Återanvändning av plast blir enklare med hjälp av laser

Plastföroreningar ökar behovet av bättre avfallshantering och återvinning. En studie från juli 2024 visar hur laserljus och tvådimensionella material kan omvandla vissa organiska ämnen till luminescerande kolprickar. Metoden är lovande, men ännu ingen färdig lösning för blandat plastavfall i industriell skala.

Plastförorening

Många plaster bryts ned långsamt och kan i stället fragmenteras till mindre partiklar. Plastföroreningar har påträffats i vatten och organismer och kan spridas genom miljön. Minskad användning, återanvändning och bättre avfallshantering behövs tillsammans med nya behandlingstekniker.

Studie om återanvändning av plast

Studien undersöker ljusdriven aktivering av kol–vätebindningar med hjälp av tunna halvledarmaterial. Forskarna framställde luminescerande kolprickar på fasta underlag. CTAC var ett viktigt modellämne; det är ett ytaktivt ämne och inte i sig vanligt förpackningsplastavfall.

Forskarna använde cetyltrimetylammoniumklorid (CTAC), ett långkedjigt kvartärt ammoniumsalt. Dess definierade sammansättning gjorde det lämpligt för att undersöka omvandlingen på laboratorienivå.

C‑H‑aktivering

C–H-aktivering innebär att kol–vätebindningar görs tillgängliga för kemiska reaktioner. I denna metod bidrar ljus och tvådimensionella övergångsmetalldikalkogenider till omvandling av långkedjiga organiska ämnen. Detta är en särskild fotokemisk metod, inte definitionen av all C–H-aktivering.

Kolbaserade nanomaterial

Kolbaserade nanomaterial kan ha användbara optiska och elektroniska egenskaper. De kolprickar som framställdes här är särskilt intressanta för fotonik, informationslagring och kryptering. Det betyder inte att de direkt ersätter alla material i kretskort eller minneskretsar.

Beräkningar med densitetsfunktionalteori (DFT)

DFT-beräkningar med VASP användes för att analysera reaktionsmekanismer och energibarriärer. Metoden beskriver elektronstrukturen med Kohn–Sham-formalism. Forskarna undersökte bland annat hur defekter och oxiderade yttillstånd påverkar väteadsorption och bindningsreaktioner. Beräkningarna kompletterade experimenten, inte ersatte dem.

Testfas

Experimenten kombinerade organiska molekyler med ett atomtunt lager WSe2, en övergångsmetalldikalkogenid. Belysning med en kontinuerlig laser vid låg effekt kunde driva reaktionen. WSe2-medierad C–H-aktivering följdes av bildning av C=C-bindningar och kolprickar. Metoden undersöktes med effekter i milliwattområdet.

Övervakning av förändringar

Optisk mikroskopi användes för att följa förändringarna. Utrustningen omfattade ett Nikon TiE-mikroskop med 100× oljeimmersionsobjektiv och mörkfältsoptik. Laserstrålen styrdes och formades genom den optiska uppställningen. Olika ljuskällor och mätmetoder hade olika funktioner och bör inte blandas ihop som en enda laser.

Resultaten visar löfte för en grönare framtid

Forskarna lyckades framställa luminescerande kolprickar från CTAC, C19H42ClN, på WSe2 i rumsligt kontrollerade mönster. Nano-FTIR och Ramanspektroskopi användes för att undersöka materialförändringarna. Ett absorptionsband omkring 1660 cm−1 gav information om bindningsstrukturen; det var inte i sig en ökning av bindningarnas effektivitet. Resultaten visar laboratorieomvandling, inte omedelbar industriell återvinning.

Fördelar

Att omvandla organiska rester till funktionella material kan bidra till en mer cirkulär resursanvändning. Den faktiska miljönyttan kräver dock bedömning av energi, utbyte, underlag, kemikalier och hela livscykeln.

Mer effektiv

Låg lasereffekt i ett mikroskopiskt experiment är en möjlig fördel. Studien visade inte att processen är effektivare än varje befintlig återvinningsmetod eller att kostnaden för avfallshantering redan har minskat.

Flexibel

Forskarna undersökte även andra långkedjiga organiska ämnen, däribland polyeten. Detta tyder på en bredare potential, men inte att tekniken fungerar på alla plastsorter eller blandade förorenade avfallsströmmar.

Forskare

Studien omfattade Jingang Li och kollegor från bland annat University of California, Tohoku University, Lawrence Berkeley National Laboratory, Pennsylvania State University och Baylor University. Angivna finansiärer omfattade National Institutes of Health, Hirose Foundation, National Natural Science Foundation of China, National Science Foundation och Japan Society for the Promotion of Science.

Tillämpningar

Möjliga användningsområden är fotoniska material, kemisk syntes och behandling av organiska föroreningar. Överföring från ett laboratorieförsök till storskalig plaståtervinning kräver fortsatt utveckling.

Företag som kan dra nytta av denna studie

Avfalls- och återvinningsföretag kan följa utvecklingen av nya materialprocesser. Följande företag är exempel på aktörer i sektorn, inte bekräftade användare av studiens metod.

1. Waste Management

WM Prisdiagram

Waste Management (WM ) är ett stort nordamerikanskt avfallsföretag med insamling, behandling, återvinning och verksamhet kopplad till energiåtervinning. Företaget har betydande verksamhet i Texas och andra delar av Nordamerika.

WM rapporterade intäkter på cirka 20,426 miljarder dollar för 2023. Det är ett historiskt helårstal och ska inte förväxlas med en aktuell värdering.

Waste Management handlas under symbolen WM; WCN avser ett annat företag, Waste Connections. Historiska kursuppgångar eller verksamhet inom deponigas garanterar inte framtida avkastning.

2. Waste Connections

WCN Prisdiagram

Waste Connections (WCN ) grundades 1997 och erbjuder insamling, transport, behandling och återvinning av avfall i Nordamerika. Företagsnamnet är Waste Connections, inte Waste Collections.

En framgångsrik industriell tillämpning av nya återvinningsmetoder skulle kunna skapa möjligheter. Studien visar dock inte att Waste Connections har infört laserprocessen eller kan sälja kolprickar från den.

Den angivna börsvärderingen på omkring 46,85 miljarder dollar är historisk. Förvärv och marknadsposition behöver vägas mot konkurrens, kostnader och finansiell risk; aktien är inte automatiskt ett stabilt val för alla investerare.

Statistiken målar en mörk bild

Plastproduktionen har vuxit kraftigt sedan 1950-talet. UNEP har uppskattat att omkring sju miljarder ton av den sammanlagda produktionen fram till 2017 hade blivit avfall. Detta är en kumulativ avfallsmängd, inte mängden plast som årligen släpps ut i miljön. Engångsprodukter och förpackningar är viktiga delar av problemet, men andelar varierar med definition och år.

Haven lider

Haven påverkas särskilt av dessa föroreningar. UNEP:s uppskattning av den samlade mängden plast i haven var omkring 75–199 miljoner ton, inte 75–99 ton. FN angav omkring elva miljoner ton som årligt inflöde. Ackumulerad mängd och årligt flöde måste hållas isär. Den nya laboratoriemetoden har ännu inte visats kunna behandla sådana mängder.

Största förorenarna globalt

Länders bidrag beror på om man mäter produktion, genererat avfall, bristfällig hantering eller utsläpp. Stora tillverkningsländer och konsumtionsmarknader har betydande avfallsströmmar, men en rangordning kräver jämförbara data för samma år och mått.

Ett lagarbete

Forskargrupper undersöker flera sätt att minska avfall och återvinna material. En annan studie undersökte om polystyrenavfall kunde omvandlas till material för elektronik. Sådana behöver bedömas utifrån teknisk funktion, kostnad och miljöpåverkan.

Regleringar

Flera jurisdiktioner införde stegvisa begränsningar för vissa engångsplaster. New South Wales utökade sina förbud i november 2022 och Victoria införde sitt i februari 2023. Queensland hade flera etapper, bland annat ytterligare begränsningar i september 2023. Det var inte ett gemensamt förbud mot all engångsplast. Kalifornien arbetade samtidigt med utökat producentansvar för förpackningar.

Återanvändning av plastavfall för en bättre miljö

Att omvandla vissa organiska ämnen till användbara kolprickar är en intressant forskningsriktning. För att avgöra bidraget till avfallsproblemet behövs fortsatt arbete med skalning, ekonomi och miljöbedömning. Studien visar inte redan genomförda globala utsläppsminskningar eller miljontals räddade liv.

Läs om fler miljöprojekt här.