CRISPR voor het Bewerken van Polymer kan Wereldwijde Recyclinginspanningen Hervormen

Plasticrecycling Ontgrendelen

Sinds hun brede adoptie door de maakindustrie in de jaren zestig, zijn kunststoffen een alomtegenwoordig materiaal in ons dagelijks leven geworden. Ze zijn ook de oorzaak van zeer ernstige vervuiling, met name microplastics – de afgebroken, microscopische fragmenten van plastic die de gehele aarde en haar oceanen vervuilen.

Microplastics zijn aangetoond de effectiviteit van antibiotica te verminderen, aanwezig te zijn in foetussen, ons hart en onze hersenen, opgegeten te worden door mariene fauna, enz.

Er worden veel strategieën onderzocht om de reeds bestaande microplasticvervuiling aan te pakken, bijvoorbeeld het toepassen van duurzaamheidsmetriek, het gebruik van niet-giftige waterafstotende oplosmiddelen, of het hergebruiken van kunststoffen met lasers of licht-gedreven fotokatalyse.

Tegelijkertijd worden bedrijven zoals ExxonMobil aangeklaagd vanwege het lage recyclingpercentage van plastic geproduceerd met olie (XOM ).

Het probleem met de meeste oplossingen voor plasticvervuiling is dat ze enigszins kostbaar zijn, waardoor veel landen niet bereid of in staat zijn om oplossingen voor dit geglobaliseerde probleem te implementeren. Een betere oplossing zou zijn om plasticafval een grondstof te maken voor de productie van waardevol materiaal, waardoor er een sterke economische prikkel ontstaat om plasticafval te verzamelen.

Dit is waar onderzoekers van Oak Ridge National Laboratory aan hebben gewerkt. Zij ontdekten een manier om “plasticafval te upcyclen naar hoger presterende kunststoffen”, en publiceerden hun resultaten in het Journal of the American Chemical Society onder de titel “Polyalkenamers as Drop-In Additives for Ring-Opening Metathesis Polymerization: A Promising Upcycling Paradigm”¹.

Waarom Traditionele Recycling Niet Genoeg Is

Kunststof wordt al gerecycled, maar het proces is verre van perfect. De onderzoekers die aan deze publicatie hebben gewerkt, beschrijven het nauwkeurig als “smelten en hopen op het beste”.

Dit is een probleem, want elke cyclus van plasticrecycling creëert minder en minder waardevolle polymeren, waarbij het resulterende product inferieure weerstand, kleur, duurzaamheid, enz. vertoont. Dit gebeurt omdat ongericht smelten de manier verandert waarop de polymeerketens van het plastic worden gevormd en aan elkaar gekoppeld.

Met de huidige recyclingtechnologie kunnen kunststoffen slechts een beperkt aantal keren worden hergebruikt, maar eindigen ze toch als afval, al na een paar recyclingcycli in plaats van éénmalig gebruik.

Bovendien kunnen sommige soorten kunststoffen met deze methode helemaal niet worden gerecycled en belanden ze doorgaans in verbranding of stortplaatsen.

In feite wordt slechts 9 % van de wereldwijde plasticproductie gerecycled.

Bron: PureCycle Technologies [securities_stock_price_tag symbol="PCT" exchange="NASDAQ"]

Upcyclen In Plaats Van Recycling

Het concept van “upcyclen” houdt in dat het resulterende product van het recyclingproces feitelijk superieur is aan het oorspronkelijke materiaal.

Dit kan alleen worden bereikt door de polymeerketens die het plastic vormen op een gecontroleerde manier te herschikken. Deze vorm van nauwkeurig gerichte “bewerking” van de plasticstructuur heeft de onderzoekers ertoe gebracht hun nieuwe methode te vergelijken met CRISPR, een technologie die wordt gebruikt om DNA‑ en RNA‑strengen naar wens te modificeren.

Ze werkten met moleculen die vandaag de dag slecht of helemaal niet worden gerecycled. Dit omvatte zacht polybutadieen, een veelgebruikt materiaal in rubberbanden, en robuust acrylonitril‑butadieen‑styreen, gebruikt in plastic speelgoed, computertoetsenborden, ventilatiebuizen, beschermende hoofdgear, voertuigafwerkingen en -mallen, en keukenapparatuur.

“We pakken een aanzienlijk onderdeel van de afvalstroom aan met deze technologie. Dat zou een behoorlijk grote impact kunnen hebben, alleen al door het behoud van massa en energie van materialen die nu op stortplaatsen belanden.”

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

Het proces heeft een zeer hoge “atoomrendement”, wat betekent dat het in het eindproduct bijna al het plastic dat wordt gerecycled, terugwint.

Hoe Het Werkt

Om sterke plasticpolymeren uit te recyclebaar materiaal te recreëren, creëerden ze eerst een additief dat aan het bestaande plastic kon worden toegevoegd.

Bron: Journal of the American Chemical Society

Om het additief te maken, verkregen ze polybutadieen en acrylonitril‑butadieen‑styreen, vermalen deze en onderdompelden ze in dichloormethaan. De chemische reactie verliep bij lage temperaturen (40 °C / 104 °F) en in minder dan twee uur.

De reactie had ook een katalysator nodig, en ruthenium werd gebruikt. Dit is een bekende katalysator in de kunststofproductie en wordt ook gebruikt om biomassa, zoals plantaardige oliën, om te zetten in brandstoffen en andere hoogwaardige organische verbindingen.

De rutheniumatomen “dragen” in feite de kleinere plastic‑elementen en brengen ze naar de polymeren om ze langer te maken.

Het “metathese”‑proces maakt gebruik van sterke dubbele bindingen tussen koolstofatomen om de kans op chemische reacties te vergroten.

Een deel van de methode, genaamd ring‑openende metathese‑polymerisatie, opent ronde koolstofmoleculen en zet ze om in bruikbare lange polymeren. Een ander deel, genaamd cross‑metathese, voegt ketens van polymeersub‑eenheden van de ene polymeerketen in de andere.

Bron: Sigma Aldrich

Het werk was een gezamenlijke taak, waarbij sommige onderzoekers zich richtten op het optimaliseren van polymerisatie, anderen NMR‑spectroscopie (nucleaire magnetische resonantie) gebruikten om de reacties in realtime te analyseren, en weer anderen de mechanische en thermische eigenschappen van de eindmaterialen testten.

Sterke Resultaten

De wetenschappers van Oak Ridge National Laboratory toonden aan dat het proces, dat minder energie verbruikt en minder emissies produceert dan traditionele recycling, afvalmaterialen efficiënt integreert zonder afbreuk te doen aan de kwaliteit van de polymeren.

Het resulterende upcycled plastic vertoonde sterke thermische en mechanische prestaties, waardoor het superieur was aan het oorspronkelijke materiaal en veel beter dan plastic dat met traditionele methoden wordt gerecycled.

De Volgende Stappen in Plastic Upcycling

Alle Kunststoffen Upcyclen

Deze methode, nu aangetoond voor bepaalde kunststoffen, zou kunnen worden uitgebreid naar alle andere kunststoffen. Milieuvriendelijkere oplosmiddelen zouden ook een verbetering kunnen zijn.

“De visie is dat dit concept kan worden uitgebreid naar elk polymeer dat een soort backbone‑functionele groep heeft om mee te reageren.

Als het opgeschaald wordt en uitgebreid met andere additieven, kunnen bredere klassen van afval worden ontgonnen voor moleculaire bouwstenen, waardoor de milieu‑impact van andere moeilijk te verwerken kunststoffen drastisch wordt verminderd.”

Jeffrey Foster, Alvin M. Weinberg Distinguished Staff Fellow

De details van de economische aspecten van de procedure moeten ook nog worden verduidelijkt, maar het zou in orde moeten zijn aangezien het lage temperaturen, korte reactietijd en een veelgebruikte katalysator gebruikt.

Voorbij Kunststoffen

De gebruikte methode werkte met kunststoffen, maar zou ook op andere chemicaliën kunnen worden toegepast.

De onderzoekers zien het vooral als veelbelovend voor een klasse polymeer‑materialen die thermosets worden genoemd. Dit omvat epoxyharsen, gevulcumeerd rubber, polyurethaan en siliconen.

Theroset‑materialen kunnen niet opnieuw worden gesmolten of hervormd zodra ze zijn uitgehard, waardoor hun recycling een uitdaging vormt.

De hier ontwikkelde upcycling‑methode, die de cross‑gelinkte moleculaire structuur van kunststoffen aanvalt, zou kunnen worden toegepast op dezelfde structuur in thermoset‑materialen.

Omdat het repolymerisatie‑proces sterk aanpasbaar is, zou het uiteindelijke upcycled product superieur kunnen zijn aan het origineel. De upcycled materialen zouden bijvoorbeeld zachter en rekbaarder kunnen zijn dan de oorspronkelijke polymeren, of wellicht makkelijker te vormen en te verharden tot duurzame thermoset‑producten.

Conclusie

Upcycling is een veelbelovende optie om het recyclepercentage van plastic te verhogen, omdat het de economische prikkel zou moeten bieden die tot nu toe ontbrak om meer dan 10 % van het plastic wereldwijd te recyclen.

Het verminderen van plasticgebruik, het verwijderen van microplastics, het ontwikkelen van bioplastics (zie “Top 5 Bioplastics Companies”), en upcyclen in plaats van slechte recycling zullen waarschijnlijk allemaal deel uitmaken van de oplossing voor plasticvervuiling.

Al met al zullen ze een sleutelcomponent vormen in de ontwikkeling van een circulaire economie die veel minder hulpbronnen intensief en veel minder vervuilend is.

Recyclingbedrijf

PureCycle Technologies

PureCycle is een kunststofrecyclingbedrijf dat zich richt op polypropyleen (PP) en afval‑PP omzet in ultra‑zuinige gerecyclede PP‑hars.

Ze hebben een eigen procedure ontwikkeld om het afval‑PP te “reinigen” van al het toegevoegde materiaal in eindproducten, zoals polyethyleen, vaste materialen, pigmenten, verontreinigingen, enz.

Bron: PureCycle Technologies

Dit extractieproces verschilt van het algemeen gebruikte mechanische filtratiesysteem, dat te laag‑kwalitatieve PP oplevert voor de meeste industriële toepassingen, zelfs bij gebruik van hoogwaardig grondstof.

Chemische recycling is een andere optie, maar is verre van milieuvriendelijk en niet kostenefficiënt.

Bron: PureCycle Technologies

Het eindproduct van PureCycle wordt door de FDA geaccepteerd voor diverse gebruikelijke PP‑toepassingen, waaronder voedselopslag, warme of gepasteuriseerde containers, en bevroren voedselopslag. Toekomstige producten moeten onder andere vezel, filmverpakkingen, spuitgietvormen voor verpakkingen en autokunststoffen omvatten.

Naast het recyclen van plasticafval is het proces veel energie‑efficiënter met 79 % minder verbruik dan voor “virgin PP”, en een 35 % lagere CO₂‑voetafdruk.

Het bedrijf heeft zijn pelletproductiefaciliteit in Ironton gebouwd, met de eerste productie in juni 2023, om zijn recyclingproces uit te rollen.

Het bouwt ook andere faciliteiten in Noord‑America en Europa, en later gepland in Japan en Zuid‑Korea met een joint‑venture met SK geo centric, met als doel tegen 2027 een jaarlijkse recyclingcapaciteit van 630 miljoen pond te bereiken.

Bron: PureCycle Technologies

De pelletproductie van de Ironton‑faciliteit bereikte 3,5 miljoen pond in Q3 2024, een verdrievoudiging ten opzichte van het voorgaande kwartaal, evenals een stijging in de kwaliteit van het resulterende product.

Al met al is PureCycle een goed bedrijf om op te wedden voor de verbetering van plasticrecyclingtechnologie, met de ervaring om geleidelijk nieuwe technologieën te implementeren die afstappen van legacy‑recyclingtechnologie.

Studieverwijzing:

^{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}