Plastic hergebruiken wordt gemakkelijker met behulp van lasers

De toenemende vervuiling vergroot de behoefte aan betaalbare recycling. Veel soorten plastic breken in het milieu slechts zeer langzaam af en hopen zich daardoor op. In een in 2024 gepubliceerde studie onderzochten wetenschappers hoe licht en tweedimensionale materialen bepaalde organische verbindingen kunnen omzetten in lichtgevende koolstofdots. Het gaat om laboratoriumonderzoek, niet om een al ingevoerde oplossing voor alle plasticafval.

Plasticvervuiling

Er zijn duurzamere oplossingen nodig voor plasticafval. Veel kunststoffen blijven lang aanwezig op stortplaatsen en in het milieu en kunnen uiteenvallen in kleinere deeltjes. Plasticdeeltjes worden onder meer aangetroffen in water, dieren en voedselketens.

Studie over het hergebruiken van plastic

De onderzoekers gebruikten laserlicht om chemische omzettingen van organische moleculen op een vast oppervlak mogelijk te maken. Via C–H-activatie maakten zij lichtgevende koolstofdots, kleine koolstofhoudende deeltjes met mogelijke optische toepassingen. De methode kan bijdragen aan onderzoek naar hergebruik, maar is niet aangetoond als algemene industriële plasticrecyclingtechniek.

De onderzoekers kozen cetyltrimethylammoniumchloride (CTAC) als modelstof. CTAC is een oppervlakteactieve stof met een lange koolstofketen en wordt onder meer bij nanomaterialen gebruikt. Het is geen gewone kunststof; resultaten met CTAC mogen daarom niet zonder meer op alle soorten plasticafval worden toegepast.

C-H-activatie

Bij C–H-activatie worden koolstof-waterstofbindingen in organische moleculen betrokken bij een chemische omzetting. Gerichte activering kan het mogelijk maken nieuwe bindingen en andere structuren te vormen, waaronder de hier onderzochte koolstofdots.
In deze studie bevordert laserlicht met een laag vermogen, samen met een tweedimensionaal materiaal, de omzetting van organische verbindingen. De onderzoekers bestudeerden onder meer langketenige quaternaire ammoniumverbindingen. Dit biedt onderzoeksmogelijkheden in de materiaalkunde en organische chemie; C–H-activatie in het algemeen is niet beperkt tot deze lasermethode.

Koolstofgebaseerde nanomaterialen

Koolstofhoudende nanomaterialen kunnen interessante optische en elektronische eigenschappen hebben. Koolstofdots worden bijvoorbeeld onderzocht voor sensoren, lichtgevende materialen en andere toepassingen. De studie toont niet aan dat het verkregen materiaal direct geschikt is voor alle computerchips of geheugensystemen.

Dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) berekeningen

De onderzoekers gebruikten berekeningen met dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) om het mechanisme beter te begrijpen. Met VASP en een vlakke-golfbasis voor Kohn–Sham-toestanden onderzochten zij hoe oxidatie en defecten de adsorptie van waterstof en C–H-activatie beïnvloeden. Zulke berekeningen ondersteunen experimenten, maar vervangen niet iedere experimentele controle.

Testfase

In het experiment werden CTAC en een monolaag wolfraamdiselenide (WSe2) met elkaar in contact gebracht. WSe2 behoort tot de overgangsmetaaldichalcogeniden en werd met chemische dampdepositie gemaakt. Bestraling met een continue laser met laag vermogen, ongeveer 0,2–5 mW, kon de omzetting bevorderen.
Onder invloed van het licht bevorderde WSe2 de activering van C–H-bindingen. Daarbij ontstonden onder meer C=C-bindingen en lichtgevende koolstofstructuren. Het tweedimensionale materiaal beïnvloedt de reactie; de oorspronkelijke verwijzing naar marmeren koolstofmoleculen is onjuist.

Veranderingen monitoren

De onderzoekers gebruikten een Nikon TiE-omkeermicroscoop met een 100×-olie-immersieobjectief. Voor waarnemingen beschikten zij over een halogeenlichtbron van 12 V en 100 W en een donkerveldcondensor met een numerieke apertuur van 1,20–1,43.
Voor de optische proeven werden continue lasers gebruikt, waaronder een laser met een golflengte van 660 nm. Met een Thorlabs GBE05-A-bundelverbreder en de microscoop werd de lichtbundel op het monster gericht. Bundelverbreding betekent op zichzelf geen bewezen verbetering van de energie-efficiëntie van de reactie.

Resultaten tonen belofte voor een groenere toekomst

De onderzoekers zetten CTAC (C19H42ClN), een langketenige quaternaire ammonium-oppervlakteactieve stof, om in lichtgevende koolstofdots op een monolaag WSe2. De omzetting kon plaatselijk worden gestuurd. Dit is een veelbelovend laboratoriumresultaat, maar geen bewijs dat de methode onmiddellijk op grote schaal plasticafval kan verwerken.
Met nano-FTIR, een vorm van infraroodspectroscopie op nanoschaal, onderzochten de wetenschappers de chemische veranderingen. Een absorptieband rond 1660 cm−1 ondersteunde de aanwezigheid van C=C-bindingen. Ook Raman-spectroscopie en ruimtelijke metingen hielpen de omzetting te karakteriseren. Een absorptieband is een meetresultaat en verhoogt niet zelf de efficiëntie van de bindingen.

Voordelen

Het omzetten van organische reststoffen in bruikbare materialen kan bijdragen aan een circulaire economie. Plasticvervuiling is een groot probleem, maar deze studie betreft een specifieke chemische route. De mogelijke milieuvoordelen hangen af van opschaling, energiegebruik, benodigde materialen en de bruikbaarheid van het eindproduct.

Efficiënter

De lage gebruikte laservermogens maken de aanpak interessant voor verder onderzoek. Dat betekent nog niet dat het totale proces efficiënter of goedkoper is dan iedere bestaande recyclingmethode. Daarvoor zijn vergelijkbare metingen en onderzoek op grotere schaal nodig.

Flexibel

De aanpak kan mogelijk worden toegepast op verschillende organische verbindingen met lange koolstofketens. De onderzoekers bespraken onder meer oppervlakteactieve stoffen en polyethyleen. De geschiktheid voor gemengd afval en grootschalige verwerking moet afzonderlijk worden onderzocht.

Onderzoekers

Jingang Li was een van de auteurs van de studie. Aan het onderzoek werkten wetenschappers mee van onder meer de University of California, Tohoku University, Lawrence Berkeley National Laboratory, Pennsylvania State University en Baylor University. De genoemde financiers omvatten Amerikaanse, Chinese en Japanse onderzoeksorganisaties en de Hirose Foundation.

Toepassingen

Mogelijke toepassingen liggen in lichtgevende materialen, organische chemie en de verwerking van bepaalde organische reststoffen. De koolstofdots kunnen waardevolle eigenschappen hebben, maar commerciële toepassingen en de daadwerkelijke vermindering van afval zijn nog afhankelijk van verder onderzoek.

Bedrijven die kunnen profiteren van deze studie

Bedrijven in afvalbeheer en recycling zouden op termijn baat kunnen hebben bij nieuwe omzettingsprocessen. De onderstaande voorbeelden zijn mogelijke belanghebbenden; de studie bevestigt niet dat zij deze techniek gebruiken of direct kunnen invoeren.

1. Waste Management

WM Prijsgrafiek

Waste Management, ook bekend als WM, is een grote aanbieder van afvalinzameling, verwerking en recycling. Het bedrijf rapporteerde over 2023 een omzet van 20,426 miljard dollar. Deze bestaande activiteiten vormen geen bewijs dat WM de hier onderzochte lasermethode toepast.

WM is actief in het winnen en benutten van stortgas. De oorspronkelijke alinea noemt echter WCN, het symbool van Waste Connections, terwijl deze sectie over Waste Management gaat. De daarbij genoemde historische rendementen zijn daardoor niet betrouwbaar aan het juiste bedrijf gekoppeld en ondersteunen geen koopadvies.

2. Waste Connections

WCN Prijsgrafiek

Waste Connections (WCN ) werd in 1997 opgericht en biedt afvalinzameling, overslag, verwerking en recycling in Noord-Amerika. De naam is Waste Connections, niet Waste Collections. Het bedrijf heeft belangrijke activiteiten in zowel de Verenigde Staten als Canada.

Waste Connections zou nieuwe recyclingtechnieken kunnen onderzoeken als die technisch en economisch geschikt blijken. De productie en verkoop van koolstofdots is hier een mogelijke toepassing, geen aangekondigde activiteit of gegarandeerde bron van extra omzet.

De oorspronkelijke tekst noemt voor Waste Connections een marktwaarde van ongeveer 46,85 miljard dollar. Dat is een historisch, tijdsgebonden cijfer. De positie en overnames van het bedrijf betekenen niet dat het aandeel zonder risico is of een gegarandeerd rendement biedt.

De statistieken schetsen een somber beeld

Het gebruik van kunststoffen is sinds de jaren vijftig sterk toegenomen. Een groot deel van het geproduceerde plastic is uiteindelijk afval geworden. Wereldwijde productie, afvalvorming en lekkage naar het milieu zijn verschillende grootheden; de oorspronkelijke cijfers van 2 miljoen en 7 miljard ton mogen niet als één doorlopende jaarlijkse afvalstroom worden gelezen.
Wegwerpverpakkingen leveren een belangrijke bijdrage aan plasticafval. Het precieze aandeel hangt af van land, jaar en definitie. Zonder extra maatregelen kan plasticvervuiling verder toenemen, met risico’s voor ecosystemen en mogelijke gevolgen voor de gezondheid.

Oceanen lijden

De oceanen zijn bijzonder kwetsbaar voor deze vervuilingen. UNEP schatte in 2021 dat zich ongeveer 75–199 miljoen ton plastic in de oceanen bevond. Dat is een opgebouwde hoeveelheid, geen jaarlijkse instroom van 75–99 ton. Jaarlijks komt daar nog miljoenen tonnen bij. Minder vervuiling aan de bron en betere afvalverwerking blijven noodzakelijk.

Grootste vervuilers wereldwijd

De hoeveelheid plasticafval verschilt sterk per land en hangt onder meer samen met bevolking, consumptie en productie. De oorspronkelijke precieze ranglijst voor 2023 is niet voorzien van een controleerbare, eenduidige definitie. Totale afvalproductie mag bovendien niet worden gelijkgesteld aan plastic dat daadwerkelijk in zee of elders in het milieu terechtkomt.

Een teamprestatie

Onderzoeksteams zoeken uiteenlopende manieren om plasticafval te hergebruiken, bijvoorbeeld als grondstof voor nieuwe materialen. Een andere studie onderzocht hoe afval van polystyreenschuim kan worden omgezet voor elektronische toepassingen. Ook hierbij moet onderscheid worden gemaakt tussen een laboratoriumdemonstratie en een betaalbaar, grootschalig proces. Langzame afbraak en risico’s voor dieren maken polystyreenafval een belangrijk aandachtspunt.

Regelgeving

Ook regelgeving beïnvloedt het gebruik van wegwerpplastic. Australische staten, waaronder New South Wales, Victoria en Queensland, hebben op verschillende momenten beperkingen voor bepaalde producten ingevoerd; dit waren geen gelijktijdige verboden op al het wegwerpplastic in 2023. California heeft eveneens maatregelen voor producentenverantwoordelijkheid en verpakkingsafval ingevoerd.

Plasticafval hergebruiken en de wereld veiliger maken

Het omzetten van bepaalde organische reststoffen in bruikbare koolstofdots is een interessante onderzoeksrichting. De mogelijke gevolgen voor recycling hangen af van verdere ontwikkeling en opschaling. Het onderzoek biedt perspectief, maar bewijst niet dat deze methode al miljoenen levens redt of de plasticvervuiling op grote schaal oplost.

Lees meer over andere interessante milieu projecten hier.

(WM )