Sostenibilità
CRISPR per la modifica dei polimeri potrebbe ridisegnare gli sforzi di riciclaggio globale
SBloccare il riciclaggio dei plastici
Dal loro ampio utilizzo nell’industria manifatturiera negli anni ’60, i plastici sono diventati un materiale onnipresente nella nostra vita quotidiana. Sono anche la causa di una grave inquinamento, in particolare microplastici – i frammenti microscopici di plastica che inquinano l’intera Terra e i suoi oceani.
I microplastici sono stati dimostrati ridurre l’efficacia degli antibiotici, essere trovati nei feti, nei nostri cuori e cervelli, essere mangiati dalla fauna marina, ecc.
Ci sono molte strategie in esame per affrontare l’inquinamento da microplastici esistente, ad esempio, adottare metriche di sostenibilità, utilizzare solventi idrofobici non tossici, o riutilizzare i plastici con laser o foto-catalisi guidata dalla luce.
Nel frattempo, aziende come ExxonMobil sono state denunciate a causa del basso tasso di riciclaggio dei plastici prodotti con petrolio.
Il problema con la maggior parte delle soluzioni all’inquinamento da plastica è che sono abbastanza costose, portando molti paesi a non essere disposti o in grado di implementare soluzioni a un problema globalizzato. Una soluzione migliore sarebbe quella di rendere i rifiuti di plastica una risorsa per produrre materiali preziosi, creando un forte incentivo economico per la raccolta dei rifiuti di plastica.
È questo che i ricercatori del Laboratorio Nazionale di Oak Ridge hanno lavorato. Hanno scoperto un modo per “migliorare i rifiuti di plastica in plastici ad alte prestazioni”, pubblicando i loro risultati sulla rivista Journal of the American Chemical Society con il titolo “Polyalkenamers come additivi di caduta per la polimerizzazione di metatesi di apertura di anello: un promettente paradigma di riciclaggio“1.
Perché il riciclaggio tradizionale non è sufficiente?
La plastica è già riciclata, ma il processo è lontano dall’essere perfetto. I ricercatori che hanno lavorato su questa pubblicazione lo descrivono accuratamente come “fondere e sperare nel meglio”.
Questo è un problema, poiché ogni ciclo di riciclaggio della plastica crea polimeri sempre meno preziosi, con il prodotto finale che mostra una resistenza, un colore, una durata, ecc. inferiori. Ciò accade perché la fusione non diretta cambia il modo in cui le catene di polimeri di plastica sono realizzate e collegate tra loro.
Quindi, con la tecnologia di riciclaggio attuale, i plastici possono essere riutilizzati solo un numero limitato di volte, ma finiranno comunque tra i rifiuti, solo dopo pochi cicli di riciclaggio invece di un singolo utilizzo.
Inoltre, alcuni tipi di plastica non possono essere realmente riciclati con questo metodo e finiscono generalmente inceneriti o in discarica.
In realtà, solo il 9% della produzione globale di plastica viene riciclata.
Source: PureCycle Technologies
Miglioramento del riciclaggio invece del riciclaggio
Il concetto di “miglioramento” è che il prodotto finale del processo di riciclaggio sia in realtà superiore al materiale iniziale.
Ciò può essere ottenuto solo riorganizzando in modo controllato le catene di polimeri che formano la plastica. Questo tipo di “modifica” mirata e precisa della struttura della plastica ha portato i ricercatori a paragonare il loro nuovo metodo a CRISPR, una tecnologia utilizzata per modificare a volontà le catene di DNA e RNA.
Hanno lavorato con molecole che non vengono riciclate oggi o lo sono in misura insufficiente. Ciò includeva polibutadiene morbido, un materiale comune nelle gomme per pneumatici, e acrilonitrile butadiene stirene resistente, utilizzato in giocattoli di plastica, tastiere per computer, tubi di ventilazione, protezioni per la testa, rivestimenti per veicoli e utensili da cucina.
“Stiamo affrontando una componente significativa del flusso di rifiuti con questa tecnologia. Ciò avrebbe un impatto abbastanza grande solo dalla conservazione della massa e dell’energia dei materiali che ora finiscono nelle discariche.”
Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow
Il processo ha un’economia atomica molto alta, il che significa che recupera nel prodotto finale quasi tutta la plastica da riciclare che entra.
Come funziona
Per ricreare polimeri di plastica resistenti a partire da materiali da riciclare, hanno prima creato un additivo da aggiungere alla plastica esistente.
Per creare l’additivo, hanno sminuzzato polibutadiene e acrilonitrile butadiene stirene e li hanno immersi in diclorometano. La reazione chimica ha funzionato a basse temperature (40°C / 104°F) e in meno di due ore.
La reazione ha anche richiesto un catalizzatore, e si è utilizzato il ruthenio. Questo è un catalizzatore ben noto nella produzione di plastica e viene anche utilizzato per convertire la biomassa, come gli oli vegetali, in carburanti e altri composti organici ad alto valore.
Gli atomi di ruthenio stanno essenzialmente “trasportando” gli elementi di plastica più piccoli e portandoli ai polimeri per renderli più lunghi.
Il processo di “metatesi” utilizza legami doppi forti tra atomi di carbonio per aumentare le probabilità di reazioni chimiche.
Una parte del metodo, chiamata polimerizzazione di metatesi di apertura di anello, apre le molecole di carbonio circolari e le trasforma in polimeri lunghi utili. Un’altra parte, chiamata metatesi incrociata, inserisce catene di sub-unità di polimero da un polimero all’altro.
Source: Sigma Aldrich
Il lavoro è stato un compito collaborativo, con alcuni ricercatori incaricati di ottimizzare la polimerizzazione, altri che utilizzavano la spettroscopia NMR (risonanza magnetica nucleare) per analizzare le reazioni in tempo reale, e altri che testavano le proprietà meccaniche e termiche dei materiali finali.
Risultati solidi
I ricercatori del Laboratorio Nazionale di Oak Ridge hanno dimostrato che il processo, che utilizza meno energia e produce meno emissioni del riciclaggio tradizionale, integra efficientemente i materiali di scarto senza compromettere la qualità del polimero.
La plastica riciclata ha mostrato una forte resistenza termica e meccanica, rendendola superiore al materiale originale, e molto superiore alla plastica riciclata con metodi tradizionali.
I prossimi passi nel miglioramento del riciclaggio dei plastici
Miglioramento di tutti i plastici
Questo metodo, ora dimostrato per alcuni plastici, potrebbe essere esteso a tutti gli altri plastici. Solventi più ecologici potrebbero essere un miglioramento ulteriore.
“La visione è che questo concetto potrebbe essere esteso a qualsiasi polimero che abbia un qualche tipo di gruppo funzionale di base per reagire con.
Se ampliato e utilizzato con altri additivi, classi più ampie di rifiuti potrebbero essere sfruttate per ottenere blocchi costitutivi molecolari, riducendo drasticamente l’impatto ambientale di altri plastici difficili da elaborare.”
Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow
I dettagli dell’economia del procedimento devono essere ancora chiariti, ma dovrebbe essere ok in quanto utilizza basse temperature, breve tempo di reazione e un catalizzatore comunemente utilizzato.
Oltre i plastici
Il metodo utilizzato ha funzionato con i plastici, ma potrebbe essere utilizzato anche per altri prodotti chimici.
I ricercatori lo vedono come particolarmente promettente per una classe di materiali polimerici chiamata termoinduriti. Ciò include resine epossidiche, gomma vulcanizzata, poliuretano e silicone.
I materiali termoinduriti non possono essere fusi o riutilizzati una volta impostati, il che rende difficile il loro riciclaggio.
Il metodo di miglioramento sviluppato qui, attaccando la struttura molecolare incrociata dei plastici, potrebbe essere applicato alla stessa struttura nei materiali termoinduriti.
Poiché il processo di ripolimerizzazione è altamente personalizzabile, il prodotto finale migliorato potrebbe essere superiore all’originale. I materiali migliorati potrebbero essere, ad esempio, più morbidi e più elastici dei polimeri originali o, forse, più facili da modellare e indurire in prodotti termoinduriti resistenti.
Conclusione
Il miglioramento è un’opzione promettente per aumentare il tasso di riciclaggio dei plastici, poiché dovrebbe fornire l’incentivo economico che mancava fino ad ora per riciclare più del 10% dei plastici a livello globale.
Ridurre l’uso dei plastici, rimuovere i microplastici, sviluppare bioplastiche (vedi “Le prime 5 aziende di bioplastiche”), e migliorare il riciclaggio invece di un cattivo riciclaggio saranno probabilmente tutte parte della soluzione all’inquinamento da plastica.
Insieme, saranno un componente chiave nello sviluppo di un’economia circolare più intensiva in termini di risorse e meno inquinante.
Azienda di riciclaggio
PureCycle Technologies
(PCT )
PureCycle è un’azienda di riciclaggio dei plastici focalizzata sul polipropilene (PP), trasformando i rifiuti di PP in resina di PP riciclata ultra-pura.
Hanno creato un procedimento proprietario per “pulire” i rifiuti di PP da tutti i materiali aggiunti nei prodotti finiti, come polietilene, materiali solidi, pigmenti, contaminanti, ecc.
Source: PureCycle Technologies
Il processo di estrazione differisce dal sistema di filtrazione meccanica comunemente utilizzato, che genera un PP di qualità troppo bassa per la maggior parte delle applicazioni industriali, anche utilizzando un feedstock di alta qualità.
Il riciclaggio chimico è un’altra opzione, ma è lontano dall’essere ecologico e non è efficiente in termini di costi.
Source: PureCycle Technologies
Il prodotto finale di Purecycle è accettato dalla FDA per varie applicazioni di PP, tra cui contenitori per alimenti, contenitori caldi o pastorizzati e contenitori per alimenti congelati. I prodotti futuri dovrebbero includere fibre, imballaggi in pellicola, stampi iniettabili per imballaggi e plastici per automobili.
Inoltre, il processo è molto più efficiente in termini energetici, con un consumo del 79% inferiore a quello del “PP vergine” e un’impronta di gas serra del 35% inferiore.
L’azienda ha costruito la sua struttura di produzione di pellet a Ironton, con la prima produzione nel giugno 2023, per implementare il suo processo di riciclaggio.
Sta anche costruendo altre strutture in Nord America e Europa e in seguito pianificate in Giappone e Corea del Sud con un joint-venture con SK geo centric, con l’obiettivo di raggiungere una capacità di riciclaggio annua di 630 milioni di libbre da raggiungere nel 2027
Source: PureCycle Technologies
La produzione di pellet della struttura di Ironton ha raggiunto 3,5 milioni di libbre nel terzo trimestre del 2024, triplicando rispetto al trimestre precedente, nonché un aumento della qualità del prodotto finale.
Nel complesso, PureCycle è un’azienda su cui scommettere per migliorare la tecnologia di riciclaggio dei plastici e con l’esperienza per implementare progressivamente nuove tecnologie che si allontanano dalla tecnologia di riciclaggio legacy.
Riferimento allo studio:
1. Jeffrey C. Foster, et al. (2024) Polyalkenamers as Drop-In Additives for Ring-Opening Metathesis Polymerization: A Promising Upcycling Paradigm. Journal of the American Chemical Society 2024 146 (48), 33084-33092 DOI: 10.1021/jacs.4c10588
