Ny kjemisk metode gjør brukt gummi om til høyt verdifulle harpikser

Gummi er et svært verdifullt materiale med et enormt globalt marked. Selv om bruken går flere hundre år tilbake, var den først og fremst begrenset til naturlig gummi fra trær. Den moderne vulkaniseringsprosessen, som gjør gummi holdbar og allsidig, ble ikke utviklet før i 1839. 

Kjemikeren Charles Goodyear oppfant vulkanisert gummi, som er naturlig eller syntetisk gummi forbedret ved å behandle den med svovel, blant andre kjemikalier, og varme.

Unike egenskaper som elastisitet, fleksibilitet, seighet, strekkstyrke, aldringsmotstand, impermeabilitet, støtdemping og varmebestandighet er det som gjør gummi så verdifull i bilindustri, bygg, industri, helsevesen, forbrukerprodukter og emballasje.

Imidlertid er gummiavfall et stort problem som bidrar til den massive avfallskrisen, som stiller utfordringer for miljøet, menneskers helse og økonomien. Den økende avfallsgenereringen er et produkt av urbanisering, økonomisk utvikling og befolkningsvekst.

Dekk, spesielt, er den primære bidragsyteren til gummiavfall. Den totale verdensomspennende produksjonen av avfallsdekk utgjør 2 % av det totale årlige faste avfallet.

Det alvorlige problemet med gummiavfall 

Omtrent en milliard dekk kastes hvert år over hele verden, og millioner ender på søppelfyllinger. I Storbritannia alene blir anslagsvis 37 millioner bil- og lastebildekk kastet årlig. I USA ble mer enn 274 millioner dekk kastet i 2021, med omtrent 20 % av dem kastet på avfallsplasser. 

Det er ikke bare et plassproblem. Opphopningen av disse avfallsstoffene introduserer miljøfarer. 

Gummiprodukter inneholder ulike kjemikalier, inkludert antioksidanter og antiozonanter, som kan lekke ut i miljøet og medføre helserisiko. Feil håndtering av gummiavfall, spesielt dekk, på søppelfyllinger kan til og med føre til grunnvannskontaminering fra lekking av skadelige stoffer og tungmetaller. 

Det faktum at de ikke er biologisk nedbrytbare betyr at de vedvarer i miljøet i lange perioder, og bidrar til forurensning og visuell forringelse i århundrer. I tillegg er gummi svært brannfarlig, og store mengder avfallsdekk kan utgjøre en betydelig brannfare, som frigjør skadelige forurensninger i luften. 

En studie fra 2020 UK-regjeringsfinansiert forskningsstudie antydet at dekkpartikler er en betydelig og ekstra kilde til mikroplast og faktisk kan være en i stor grad uregistrert kilde til mikroplast i vannkropper.

Studien var den første som identifiserte dette, og demonstrerte at dekkpartikler kan enten transporteres direkte til havet gjennom atmosfæren eller bli ført inn i kloakk og elver av regnvann, hvor de kan passere gjennom vannbehandlingsprosessen.

«Forskere har lenge mistenkt at dekkavfall utgjør en skjult trussel mot det marine miljøet», men få studier har målt deres forekomst i vannmiljøer, sa professor Richard Thompson OBE. Studien gir «reell innsikt i viktigheten av dekkslitasje som en kilde til mikroplast».

Alle disse faktorene krever umiddelbar handling og en overgang til bærekraftige avfallshåndteringspraksiser.

Behov for effektive løsninger for håndtering av gummiavfall

Gummiavfall, spesielt fra dekk, er et voksende problem globalt på grunn av økende produksjon og begrenset levetid, noe som skaper behov for effektive avfallshåndterings- og resirkuleringsløsninger. 

«Dekkpartikler antas å være blant de største kildene til mikroplastforurensning verden over», og vi trenger «mer systematiske løsninger kanskje via forbedret dekkdesign», sier professor Richard Thompson OBE FRS, direktør ved Marine Institute.

Forskning fra i fjor, utført av University of Plymouth og Newcastle University og finansiert av UK National Highways, viser at retensjonsdammer kan bidra til å takle dekkforurensning. Studien bemerket også at dekkslitasjepartikler overgikk andre former for mikroplast og ble fjernet i langt større mengder.

Nå har man funnet at tilstedeværelsen av retensjonsdammer og våtmarker reduserer mengden partikler fra dekk som slippes ut i vannene med i gjennomsnitt 75 %, og dermed gir beskyttelse for elver og havet.

Derfor anbefalte forskerne at vedlikehold av våtmarker og retensjonsdammer skal prioriteres for å redusere flyten av dekkpartikler fra veier til elver.

«Retensjonsdammer og våtmarker bygges som en del av motorveiprosjekter hovedsakelig for å dempe vannstrømmen og forhindre oversvømmelser nedstrøms, men også for å fjerne forurensninger. Disse eksisterende dreneringsløsningene langs deler av Storbritannias strategiske vegnett har potensial til å stoppe spredningen av dekkforurensning.»

— Mrs Florence Parker-Jurd, associate forskningsstipendiat

For å få konkrete tall på den totale mengden dekkslitasjepartikler samlet i innløp, utløp og sedimenter i våtmarker og retensjonsdammer, brukte studien pyrolyse-gasskromatografi-massespektrometri (Py-GC-MS)-metoden utviklet av Geoff Abbott fra Newcastle University. Metoden ble utviklet for å identifisere partikler avledet fra dekk i miljøet.

En annen lovende løsning er resirkulering, som kan redusere miljøpåvirkningen fra gummiavfallsdeponering og skape nye produkter fra resirkulerte materialer. 

En anvendelse av resirkulert gummi er i bygg, hvor den kan brukes i asfalt- og betongblandinger, belegningsstein og lekeplassoverflater. Andre anvendelser inkluderer kunstgressfyll, sportsflater, gulvfliser og akustisk isolasjon. Ved bruk av termiske prosesser kan avfallsgummi til og med omdannes til drivstoff eller andre energikilder. 

Pyrolyse er en populær prosess som gjør gummiavfall om til noe nyttig. I denne kjemiske prosessen blir gummi resirkulert gjennom høytemperaturdekomponering. Den separerer kovalente bindinger i organisk materiale i fravær av oksygen. 

Ved å utsette gummiavfall for termisk dekomponering produseres resirkulert karbon svart nanopartikler (RCBN) og olje/gass, som kan brukes som alternativt drivstoff i sementovner.

Resirkulert gummiavfall oppnådd ved pyrolyse fra avfallsdekk kan også brukes til å produsere elektrisk ledende betong. Ledende gummiavfall brukes i luftfarts-, militær- og bilindustrien.

Håndtering av gummiavfall står imidlertid overfor alvorlige utfordringer. For det første gjør den enorme mengden gummiavfall som genereres globalt det ekstremt vanskelig å håndtere og resirkulere effektivt. 

Deretter er det variasjonen av gummiprodukter og deres komplekse kjemiske sammensetning som gjør resirkulering og gjenbruk vanskelig. Selv den mye brukte prosessen (pyrolyse) har sine ulemper – den genererer skadelige biprodukter som dioxiner og benzen som medfører helse- og miljørisiko.

Det er også mangel på infrastruktur og teknologi for effektiv innsamling, sortering og resirkulering av gummiavfall. Tradisjonelle avfallshåndteringsmetoder fokuserer på innsamling, forbrenning og deponering av gummiavfall på søppelfyllinger.

Mot denne bakgrunnen er det essensielt at vi utvikler effektive avfallshåndteringsteknikker for å takle det voksende problemet med gummiavfall på en effektiv måte.

Klikk her for å lære om en ‘Bærekraftsmåling’ kan bidra til å dempe plastforurensning.

En ny kjemisk prosess for å gjenbruke gummiavfall

En ny studie, finansiert av USAs energidepartement (DOE) og publisert i Nature¹, har introdusert en ny teknikk for å takle gummiavfall.

På grunn av mangel på strategier for kjemisk resirkulering av kommersielle dienpolymerer, som de som finnes i dekk, har en ny kjemisk metode blitt utviklet for å bryte ned gummiavfall.

Et team av forskere ledet av Dr. Aleksandr Zhukhovitskiy, assisterende professor i kjemiavdelingen ved UNC-Chapel Hill, anvendte C‑H‑aminering sammen med en polymerryggstruktur‑rearrangeringsstrategi for å omdanne kastet gummi til forløpere for epoxyharpikser.

Denne dekonstrueringen av materialer tilbyr et innovativt, praktisk og bærekraftig alternativ til tradisjonelle resirkuleringsmetoder. Den har også som mål å overvinne utfordringene i tradisjonelle tilnærminger til nedbrytning av gummi.

Gummi består av polymerer som er kryssbundet til et tredimensjonalt nettverk. Denne omfattende kryssbindingen i polymerstrukturen gjør gummi til et sterkt, fleksibelt og holdbart materiale, men gjør den også motstandsdyktig mot nedbrytning.

Det finnes to hovedkonvensjonelle teknikker for å bryte ned gummi: de‑vulkanisering, en prosess som bryter ned svovelkryssbindinger men svekker polymerens mekaniske egenskaper, og kløyving av polymerryggene ved katalytiske eller oksidative metoder, som vanligvis resulterer i lavverdige biprodukter.

Ingen av metodene gir en effektiv og skalerbar løsning for å gjenbruke gummiavfall. For å komme forbi disse hindringene utviklet forskerne «en metode som bryter ned gummi til funksjonelle materialer som har verdi selv som en blanding», sa seniorforfatter Dr. Zhukhovitskiy.

For dette utviklet forskerne et svovel‑diimid‑reagens, som er en imin av svoveldioksid, som tillater opptil 35 % allyl‑aminering av dienpolymerer og gummi. Den kationiske 2‑aza‑Cope‑rearrangement ble deretter anvendt for å dekonstruere polymerene.

Innsetting av svovel‑diimid‑reagenset gjør det mulig å plassere amin‑grupper på bestemte steder i polymerkjeder og legger til rette for den påfølgende ryggrearrangementen. Den kjemiske reaksjonen er det som omstrukturerer polymerryggen. Denne reorganiseringen innebærer dekonstruering av gummi til løselige, amin‑funksjonaliserte materialer. Denne to‑trinns prosessen, som forskerne har vist, fungerer utmerket.

Når den ble testet i en modellpolymer, klarte forskerne å bryte den ned betydelig. Molekylvekten til polymeren ble redusert til omtrent 400 g/mol fra 58 100 g/mol.

Ved å anvende metoden på brukt gummi, klarte de å bryte den ned i sin helhet i løpet av seks timer. Den aminert etter‑forbrukergummien ble til et løselig materiale med amin‑grupper som kan brukes til å produsere materialer som epoxyharpikser.

Epoxyharpikser er kjent for sine fremragende bindende egenskaper. De brukes i lim, belegg, tetningsmidler, elektrisk isolasjon og reparasjoner innen sivilingeniørkunst. Epoxyharpikser er vanligvis laget av petroleum‑baserte kjemikalier som bisfenol A og herdemidler.

Ifølge forskningen har de epoxy‑termohærdende produktene fremstilt ved bruk av de resulterende løselige, amin‑funksjonaliserte polymerene en lignende styrke som kommersielle harpikser avledet fra bisfenol A.

Ifølge medforfatter Maxim Ratushnyy, en tidligere post‑doktor ved UNC‑Chapel Hill:

«I slike øyeblikk kommer jeg til å sette pris på kraften i organisk syntese. Det er fascinerende å se hvor lett den utviklede sekvensen av enkle, men kraftige, organiske transformasjoner kan gripe tak i en sta C‑C‑binding og omdanne polybutadien‑ og polyisopren‑baserte gummier til potensielt verdifulle epoxyharpikser.»

Videre er den nye kjemiske resirkuleringen av etter‑forbrukermaterialer svært effektiv sammenlignet med konvensjonelle resirkuleringsmetoder, som ofte krever dyre katalysatorer eller ekstreme temperaturer.

I denne studien oppnådde forskerne sine resultater ved milde temperaturer, 35‑50 °C (95‑122 °F) i vannbasert medium, noe som gjør prosessen kostnadseffektiv og miljøvennlig.

Miljøpåvirkningen av prosessen ble evaluert ved bruk av Environmental Impact Factor (E‑factor), «en enkel men kraftig metrikk», som beregner den faktiske mengden avfall ved å måle avfall generert i forhold til produktutbyttet.

I tillegg til å sammenligne påvirkningen av en ny prosess med eksisterende, forklarte Dr. Geoff Lewis, forskningsspesialist ved Center for Sustainable Systems ved University of Michigan, at E‑factor også fremhever «prosesssteg som kan forbedres når vi arbeider med å overføre denne prosessen fra laboratoriet til praksis.»

Prosessens komplette E‑factor, som inkluderer løsningsmidler, var høy. Imidlertid var den enkle E‑factoren mye lavere, ekskludert løsningsmidler. Dette fremhever de delene av prosessen som kan optimaliseres for bærekraft.

Dermed utforsker teamet nå grønnere løsningsmidler og alternative reaksjonsbetingelser for å redusere avfallsproduksjon.

Ved å kalle det «et paradigmeskifte i hvordan vi nærmer oss problemet med gummiavfall», forklarte studiekontrahent Sydney Towell, Ph.D.-kandidat ved UNC‑Chapel Hill:

«Ved å utnytte kraften i C‑H‑aminering og ryggrearrangement, gir denne metoden en ny vei for å omdanne etter‑forbrukergummi til høyt verdifulle materialer, redusere avhengigheten av deponier og minimere miljøskade.»

Innovativt selskap

Goodyear Tire & Rubber Co  

Grunnlagt i 1898, er Goodyear en stor dekkprodusent som investerer i bærekraftige gummialternativer og resirkuleringsinitiativer.

I januar 2022 lanserte selskapet et demonstrasjonsdekk laget av bærekraftig materiale. Dekkene inneholder 13 utvalgte ingredienser fordelt på ni ulike dekkkomponenter og leverer sterk samlet ytelse. 

Dette inkluderer karbon svart, som brukes for å øke dekkets levetid og produseres ved forbrenning av ulike petroleumsprodukter. For å redusere sirkularitet og karbonutslipp, er nå fire avvikstyper inkludert, produsert fra plantebasert olje, karbondioksid, metan og pyrolyseolje fra utslitte dekk (TPO) som råstoff. 

Soyabønneolje i det bærekraftige dekket bidrar til å opprettholde fleksibiliteten i gummiblandingen ved varierende temperaturer, mens høykvalitets silika, laget av avfallsrester fra risavskjær, forbedrer grepet og reduserer drivstofforbruket. 

Polyester brukt i dekk er resirkulert fra etter‑forbrukerflasker, mens furutrærresiner, som er bio‑fornybare, har erstattet tradisjonelle resiner basert på petroleum. 

På den tiden var innholdet av bærekraftig materiale i Goodyears dekk 70 %, og det ble rapportert at dette skulle økes til 90 % i 2023, noe som bringer selskapet nærmere målet om å lage det første dekket som er helt laget av bærekraftige materialer.

Selskapet har rapportert at demonstrasjonsdekket bestod alle relevante regulatoriske og interne tester. Sammenlignet med dekk laget med tradisjonelle materialer, ble demonstrasjonsdekket også funnet å ha lavere rullemotstand, noe som betyr bedre drivstoffbesparelser og redusert karbonavtrykk. 

For noen måneder siden avduket selskapet et ElectricDrive Sustainable-Material (EDS) dekk, som markerer et viktig skritt i retning av selskapets mål om å introdusere bransjens første 100 % bærekraftige dekk innen 2030.

Midt i boomen av elektriske kjøretøy (EV) og fokus på bærekraft, er disse EDS-dekkene spesielt utviklet for EV-er, og gir lang rekkevidde, lavere rullemotstand, redusert støy og overlegen våt bremsing og håndtering.

Når det gjelder selskapets økonomi, har Goodyear med en markedsverdi på 2,5 milliarder dollar, hvis aksjer for tiden handles til 8,85 $, ned 2,33 % år‑til‑dato, kunngjort et nettoresultat på 76 millioner dollar eller 26 cent per aksje, sammenlignet med et netto tap på 291 millioner dollar året før, og 114 millioner dollar i justert nettoresultat eller 39 cent per aksje for Q4 2024.

I denne perioden var selskapets omsetning 4,9 milliarder dollar, med dekkvolum på 43,6 millioner enheter. For hele året var omsetningen 18,9 milliarder dollar, med dekkvolum på 166,6 millioner enheter.

I 2024 rapporterte Goodyear et nettoresultat på 70 millioner dollar eller 24 cent per aksje, sammenlignet med et netto tap på 689 millioner dollar året før, og et justert nettoresultat på 302 millioner dollar eller 1,05 dollar per aksje.

Kontantstrøm fra driftsaktiviteter i denne perioden var 698 millioner dollar, ned fra 1,032 milliarder dollar året før. Forrige måned fullførte selskapet salget av sin off‑the‑road dekkvirksomhet til The Yokohama Rubber Company, mens salget av Dunlop‑merket til Sumitomo Rubber Industries forventes å bli fullført innen midten av året.

Når han snakker om sitt første år i Goodyear, delte administrerende direktør Mark Stewart sin tilfredshet med fremdriften i 2024, hvor selskapet overgikk forventningene, økte inntjeningen og inngikk avtaler om å avhende ikke‑kjernevirksomheter.

«Fremover forblir vi forpliktet til å nå våre utvidede Goodyear Forward‑mål, inkludert ytterligere marginutvidelse og betydelig gjeldsnedbetaling.» 

– CEO Stewart

For 2025 forventer selskapet «betydelig gjeldsnedbetaling», marginutvidelse og optimalisering av porteføljen for å drive aksjonærverdier. Goodyear forventes å levere bruttoinntekter på over 2 milliarder dollar og en netto gjeldsgrad på 2,0‑2,5× innen årsslutt.

Siste nyheter om Goodyear Tire & Rubber Co

Konklusjon

Gummiavfall, hovedsakelig fra dekk, utgjør en stor utfordring som krever vår umiddelbare oppmerksomhet og effektive løsninger. Eksisterende metoder som pyrolyse, selv om de er mye brukt, produserer farlige biprodukter.

Gitt at gummiavfall er et voksende og kritisk problem, utforsker forskere nye metoder, som retensjonsdammer for mikroplastfiltrering og kjemiske prosesser som involverer C‑H‑aminering og ryggrearrangement for gummidekonstruering, som tilbyr lovende og grønnere løsninger.

Med fortsatt forskning og industriell adopsjon kan disse fremskrittene bidra til å minimere gummiforurensning, redusere avfall på deponier og omdanne gummiavfall til verdifulle materialer!