Ombruk av plast blir enklere med hjelp av lasere

Verdens økende forurensningsnivåer fortsetter å drive etterspørselen etter rimelige resirkuleringstjenester. Dessverre brytes ikke plastforurensning ned på deponier som annet avfall, noe som fører til massive opphopninger over hele verden. Heldigvis publiserte en gruppe innovative ingeniører en studie denne måneden som demonstrerer et nyskapende laserbasert system som gjør ombruk av plastavfall mer effektivt. Her er det du trenger å vite.

Plastforurensning

Verden trenger noen bærekraftige løsninger for håndtering av plastavfall. Plast er notorisk vanskelig å bryte ned, og på grunn av dette ender de ofte opp i deponier eller søppelhauger, hvor de sakte råtner og ødelegger miljøet. Disse forurensningene fortsetter å dukke opp i drikkevann, dyr og andre viktige punkter i næringskjeden.

Studie om ombruk av plast

Den nyeste forskningen undersøker bruk av lasere for å bryte ned de kjemiske bindingene som gjør plast skadelig og tar så lang tid å nedbrytes i miljøet. Rapporten viser hvordan disse laserne kan dekomponere spesifikke molekyler i plasten, slik at de kan ombrukes som gjenbrukbare stoffer. Spesielt laget teamet luminescente karbonprikker (CD-er) som ble fanget på solide substrater ved hjelp av en prosess kalt C‑H‑aktivering.

Forskerne valgte cetyltrimetylammoniumklorid (CTAC) som det første målet for lasernedbrytningsmetoden. Teamet valgte CTAC på grunn av spesifikke egenskaper, inkludert dens karbonrene struktur. I tillegg er det vanlig i nanomaterialekomposisjon og kan beholde en solid form uten å kreve mye atmosfæriske justeringer.

C‑H‑aktivering

C‑H‑aktivering er en revolusjonerende kjemisk prosess som gjør det mulig for forskere å bryte ned karbon‑hydrogenbindinger i et organisk molekyl. Disse bindingene kan målrettes spesifikt basert på deres sammensetning, slik at de selektivt kan syntetiseres til grunnleggende komponenter som CD-er som kan gjenbrukes.
C‑H‑aktiveringsprosessen introduserer lav‑effekt lysstråler ved spesifikke intervaller og frekvenser. Disse lysstrålene bryter ned de kjemiske bindingene som gjør plast ikke‑biologisk nedbrytbar og danner nye bindinger. Spesielt undersøker studien hvordan man kan bryte ned organiske langkjedede kvartære ammoniumoverflaterensere til luminescente CD-er, og åpner døren for nye muligheter innen ulike felt, inkludert forurensningsreduksjon, materialvitenskap, organisk kjemi og biomedisin.

Karbonbaserte nanomaterialer

Karbonbaserte nanomaterialer er det ideelle produktet for å konvertere plastavfall av mange grunner. For det første kan dette materialet brukes til å lage avanserte elektroniske komponenter, inkludert kretskort, minnelagringsenheter og andre viktige elementer i datamaskinøkonomien. De er i høy etterspørsel og nødvendige for dagens høyteknologiske enheter.

Tetthetsfunksjonalteori (DFT) beregninger

Forskerne utviklet en variant av tetthetsfunksjonalteori‑beregningene for å forutsi konverteringsprosessen og finjustere mengden lys og frekvenser som brukes. Ifølge ingeniørene baserte DFT‑beregningene seg på VASP‑kode, hvor valenselektroner tas med via Kohn‑Sham‑bølgefunksjonene i et planbølge‑basissett. Denne tilnærmingen gjorde det mulig for teamet å fastslå feil og mangler i prosessen uten å måtte kjøre tester på nytt. Spesielt klarte de å bestemme hvordan oksiderte tilstander og feil påvirker H‑adsorpsjon og C‑H‑aktiveringsprosessene.

Testfase

Forskeren begynte testingen ved å lage et tynt lag av solid CTAC. Dette laget ble deretter belagt med et monolag WSe2. Merk at dette belegget ble dyrket spesielt for eksperimentet ved hjelp av kjemisk dampavsetning (CVD). Lagene, referert til som overgangsmetall‑dichalcogenider, letter den kjemiske reaksjonen når de eksponeres for bestråling fra en lav‑effekt kontinuerlig‑bølge laser. Teamet brukte flere lasere med kraft fra ~0,2–5 mW.
Laseret gjør at CTAC‑molekylene kan starte WSe2‑mediert C‑H‑bindingaktivering, noe som resulterer i dannelse av en C=C‑binding og at H‑molekyler konverteres til gassform. Teamet integrerte D‑overgangsmetall‑dichalcogenid‑lag (TMDC‑lag), noe som drastisk reduserte energien som trengs for at karbonmolekyler skal binde seg og omdanne avfall til CD-er.

Overvåking av endringer

Ingeniørene forsøkte prosessen under flere ulike lysforhold. Merk at et Nikon TiE invertert mikroskop, med en ×100 oljeobjektivlinse, og en halogen hvitt lys kilde med rating 12 V, 100 W gjorde eksperimentet mulig. I tillegg brukte teamet en mørkfelt‑kondensor (NA 1,20–1,43) for å oppnå vellykket sporing av laserirradasjon.
Laserne som ble brukt inkluderte en Coherent, Genesis MX STM‑1 W kontinuerlig‑bølge 660 nm laser (Laser Quantum). Interessant nok utvidet ingeniørene strålen for å gjøre den mer effektiv ved hjelp av en Thorlabs GBE05‑A som ble styrt med mikroskopet under testene.

Resultater viser løfter for en grønnere fremtid

Resultatene fra studien er nok til å begeistre industrien. Spesielt lyktes teamet i å konvertere den langkjedede kvartære ammoniumoverflatesensoren cetyltrimetylammoniumklorid (CTAC, C19H42ClN) til luminescente CD-er på 2D WSe2‑monolag i et organisert og romlig‑oppløst mønster. Prosessen ble optimalisert og kan integreres umiddelbart for å bidra til å redusere plastavfall.
For å sikre at prosessen ble fullført effektivt, overvåket forskerne utviklingen ved hjelp av nærfelt nanoskalafouriertransformasjonsinfrarød spektroskopi (nano‑FTIR). De observerte et fremtredende absorpsjonsbånd ved ~1660 cm⁻¹. Dette området økte effektiviteten av C=C‑bindinger i CD-er. I tillegg brukte teamet Raman‑spektrer og kartlegging via Renishaw‑systemet for å spore fremdriften. Raman‑spektren viste at teamet fullførte konverteringen fra avfall til CD-er.

Fordeler

Det er mange fordeler som denne studien gir. Plastforurensning er et stort problem som allerede påvirker millioner av menneskers liv hvert år. Evnen til å syntetisere funksjonelle organiske komplekser og miljøforurensninger som fossilt brenselavfall til fornybare kjemikalier åpner døren for en mer sirkulær økonomi hvor avfall blir verdifulle produkter gjentatte ganger.

Mer effektiv

En av de største fordelene med denne prosessen er at den er mer effektiv enn noen nåværende metode. Teknikker som brukes i dag krever mye energi, er dyre, og kan føre til ytterligere skade på miljøet. Dermed åpner denne tilnærmingen døren for renere resirkulering av disse avfallsstoffene.

Fleksibel

En annen stor fordel med denne forskningen er at den kan anvendes på et spekter av kjemiske forurensninger som for tiden plager miljøet. Forskere har uttalt at prosessen vil fungere på et enormt utvalg av langkjedede organiske forbindelser. Dermed kan denne strategien implementeres globalt for å bekjempe et økende utvalg av avfall, inkludert polyetylen og overflateaktive stoffer.

Forskere

Plastforurensningsstudien samlet noen av de mest briljante sinnene fra akademia og vitenskapelige sektorer. Prosjektet var medforfattet av Jingang Li og inkluderte hjelp fra forskere ved University of California, Tohoku University i Japan, Lawrence Berkeley National Laboratory, The Pennsylvania State University og Baylor University. Finansiering til studien kom fra National Institutes of Health, Hirose Foundation, National Natural Science Foundation of China, National Science Foundation og Japan Society for the Promotion of Science.

Applikasjoner

Det finnes mange anvendelser for denne teknologien. Evnen til å redusere plastavfall har gått fra en bekymring til en overordnet risiko som krever umiddelbar og kontinuerlig oppmerksomhet. Denne siste oppdagelsen bidrar til å redusere disse risikoene ved å omdanne plastavfall til verdifulle og gjenbrukbare CD-er. Dermed finnes det nesten uendelige anvendelser innen fotoniske materialer, organisk kjemi og miljøremediering.

Selskaper som kan dra nytte av denne studien

Når du ser på markedet, er det lett å se at flere selskaper kan dra nytte av å integrere denne teknologien umiddelbart. Disse selskapene har lenge vært pionerer innen avfallshåndtering, resirkulering og miljøløsninger. Dermed gir de en unik mulighet for investorer til å få eksponering mot en raskt voksende sektor.

1. Waste Management

WCN Prisdiagram

Waste Management (WM ) gikk inn i markedet i 1987 med mål om å gi samfunnet en bedre måte å kvitte seg med avfallsrike materialer på. Selskapet utvidet raskt sin virksomhet til å inkludere resirkuleringstjenester. I dag er dette Texas-baserte firmaet en av de ledende leverandørene av disse tjenestene.

Som den ledende leverandøren av omfattende avfallshåndteringstjenester er Waste Management strategisk posisjonert. Det er en stor operasjon med over 28 000 ansatte. Selskapet har gjort gjennombrudd innen resirkulering, avfallshåndtering, fornybar energi og andre viktige markeder. Merk at de rapporterte en omsetning på over 20,69 milliarder dollar i 2023.

Investorer kan vurdere WCN som en sterk «kjøp». Det er den ledende utvikleren, eieren og operatøren av deponigass‑til‑energi‑tjenester i USA. Dermed har aksjen overprestert og viser for tiden en 5‑års avkastning på +107,63 %. Merk at aksjen har steget +2 137 % siden børsnoteringen.

2. Waste Connections

WCN Prisdiagram

Waste Connections (WCN ) gikk inn i markedet i 1997. Opprinnelig basert i California, flyttet selskapet til Texas som en del av sin strategi for å betjene nasjonen bedre. I dag har Waste Connections over 19 000 ansatte og er en ledende leverandør av avfallsinnsamling, overføring, deponering og resirkuleringstjenester i USA.

Merk at Waste Connections kan oppleve en enorm økning i kapasitet og inntekter dersom de lykkes med å integrere de nye laserbaserte plastresirkuleringssystemene som forskerne har foreslått. Denne oppgraderingen vil tillate selskapet å skape ekstra inntekter ved å tilby CD-er til kunder.

Waste Collections har en markedsverdi på over 46,85 milliarder dollar. Selskapet har en sterk «hold»-anbefaling på grunn av sin posisjonering og flere høytstående oppkjøp de har fullført gjennom årene. De som søker en stabil aksje med sterk oppsidepotensial bør vurdere Waste Connections.

Statistikken maler et mørkt bilde

Plast revolusjonerte måten verden driver handel på og forblir et viktig element i hverdagen. Dette nyttige materialet har blitt brukt i stor grad, med eksperter som peker på eksponentiell vekst siden introduksjonen i 1950. Dessverre ender mye av denne plasten opp som avfall. Ifølge miljøstudier introduserer verden hvert år 2 millioner tonn plastforurensning i miljøet, noe som legger til de allerede sirkulerende 7 milliarder metriske tonn.
Det er lett å se hvor disse forurensningene kommer inn i markedet. Studier har vist at opptil 50 % av plastavfallet stammer fra engangs emballasje. Det verste er at analytikere forutsier at forurensningsnivåene vil stige kraftig i de kommende årene, noe som øker helse- og miljørisikoene betydelig. Dessverre har denne situasjonen ført til noen alvorlige konsekvenser.

Havene lider

Havene er spesielt utsatt for disse forurensningene. Dessverre havner 75–99 tonn plast i havet, hvor den blir liggende og skaper massive søppeløyer som lekker ut dødelige forurensninger. På nåværende tempo produserer mennesker 33 milliarder pund plastavfall som ender opp i havet hvert år. Denne siste utviklingen kan bidra til å lindre disse bekymringene og hjelpe til med å innføre en mer bærekraftig økonomi.

Største forurensere globalt

Det burde ikke overraske at ikke alle land er like ansvarlige for avfallsproblemet. Som forventet er de viktigste bidragsyterne alle nasjoner med massive økonomiske og industrielle sektorer. I 2023 ledet Kina med omtrent 59 079 741 metriske tonn avfall. USA fulgte tett på andreplass med 37 825 550 tonn. Tyskland, Brasil og Japan er også store bidragsytere, men i en mye mindre skala enn Kina og USA.

Et teamarbeid

Etterspørselen etter å redusere plastavfall har ført til at flere forskningsteam over hele verden har fremsatt konsepter. Disse ideene spenner fra å sende avfall ut av planeten til å ombruke det i dagens avanserte elektronikk. En interessant studie fant at styrofoam‑avfall kunne brytes ned og brukes til å lage verdifulle elektroniske komponenter. Styrofoam, som plastavfall, er et stort problem på grunn av sin lange nedbrytningstid og faren det medfører for dyrelivet.

Reguleringer

En annen viktig faktor å vurdere er den økende regulatoriske motstanden. Lovgivere har erkjent at den nåværende situasjonen ikke er bærekraftig. Den massive bruken av engangsplast og andre faktorer har ført til et behov for store endringer. Som følge av dette er ny lovgivning blitt introdusert globalt. For eksempel innførte New South Wales, Victoria og Queensland forbud mot engangsbruk i 2023. Nå søker California å gjøre produsenter ansvarlige for å rydde opp i deres plastavfall.

Ombruk av plastavfall og gjør verden tryggere

Å ta plastavfall, som har forårsaket uopprettelig skade på miljøet, og ombruke det til verdifulle CD-er gir perfekt mening. Utviklingen kan ha umiddelbare og langsiktige konsekvenser for industrien. For nå fortjener dette teamet av ingeniører anerkjennelse for sin oppdagelse som har potensial til å redde millioner av liv i fremtiden.

Lær om andre kule miljø prosjekter nå.