثين بارزين من القطاعات العلمية والأكاديمية. وشارك Jingang Li في تأليفها، مع باحثين من جامعة كاليفورنيا، وجامعة توهوكو اليابانية، ومختبر لورنس بيركلي الوطني، وجامعة ولاية بنسلفانيا، وجامعة بايلور. وجاء التمويل من المعاهد الوطنية للصحة، ومؤسسة هيروسي، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين، والمؤسسة الوطنية للعلوم، والجمعية اليابانية لتعزيز العلوم.

التطبيقات

للتقنية تطبيقات كثيرة. فقد أصبحت النفايات البلاستيكية خطرًا ملحًا يتطلب اهتمامًا فوريًا ومستمرًا. ويساعد الاكتشاف على الحد من هذا الخطر بتحويل البلاستيك إلى نقاط كربونية قيّمة وقابلة لإعادة الاستخدام. ولذلك توجد تطبيقات شبه غير محدودة في المواد الفوتونية والكيمياء العضوية والمعالجة البيئية.

الشركات التي يمكن أن تستفيد من هذه الدراسة

يمكن لشركات عديدة الاستفادة فورًا من هذه التقنية. وقد قادت هذه الشركات منذ زمن مجالات إدارة النفايات وإعادة التدوير والمعالجة البيئية. وهي تتيح للمستثمرين فرصة للانكشاف على قطاع سريع التطور والنمو.

1. Waste Management

WCN مخطط السعر

دخلت Waste Management (WM ) السوق عام 1987 لتقديم طريقة أفضل للتخلص من النفايات. وسرعان ما توسعت لتشمل إعادة التدوير. واليوم تُعد الشركة، ومقرها تكساس، من أبرز مقدمي هذه الخدمات.

تتمتع Waste Management بمكانة قوية بوصفها شركة رائدة في تقديم خدمات متكاملة لإدارة النفايات. وهي شركة كبيرة تضم أكثر من 28 ألف موظف. وقد حققت تقدمًا في إعادة التدوير وإدارة النفايات والطاقة المتجددة وأسواق مهمة أخرى. وسجلت إيرادات تجاوزت 20.69 مليار دولار في عام 2023.

يمكن للمستثمرين اعتبار WCN خيار شراء قويًا. فهي من أبرز مطوري ومالكي ومشغلي خدمات تحويل غاز المدافن إلى طاقة في الولايات المتحدة. وقد تفوق السهم، مسجلًا عائدًا لخمس سنوات بلغ 107.63%، وارتفع بنسبة 2,137% منذ الطرح العام الأولي.

2. Waste Connections

WCN مخطط السعر

دخلت Waste Connections (WCN ) السوق عام 1997. وكانت في الأصل مقرها كاليفورنيا، ثم انتقلت إلى تكساس ضمن استراتيجيتها لخدمة البلاد بصورة أفضل. وتوظف اليوم أكثر من 19 ألف متخصص، وتُعد من أبرز مقدمي خدمات جمع النفايات ونقلها والتخلص منها وإعادة تدويرها في الولايات المتحدة.

قد تحقق Waste Connections زيادة كبيرة في قدراتها وإيراداتها إذا نجحت في اعتماد أنظمة إعادة تدوير البلاستيك بالليزر الجديدة التي اقترحها الباحثون. وسيتيح لها هذا التطوير إيرادات إضافية من خلال تقديم النقاط الكربونية (CDs) للعملاء.

تتجاوز القيمة السوقية لشركة Waste Connections مبلغ 46.85 مليار دولار. وتُعد خيار احتفاظ قويًا بفضل موقعها في السوق وعمليات الاستحواذ الكبيرة التي نفذتها. وقد تناسب الباحثين عن سهم مستقر ذي فرص نمو قوية.

الإحصاءات تُظهر صورة قاتمة

غيّر البلاستيك التجارة العالمية، ولا يزال عنصرًا مهمًا في الحياة اليومية. واتسع استخدامه كثيرًا، إذ يشير الخبراء إلى نمو أُسّي منذ ظهوره عام 1950. لكن قدرًا كبيرًا منه يبقى في النفايات. ووفقًا للدراسات البيئية، يضيف العالم مليوني طن من الملوثات البلاستيكية إلى البيئة سنويًا، إلى جانب سبعة مليارات طن متري موجودة بالفعل.
وتشير الدراسات إلى أن ما يصل إلى 50% من النفايات البلاستيكية يأتي من العبوات أحادية الاستخدام. ويتوقع المحللون ارتفاع التلوث بدرجة كبيرة خلال السنوات المقبلة، مما يزيد المخاطر الصحية والبيئية. وقد أدى الوضع بالفعل إلى عواقب خطيرة.

المحيطات تعاني

المحيطات معرضة بصورة خاصة لهذه الملوثات. وللأسف يصل ما بين 75 و99 طنًا من البلاستيك إلى المحيط، حيث يبقى ويكوّن جزر قمامة كبيرة تتسرب منها ملوثات خطرة. وبالمعدل الحالي، ينتج البشر سنويًا 33 مليار رطل من النفايات البلاستيكية التي تنتهي في المحيط. وقد يساعد التطور الأخير على تخفيف هذه المخاوف وفتح الطريق لاقتصاد أكثر استدامة.

أكبر الملوثين على مستوى العالم

ليست جميع الدول مسؤولة بالقدر نفسه عن النفايات. وكما هو متوقع، فإن أبرز المساهمين دول ذات قطاعات اقتصادية وتصنيعية ضخمة. وفي عام 2023 تصدرت الصين بنحو 59,079,741 طنًا متريًا من النفايات، تلتها الولايات المتحدة بـ37,825,550 طنًا. وتُعد ألمانيا والبرازيل واليابان أيضًا من كبار المساهمين، لكن بمستويات أقل كثيرًا.

جهد فريق

دفع الطلب على الحد من النفايات البلاستيكية فرقًا بحثية حول العالم إلى تقديم أفكار تتراوح بين إرسال النفايات خارج الكوكب وإعادة استخدامها في الإلكترونيات المتقدمة. ووجدت دراسة مثيرة للاهتمام أن نفايات البوليسترين الممدد يمكن تفكيكها لصنع مكونات إلكترونية قيّمة. وكما البلاستيك، تمثل هذه النفايات مشكلة كبيرة بسبب بطء تحللها وخطرها على الحياة البرية.

اللوائح التنظيمية

من العوامل المهمة أيضًا تزايد الإجراءات التنظيمية. فقد أدرك المشرعون أن الوضع الحالي غير مستدام، وأن الاستخدام الواسع للبلاستيك أحادي الاستخدام وعوامل أخرى يتطلب تغييرات كبيرة. ولذلك ظهرت تشريعات جديدة عالميًا. فمثلًا فرضت نيو ساوث ويلز وفيكتوريا وكوينزلاند حظرًا على المنتجات أحادية الاستخدام عام 2023. وتسعى كاليفورنيا الآن إلى تحميل المصنعين مسؤولية تنظيف نفاياتهم البلاستيكية.

إعادة استخدام نفايات البلاستيك لجعل العالم أكثر أمانًا

تحويل النفايات البلاستيكية التي سببت أضرارًا بيئية لا يمكن إصلاحها إلى نقاط كربونية قيّمة أمر منطقي. وقد تكون لهذا التطور آثار فورية وطويلة الأمد في القطاع. ويستحق فريق المهندسين التقدير لاكتشافه الذي قد يساعد على إنقاذ ملايين الأرواح مستقبلًا.

تعرف على مشاريع بيئية أخرى مثيرة للاهتمام الآن.