Η Εξάρτησή μας από το Πετρέλαιο Θα Μπορεί να Μειωθεί Όχι Μόνο Μέσω των Ηλεκτρικών Οχημάτων, αλλά και των Βιώσιμων Πλαστικών

Χρήση Καλλιεργειών για την Παραγωγή Βιώσιμων Πλαστικών

Όταν σκεφτόμαστε το πετρέλαιο, συνήθως το συνδέουμε με καύσιμο για αυτοκίνητα, πλοία και αεροπλάνα. Αλλά τα πετροχημικά, από τα οποία μεγάλο μέρος είναι πλαστικά ή συστατικά για την παραγωγή πλαστικών, αντιπροσωπεύουν το 12 % της παγκόσμιας ζήτησης πετρελαίου.

Ενώ η κατανάλωση πετρελαίου συχνά θεωρείται ρύπανση λόγω των εκπομπών άνθρακα, μικροπλαστικά είναι επίσης μια αυξανόμενη ανησυχία. Η παραγωγή πλαστικών από πετρέλαιο συμβάλλει στην εκπομπή τόσο άνθρακα όσο και μικροπλαστικών.

Έτσι, είναι καλά νέα ότι πλέον υπάρχουν πιο βιώσιμα υλικά πλαστικού στον ορίζοντα.

Ερευνητές από Switzerland’s Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), το Πανεπιστήμιο Εφαρμοσμένων Επιστημών και Τεχνών της Δυτικής Ελβετίας, και το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ, έχουν αναπτύξει μια πηγή βιώσιμων πλαστικών από γεωργικά απόβλητα.

Πιο συγκεκριμένα, δημιούργησαν βιώσιμες πολυαμίδες χρησιμοποιώντας έναν πυρήνα ζάχαρης που προέρχεται από γεωργικά απόβλητα.

Γιατί οι Πολυαμίδες;

Πολλά προϊόντα πλαστικού, όπως τα νυλόνια, μια υποκατηγορία των πολυαμιδών, πρέπει να είναι πολύ ανθεκτικά. Για αυτό, βασίζονται σε μια συγκεκριμένη χημική δομή που ονομάζεται αρωματική ομάδα.

Αυτές οι αρωματικές ομάδες προσδίδουν στο πλαστικό σκληρότητα, δύναμη και αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, συχνά είναι και αυτές που κάνουν τα πλαστικά μη βιοδιασπώμενα και τοξικά για το περιβάλλον.

Πηγή: Master Organic Chemistry

Μια πολυαμίδα που χρησιμοποιεί οργανική ζάχαρη αντί για αρωματικό μόριο θα ήταν πολύ λιγότερο τοξική. Η χρήση τέτοιας ζάχαρης από την πολυαμίδα του EPFL, η οποία προέρχεται από γεωργικά απόβλητα, ενισχύει ακόμη περισσότερο τη βιωσιμότητα της ανακάλυψής τους.

Ένας Νέος Τύπος Πλαστικού

Ανέπτυξαν μια διαδικασία χωρίς καταλύτη για τη μετατροπή της διμεθυλγλυοξυλικής ξυλόζης, μιας σταθεροποιημένης ζάχαρης που παράγεται απευθείας από βιομάζα όπως ξύλο ή καλαμπόκι, σε πολυαμίδες υψηλής ποιότητας. Η διαδικασία βασίζεται σε μια σειρά βημάτων, ξεκινώντας με τη θέρμανση του υλικού στους 140 °C και στη συνέχεια στους 250–260 °C.

Πηγή: Nature.com

Η διαδικασία ήταν επίσης εξαιρετικά αποδοτική, με 97 % απόδοση ατόμων, πράγμα που σημαίνει ότι σχεδόν όλο το αρχικό υλικό μετατράπηκε σε πολυαμίδες.

Το προκύπτον υλικό δοκιμάστηκε για να ελεγχθούν οι χημικές και φυσικές του ιδιότητες.

Αποδείχθηκε εξίσου, αν όχι πιο, ανθεκτικό στη θερμότητα από τις παραδοσιακές πολυαμίδες που βασίζονται σε ορυκτά καύσιμα. Επίσης, παρουσίασε καλή απόδοση στην ανθεκτικότητα και τη μηχανική αντοχή (τενσιμότητα).

Πηγή: Nature.com

Ένας περιορισμός που βρήκαν οι ερευνητές είναι ότι το υλικό μπορεί να είναι ευαίσθητο στην έκθεση σε μεγάλες ποσότητες νερού, επομένως δεν μπορεί να βυθιστεί. Επίσης, μπορεί να είναι υπερβολικά διαπερατό σε οξυγόνο και νερό για χρήση σε λεπτές συσκευασίες τροφίμων. Σημαντικό είναι ότι παραμένουν πολλές πιθανές εφαρμογές.

Βιώσιμα Πλαστικά Έτοιμα για Βιομηχανική Χρήση

Χρηστικότητα

Ένας άλλος παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη για βιομηχανικές εφαρμογές είναι η «επεξεργασιμότητα». Δηλαδή η ευκολία μετατροπής των ακατέργαστων συστατικών του πλαστικού σε χρήσιμα υλικά.

Οι ερευνητές έδειξαν ότι το νέο τους υλικό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για έγχυση με εμβόλιμα (piston injection molding) και εξώθηση υψηλής διάτμησης με δίπλο έλικα (high-shear twin-screw extrusion), που είναι και οι δύο κοινές μέθοδοι διαμόρφωσης πλαστικών.

Πηγή: EPFL

Δοκίμασαν ακόμη και τις ιδιότητές του για 3D εκτύπωση, χρησιμοποιώντας υψηλές θερμοκρασίες για την επιτυχημένη παραγωγή θήκης iPhone 11.

Πηγή: EPFL

Ανακύκλωση

Μια άλλη δοκιμή ήταν να ελεγχθεί η δυνατότητα ανακύκλωσης του νέου υλικού πολυαμιδών. Επανέλαβαν το πλαστικό μέσω εξώθησης υψηλής διάτμησης με δίπλο έλικα τρεις φορές.

Οι ιδιότητες τενσιμότητας παρέμειναν σχεδόν ταυτόσες σε όλους τους τρεις κύκλους.

Το χρώμα αυξήθηκε ελαφρώς σε κάθε κύκλο. Ωστόσο, εάν χρειαστεί, το πορτοκαλί χρώμα μπορεί να αποφευχθεί εντελώς με ρύθμιση της διαδικασίας παραγωγής (βελτιωμένος καθαρισμός των διααμινών), οπότε δεν αποτελεί σοβαρό πρόβλημα.

Συνολικά, η μηχανική ανακύκλωση έδειξε καλή απόδοση, ίση ή ανώτερη από τις υπάρχουσες πηγές πλαστικού.

Τέλος, διερεύνησαν επίσης τη δυνατότητα χημικής ανακύκλωσης ως επιλογή στο τέλος ζωής του πλαστικού. Αυτό βασίστηκε έντονα σε ισχυρά οξέα όπως το θειικό οξύ, αλλά απέδειξε ότι μπορεί να ανακυκλωθεί πλήρως με χημικές ουσίες στο τέλος.

Μία Ανταγωνιστική Κατά Κόστος Εναλλακτική

Για να υιοθετήσει η βιομηχανία τέτοιο βιώσιμο πλαστικό (χωρίς αλλαγές στη νομοθεσία), πρέπει να είναι ανταγωνιστικό σε κόστος σε σχέση με τα καθιερωμένα χημικά που βασίζονται σε ορυκτά καύσιμα.

Η τιμή του νάιλον 66, της πιο κοινής πολυαμίδας, κυμαίνεται συνήθως μεταξύ $3.000‑7.000/τόνο. Οι τιμές του νέου υλικού θα ήταν σε παρόμοιο εύρος, ακόμη και αν υποτεθεί σχετικά υψηλό κόστος για το υλικό προέλευσης.

Πιθανώς, η χρήση υλικών από φθηνότερες πηγές όπως τα καλαμπόκι κώνοι θα μπορούσε να το κάνει ακόμη πιο οικονομικό.

Πηγή: Nature.com

Εκτός από το ότι είναι ανταγωνιστικό σε τιμή, το νέο υλικό εκπέμπει πολύ λιγότερο άνθρακα και αέρια του θερμοκηπίου σε σύγκριση με τα υπάρχοντα προϊόντα στην αγορά, ειδικά αν χρησιμοποιείται ξυλόζη από καλαμπόκι κώνοι αντί για εμπορική ξυλόζη.

Βιώσιμα Πλαστικά – Μια Απαιτούμενη Πρόοδος

Νέοι τύποι βιοπλαστικών, όπως σε αυτή τη μελέτη, είναι απαραίτητοι για τη μείωση της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων.

Αυτό αποτελεί ένα νέο βήμα, όπου δημιουργούνται νέοι τύποι μορίων πλαστικού με παρόμοιες ή ανώτερες επιδόσεις, αντί να προσπαθείται η αναδημιουργία των παραδοσιακών χημικών πλαστικών με πηγή βιοϋλικού.

Πιθανότατα, η αντικατάσταση των αρωματικών ομάδων από ορυκτά καύσιμα με βιολογικές ζάχαρες είναι μόνο η αρχή.

Αυτή η προσέγγιση είναι πιο δύσκολη, αλλά επίσης επιτρέπει νέες πηγές πλαστικού που παρουσιάζουν πολλά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τα παραδοσιακά:

• Χαμηλότερο αποτύπωμα άνθρακα.
• Λιγότερη ρύπανση.
• Αξιοποίηση των γεωργικών αποβλήτων.
• Πιθανή μείωση του κόστους ή βελτιωμένες χημικές ιδιότητες.

Η επιτυχία της ομάδας του EPFL (και των ερευνητικών της συνεργατών) θα πρέπει να χρησιμεύσει ως πρότυπο για άλλες καινοτομίες στη χρήση βιοϋλικών για τη δημιουργία νέων χρήσιμων βιομηχανικών χημικών, αντί να προσπαθείται απλώς η ακριβής αναπαραγωγή των υπαρχόντων πλαστικών με χημικές δομές που είναι άφθονες στο πετρέλαιο.