Genanvendelse af plast bliver lettere med hjælp fra lasere

Verdens stigende forureningsniveauer fortsætter med at drive efterspørgslen efter lavpris genbrugstjenester. Desværre nedbrydes plastforurening ikke i lossepladser som andet affald, hvilket fører til massive ophobninger over hele kloden. Heldigvis udgav en gruppe innovative ingeniører denne måned en undersøgelse, der demonstrerer et banebrydende lasersystem, som gør genanvendelse af plastaffald mere effektivt. Her er, hvad du behøver at vide.

Plastforurening

Verden har brug for bæredygtige løsninger til håndtering af plastaffald. Plast er berygtet svært at nedbryde, og på grund af dette ender det ofte i lossepladser eller affaldshøje, hvor det langsomt nedbrydes og ødelægger miljøet. Disse forurenende stoffer fortsætter med at dukke op i drikkevand, dyr og andre vigtige led i fødekæden.

Studie om genanvendelse af plast

Den seneste forskning undersøger brugen af lasere til at nedbryde de kemiske bindinger, der gør plast skadelig og tager så lang tid at nedbryde i miljøet. Rapporten viser, hvordan disse lasere kan nedbryde specifikke molekyler i plasten, så de kan genanvendes som genbrugelige stoffer. Specifikt skabte teamet luminescerende kulstofprikker (CD’er), som blev fanget på solide substrater ved hjælp af en proces kaldet C‑H-aktivering.

Forskerne valgte cetyltrimethylammoniumchlorid (CTAC) som det første mål for lasernedbrydningsmetoden. Teamet valgte CTAC på grund af specifikke egenskaber, herunder dets kulstofrene struktur. Derudover er det almindeligt i nanomaterialekomposition og kan bevare en fast form uden at kræve stor atmosfærisk justering.

C‑H-aktivering

C‑H-aktivering er en revolutionerende kemisk proces, der gør det muligt for forskere at nedbryde kulstof‑hydrogenbindinger i et organisk molekyle. Disse bindinger kan målrettes specifikt baseret på deres sammensætning, så de selektivt kan syntetiseres til grundlæggende komponenter som CD’er, der kan genbruges.
C‑H-aktiveringsprocessen introducerer lavenergi lysstråler ved specifikke intervaller og frekvenser. Disse lysstråler nedbryder de kemiske bindinger, der gør plast ikke-biologisk nedbrydelig, og danner nye bindinger. Specifikt undersøger studiet, hvordan man nedbryder organiske langkædede kvartære ammoniumoverfladeaktive stoffer til luminescerende CD’er, hvilket åbner døren for nye muligheder inden for forskellige felter, herunder forureningsreduktion, materialvidenskab, organisk kemi og biomedicin.

Kulstofbaserede nanomaterialer

Kulstofbaserede nanomaterialer er det ideelle produkt til at omdanne plastaffald af mange grunde. For det første kan dette materiale bruges til at fremstille avancerede elektroniske komponenter, herunder chipboards, hukommelseslagringsenheder og andre vigtige elementer i computerøkonomien. De er i høj efterspørgsel og nødvendige for nutidens high‑tech enheder.

Densitetsfunktionalteori (DFT) beregninger

Forskerne udviklede en variation af densitetsfunktionalteori-beregningerne for at forudsige konverteringsprocessen og finjustere mængden af lys og frekvenser, der anvendes. Ifølge ingeniørerne baserede DFT-beregningerne sig på VASP-kode, hvor valenselektroner tages i betragtning via Kohn‑Sham bølgefunktionerne i et planbølge-basis sæt. Denne tilgang gjorde det muligt for teamet at identificere fejl og defekter i processen uden at skulle gentage tests. Specifikt kunne de bestemme, hvordan oxiderede tilstande og fejl påvirker H‑adsorption og C‑H‑aktiveringsprocesserne.

Testfase

Forskeren begyndte testene ved at skabe et tyndt lag af fast CTAC. Dette lag blev derefter belagt med en monolag WSe2. Bemærkelsesværdigt blev denne belægning dyrket specifikt til eksperimentet ved hjælp af kemisk dampaflejring (CVD). Lagene, kaldet overgangsmetal-dichalcogenider, muliggør den kemiske reaktion, når de udsættes for bestråling fra en lavenergi kontinuerlig bølge-laser. Teamet brugte forskellige lasere med en effekt på ca. 0,2–5 mW.
Laserstrålen gør det muligt for CTAC-molekylerne at starte WSe2‑mediated C‑H‑bindingsaktivering, hvilket resulterer i dannelse af en C=C-binding og at H‑molekyler omdannes til gasform. Bemærkelsesværdigt integrerede teamet D‑transition metal dichalcogenide (TMDC) lag, hvilket drastisk reducerede den energi, der kræves for at marble‑kulstofmolekyler kan binde, og omdannede affald til CD’er.

Overvågning af ændringer

Ingeniørerne forsøgte processen under flere forskellige lysforhold. Bemærkelsesværdigt gjorde et Nikon TiE inverteret mikroskop med en ×100 olieobjektivlinse og en halogen hvidlyskilde på 12 V, 100 W eksperimentet muligt. Derudover brugte teamet en mørkfeltkondensator (NA 1,20–1,43) for at opnå vellykket sporing af laserbestråling.
De anvendte lasere omfattede en Coherent, Genesis MX STM‑1 W kontinuerlig bølge 660 nm laser (Laser Quantum). Interessant udvidede ingeniørerne strålen for at gøre den mere effektiv ved hjælp af en Thorlabs GBE05‑A, som blev rettet ved brug af mikroskopet under testene.

Resultater viser løfter for en grønnere fremtid

Resultaterne af undersøgelsen er nok til at begejstre branchen. Specifikt lykkedes det teamet at omdanne den langkædede kvartære ammoniumoverfladeaktive stof cetyltrimethylammoniumchlorid (CTAC, C19H42ClN) til luminescerende CD’er på 2D WSe2 monolag i et organiseret og rumligt afgrænset mønster. Processen blev optimeret og kan integreres straks for at hjælpe med at reducere plastaffald.
For at sikre, at processen blev gennemført effektivt, overvågede forskerne udviklingen ved hjælp af nærfelt nanoskal Fourier-transform infrarød spektroskopi (nano‑FTIR). De bemærkede et fremtrædende absorptionsbånd ved ca. 1660 cm⁻¹. Dette område øgede effektiviteten af C=C-bindingerne i CD’er. Derudover brugte teamet Raman-spektre og kortlægning via Renishaw-systemet til at spore fremskridt. Bemærkelsesværdigt viste Raman-spektret, at teamet fuldførte konverteringen fra affald til CD’er.

Fordele

Der er mange fordele, som denne undersøgelse giver. Plastforurening er et stort problem, der allerede påvirker millioner af menneskers liv hvert år. Evnen til at syntetisere funktionelle organiske komplekser og miljøforurenende stoffer som fossilt brændselsaffald til vedvarende kemikalier åbner døren til en mere cirkulær økonomi, hvor affald gentagne gange bliver til værdifulde produkter.

Mere effektiv

En af de største fordele ved denne proces er, at den er mere effektiv end enhver nuværende metode. De teknikker, der anvendes i dag, kræver meget energi, er dyre og kan medføre yderligere skade på miljøet. Derfor åbner denne tilgang døren for renere genbrug af disse affaldsmaterialer.

Fleksibel

En anden stor fordel ved denne forskning er, at den kan anvendes på en række kemiske forurenende stoffer, der i øjeblikket plager miljøet. Forskere har udtalt, at processen vil fungere på et omfattende udvalg af langkædede organiske forbindelser. Derfor kan denne strategi implementeres globalt for at bekæmpe et voksende udvalg af affald, herunder polyethylen og overfladeaktive stoffer.

Forskere

Plastforureningsundersøgelsen samlede nogle af de skarpeste hjerner fra de akademiske og videnskabelige sektorer. Projektet var medforfattet af Jingang Li og inkluderede hjælp fra forskere fra University of California, Tohoku University i Japan, Lawrence Berkeley National Laboratory, The Pennsylvania State University og Baylor University. Finansiering til undersøgelsen kom fra National Institutes of Health, Hirose Foundation, National Natural Science Foundation of China, National Science Foundation og Japan Society for the Promotion of Science.

Anvendelser

Der er mange anvendelser for denne teknologi. Evnen til at reducere plastaffald er gået fra en bekymring til en væsentlig risiko, der kræver øjeblikkelig og konstant opmærksomhed. Denne seneste opdagelse hjælper med at reducere disse risici ved at omdanne plastaffald til værdifulde og genbrugelige CD’er. Derfor er der næsten uendelige anvendelser inden for fotoniske materialer, organisk kemi og miljøremediering.

Virksomheder, der kan drage fordel af denne undersøgelse

Når du ser på markedet, er det let at se, at flere virksomheder kan drage fordel af at integrere denne teknologi med det samme. Disse virksomheder har længe været pionerer inden for affaldshåndtering, genbrug og miljøløsninger. Derfor giver de en unik mulighed for investorer at få eksponering mod en hurtigvoksende sektor.

1. Waste Management

WCN Prisdiagram

Waste Management (WM ) gik ind på markedet i 1987 med det formål at give samfundet en bedre måde at bortskaffe affaldsmaterialer på. Virksomheden udvidede hurtigt sine aktiviteter til også at omfatte genbrugstjenester. I dag er dette Texas-baserede firma en af de førende udbydere af disse tjenester.

Som den førende udbyder af omfattende affaldshåndteringstjenester er Waste Management strategisk placeret. Det er en stor operation med over 28.000 ansatte. Virksomheden har gjort gennembrud inden for genbrug, affaldshåndtering, vedvarende energi og andre vigtige markeder. Bemærkelsesværdigt indberettede den +$20,69 milliarder i omsætning i 2023.

Investorer kan betragte WCN som et stærkt “køb”. Det er den førende udvikler, ejer og operatør af affaldsplads-gas‑til‑energi‑tjenester i USA. Derfor har aktien overpræsteret og viser i øjeblikket et 5‑års afkast på +107,63 %. Bemærkelsesværdigt er aktien steget +2.137 % siden IPO’en.

2. Waste Connections

WCN Prisdiagram

Waste Connections (WCN ) gik ind på markedet i 1997. Oprindeligt baseret i Californien flyttede virksomheden til Texas som en del af sin strategi for bedre at betjene nationen. I dag beskæftiger Waste Collections over 19.000 fagfolk og er en førende udbyder af affaldsindsamling, -overførsel, -bortskaffelse og -genbrug i USA.

Bemærkelsesværdigt kunne Waste Connections opleve et enormt løft i kapacitet og indtægter, hvis de med succes integrerede de nye laserbaserede plastgenbrugssystemer, som forskerne har fremlagt. Denne opgradering ville gøre det muligt for virksomheden at skabe ekstra indtægter ved at tilbyde CD’er til kunder.

Waste Collections har en markedsværdi på + $46,85 milliarder. Virksomheden har en stærk “hold”-anbefaling på grund af sin position og flere højtstående opkøb, den har gennemført gennem årene. De, der søger en stabil aktie med stærkt opsvingspotentiale, bør overveje Waste Connections.

Statistikkerne maler et dystert billede

Plast har revolutioneret den måde, verden driver handel på, og forbliver et vigtigt element i dagligdagen. Dette nyttige materiale har set betydelig anvendelse, hvor eksperter peger på eksponentiel vækst siden introduktionen i 1950. Desværre ender en stor del af denne plast i affald. Ifølge miljøstudier introducerer verden hvert år 2 millioner ton plastforurening til miljøet, hvilket lægger til de allerede 7 milliarder ton i kredsløb.
Det er let at se, hvor disse forurenende stoffer kommer ind på markedet. Studier har vist, at op til 50 % af plastaffald stammer fra engangs emballage. Endnu værre, analytikere forudsiger, at forureningsniveauerne vil stige kraftigt i de kommende år, hvilket skærper sundheds- og miljørisiciene. Desværre har denne situation ført til alvorlige konsekvenser.

Oceanerne lider

Oceanerne er især sårbare over for disse forurenende stoffer. Desværre ender 75–99 ton plast i havet, hvor den forbliver og skaber massive affaldsøer, der udskiller dødelige forurenende stoffer. I det nuværende tempo skaber mennesker 33 milliarder pund plastaffald, der hvert år ender i havet. Denne seneste udvikling kan hjælpe med at lindre disse bekymringer og bidrage til at indføre en mere bæredygtig økonomi.

Største forurenere globalt

Det bør ikke overraske, at ikke alle lande er lige ansvarlige for affaldsproblemet. Som forventet er de største bidragydere alle nationer med massive økonomiske og fremstillingssektorer. I 2023 ledte Kina med cirka 59.079.741 metriske ton affald. USA fulgte tæt som nummer to med 37.825.550 ton. Tyskland, Brasilien og Japan er også store bidragydere, dog i en langt mindre skala end Kina og USA.

Et holdindsats

Efterspørgslen efter at reducere plastaffald har fået flere forskerhold verden over til at fremsætte koncepter. Disse idéer spænder fra at sende affald ud af planeten til at genanvende det til brug i nutidens avancerede elektronik. En interessant undersøgelse fandt, at styrofoam-affald kunne nedbrydes og bruges til at skabe værdifulde elektroniske komponenter. Styrofoam, ligesom plastaffald, er et stort problem på grund af sin lange nedbrydningstid og den fare, den udgør for dyrelivet.

Reguleringer

En anden vigtig faktor at overveje er den stigende regulatoriske modstand. Lovgivere har erkendt, at den nuværende situation ikke er bæredygtig. Den massive brug af engangsplast og andre faktorer har ført til et behov for store ændringer. Derfor er ny lovgivning blevet indført globalt. For eksempel implementerede New South Wales, Victoria og Queensland forbud mod engangsprodukter i 2023. Nu søger Californien at gøre producenter ansvarlige for at rydde op i deres plastaffald.

Genanvendelse af plastaffald og gøre verden sikrere

At tage plastaffald, som har forårsaget uoprettelig skade på miljøet, og genanvende det til værdifulde CD’er giver fuldstændig mening. Udviklingen kan have umiddelbare og langvarige fordele i branchen. Indtil videre fortjener dette ingeniørteam anerkendelse for deres opdagelse, som har potentiale til at redde millioner af liv fremover.

Lær om andre seje miljø projekter nu.