دور نگه داشتن مواد از محل دفن زباله

اقتصاد ایالات متحده در سال 2018 نزدیک به 36 میلیون تن پلاستیک را پشت سر گذاشته است که آخرین سالی است که داده‌هایی برای آن داریم. از این مقدار، 9 درصد بازیافت شد، 16 درصد برای انرژی سوزانده شد، و مابقی – 30 میلیون تن یا به اندازه سه چهارم کل – در محل های دفن زباله یا اقیانوس ها قرار گرفت، جایی که قرار بود باقی بماند. به شکل کنونی آن برای همیشه.

پلاستیک‌ها ممکن است نگران‌کننده‌ترین مثال ما از یک اقتصاد خطی باشد که در آن منابع طبیعی – در این مورد، نفت، در بیشتر موارد – یک بار استفاده می‌شود و سپس دور ریخته می‌شود.

اما آنها تنها نمونه نیستند. آژانس حفاظت از محیط زیست گزارش می دهد که در همان سال، دو سوم قوطی ها و سایر آلومینیوم ها، 61 درصد بطری ها و سایر شیشه ها، و 54 درصد از لاستیک ها، کفش ها و سایر کالاهای لاستیکی و چرمی دور ریخته شده نیز به محل های دفن زباله راه یافتند.

این میزان ضایعات هم از نظر هدررفت منابع و هم از نظر آلودگی ایجاد شده ناپایدار است. برای دستیابی به یک اقتصاد پایدار، باید بتوانیم از محصولات و وسایل باقیمانده خود – حتی آب – استفاده کنیم و دوباره از آنها به خوبی استفاده کنیم. این به عنوان اقتصاد دایره ای شناخته می شود.

محققان ORNL عمیقاً در به کارگیری اصول اقتصاد دایره ای با تمرکز بر روی پلاستیک ها و پلیمرها، آب و مواد حیاتی هستند.

پلاستیک ها برای همیشه هستند

یکی از چالش‌هایی که در ایجاد اقتصاد دایره‌ای برای پلاستیک‌ها با آن روبرو هستیم این است که پلاستیک‌های جدید ارزان‌تر از همتایان بازیافتی خود هستند. دیگر اینکه پلاستیک های سنتی برای تجزیه طراحی نشده اند.

ریگوبرتو آدوینکولا، مدیر گروه علم نانو مولکولی در مرکز علوم مواد نانوفاز ORNL و به عنوان رئیس مدیر مواد پیشرفته و نانوساختار در ORNL و دانشگاه تنسی، گفت: «مشکل اینجاست: بیشتر پلاستیک تولید شده هنوز وجود دارد.

ادوینکولا توضیح داد: “بسیاری از آن به محل های دفن زباله می رود، برخی به سوزاندن می رود – جایی که برای محتوای انرژی سوزانده می شود – و سپس بقیه به اقیانوس ختم می شود.”

بنابراین چالش دوگانه است: اول، یافتن راهی برای بازیافت پلاستیک‌ها و پلیمرهای موجود و دور نگه داشتن آنها از محل‌های دفن زباله، و دوم، ایجاد پلاستیک‌ها و پلیمرهای جدیدی که به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که به راحتی قابل بازیافت و استفاده مجدد باشند.

یکی از چالش‌های اصلی بازیافت پلاستیک این است که زباله‌های پلاستیکی فقط یک ماده نیستند. پلاستیک های مختلفی وجود دارد که هر کدام خواص منحصر به فردی دارند. بنابراین، برای ایجاد محصولات ارزشمند از پلاستیک بازیافتی، باید با انواع موادی که وارد فرآیند می شوند، مقابله کنیم. این شامل تجزیه آنها به مولکولهای تشکیل دهنده آنها است.

آدوینکولا گفت: «ما اصطلاحی به نام شیمی ساخت و ساز – ساختارشکنی داریم. ما این پلیمرهای موجود را که مولکول‌های بزرگی هستند، می‌گیریم، آن‌ها را برش می‌دهیم و شروع به پیوند دوباره آنها می‌کنیم.

ساختارشکنی به این معنی است که ما باید انواع جدیدی از کاتالیزورها یا مکانیسم‌های واکنشی را پیدا کنیم که به ما امکان می‌دهد به درستی آن‌ها را ساختارشکنی کرده و بازسازی کنیم و سپس در مذاب پردازش کنیم.

ترکیب مجدد این اجزا به محصولات اقتصادی بادوام یک چالش علمی بزرگ است. برای Advincula، بهترین راه برای موفقیت این فرآیند، ایجاد محصولاتی است که ارزش بیشتری نسبت به پلاستیک های اصلی دارند. به این رویکرد upcycling می گویند.

او گفت: «این می تواند یک پلیمر یا محصول پلاستیکی با کارایی بالاتر باشد، یا می تواند واسطه ای برای یک واکنش شیمیایی دیگر باشد. برای خرید و استفاده مردم باید ارزش افزوده داشته باشد.»

امکان اکتشاف مستقل مواد

بنابراین، هر دو چالش – طراحی مواد قابل بازیافت بیشتر و بازیافت موادی که در حال حاضر داریم – نیاز به مقدار زیادی آزمایش دارد. یکی از رویکردهای اتخاذ شده در ORNL برای سرعت بخشیدن به فرآیند، ایجاد یک راکتور جریان پیوسته قابل تنظیم مجدد است، که اساسا یک دستگاه (راکتور در مقیاس کوچک) برای خودکارسازی آزمایش های شیمیایی در مقیاس بزرگ است.

این راکتور – سرمایه گذاری سه ساله ORNL – از نقاط قوت آزمایشگاه در ابر محاسبات، علم نوترون و علم مواد بهره می برد. این راکتور که برای مرکز علوم مواد نانوفاز آزمایشگاه برنامه ریزی شده است، ابزارهای تحلیلی مانند رزونانس مغناطیسی هسته ای، اشکال مختلف طیف سنجی و کروماتوگرافی، تجزیه و تحلیل اشعه ایکس و آنالیز نوترون را با هوش مصنوعی و یادگیری ماشین ترکیب می کند تا به طور خودکار آزمایش های بازیافت را انجام دهد، تجزیه و تحلیل و پردازش کند. از مواد موجود و ایجاد مواد جدید.

بابی سامپتر، یکی از همکاران شرکت ORNL، که به عنوان رئیس بخش تئوری و محاسبات CNMS خدمت می کند، گفت: در رویکرد استاندارد خود، ما معمولاً مقداری از مواد را می سازیم، سپس مواد را مشخص می کنیم، سپس سعی می کنیم بفهمیم در مواد چه می گذرد. کاری که ما می خواهیم در اینجا انجام دهیم این است که همه چیز را به یکباره در یک آزمایش انجام دهیم. و اینجاست که هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی وارد می‌شوند، زیرا تعداد پارامترهای کنترلی که دارید و تعداد ترکیب‌های ممکنی که باید با آنها سر و کار داشته باشید اساساً بی‌نهایت است.

راکتور با خودکارسازی رویکرد «ساخت، اندازه‌گیری، مدل» شیمی سنتی و استفاده از هوش مصنوعی برای ارائه بازخورد برای تصمیم‌گیری مستقل، می‌تواند روند کشف را تا حد زیادی سرعت بخشد. و اگرچه برای طیف گسترده ای از مشکلات علمی مهم استفاده خواهد شد، دو مورد از آنها بازیافت پلاستیک های مخلوط موجود و ایجاد پلاستیک های هوشمندتر در آینده خواهد بود.

سامپتر گفت: «ما تلاش خود را بر روی استفاده از هوش مصنوعی برای تقلید از یک شیمیدان واقعی یا دانشمند مواد در تصمیم گیری در مورد اینکه کدام ترکیبات یا کاتالیزورها یا پارامترهای راکتوری برای ارائه خاصیت مواد خاص یا قابلیت بازیافت مورد نیاز است، متمرکز کردیم. اوک ریج سرمایه گذاری قابل توجهی را برای ایجاد قابلیت هایی انجام می دهد تا نه تنها سنتز مواد را خودکار کند، بلکه آن را مستقل کند.

مواد با تکنولوژی بالا

چالش پلاستیکی فقط در مورد محصولات مصرفی مانند بطری های آب و کیسه های مواد غذایی اعمال نمی شود. همچنین مواد کامپوزیتی با تکنولوژی بالا را که در محصولات پلاستیکی با کارایی بالا مانند وسایل نقلیه الکتریکی، هواپیما و پره های توربین بادی استفاده می شود، پوشش می دهد.

با ترکیب پلاستیک با الیاف کربن یا شیشه، این کامپوزیت ها وزن سبک و استحکام مورد نیاز در این محصولات قرن 21 را با هم ترکیب می کنند. با این حال، هنگامی که ماشین ها یا پره های آسیاب بادی به پایان عمر مفید خود می رسند – معمولاً 20 سال برای پره های توربین بادی – مسئله اقتصاد خطی در مقابل اقتصاد دایره ای باقی می ماند. علاوه بر این، کامپوزیت‌های با فناوری پیشرفته نسبت به پلاستیک‌های با فناوری پایین‌تر، ردپای کربن به‌طور قابل‌توجهی بیشتری دارند و انتظار می‌رود که تقاضا برای این کامپوزیت‌ها در دهه آینده هر سال حدود ۷ تا ۱۰ درصد رشد کند.

به گفته سویدان اوزکان، دانشمند مواد ORNL، که همچنین تلاش‌های بازیافت کامپوزیت‌های انستیتوی نوآوری کامپوزیت ساخت پیشرفته را رهبری می‌کند، چالش کامپوزیت‌ها، مانند پلاستیک‌های معمولی، نیازمند رویکردهای کوتاه‌مدت و بلندمدت است.

یوزجان گفت: “ما نمی توانیم در پنج سال آینده همه چیز را برای انتقال به دنیای جدید طراحی کنیم.” ما حداقل تا 30 سال آینده این مشکل را خواهیم داشت. حرکت به سمت طراحی مواد و محصول پایدارتر به زمان نیاز دارد. در این میان، ما باید فناوری های بازیافت پیشرفته ای را توسعه دهیم که با مواد فعلی کار می کند.

Ozcan کاربردهای مختلفی را برای این مواد پیشنهاد کرد. برای مثال، پره‌های توربین بادی می‌توانند به عنوان تقویت‌کننده‌های سازه‌ای در پل‌ها، ساختمان‌ها و حتی تیرهای برق حیات دوم پیدا کنند. این مواد همچنین می توانند تجزیه شوند و در برنامه های کاربردی چاپ سه بعدی پیشرفته استفاده شوند، فرآیندی که در مرکز نمایش ساخت ORNL نشان داده شده است.

یکی از مزیت های بازیافت در تولید مواد کامپوزیتی این است که جریان های زباله به اندازه پلاستیک های معمولی آلوده نیستند. با این حال، به حداقل رساندن آلودگی در کامپوزیت های بازیافتی برای اطمینان از استفاده از آنها در کاربردهای با بالاترین ارزش هنوز حیاتی است. به این ترتیب، مواد باید در طول چرخه زندگی خود با تکنیک هایی مانند شناسایی فرکانس رادیویی یا RFID و مدیریت داده های ابری ردیابی شوند.

Yozcan گفت: “ما باید ارزش را در کل زنجیره تامین دیجیتال بدست آوریم.” «آن پره‌های توربین بادی کجا هستند؟ این ماشین ها کجا هستند؟ یا این کامپوزیت ها کجا هستند؟ چند بار استفاده شده اند؟ چند سال استفاده شده اند؟ چه نوع مواد راکتیو یا گرمانرم استفاده می شود؟ نزدیکترین مراکز یا امکانات بازیافت کجا هستند؟

هدف این است که کامپوزیت ها را از محل های دفن زباله دور نگه داریم، از انرژی و هزینه ای که برای آنها صرف می شود استفاده کنیم و عمر مفید آنها را به حداکثر برسانیم.

به عنوان مثال، اوزجان گفت: «در تولید یک تیغه مراحل زیادی وجود دارد. مواد اولیه استخراج می شود، سپس یک پلیمر سنتز می شود، الیاف ساخته می شود و سپس کامپوزیت تولید می شود. هر مرحله شامل هزینه های حمل و نقل – سرمایه، انرژی و CO2 – قبل از اینکه محصول نهایی و ابزار مفید را دریافت کنید، است. بعد از 20 سال، وقتی کارتان تمام شد، نیازی نیست هر مرحله را دوباره انجام دهید. این سازه هنوز خوب است و اگر به طور مناسب طراحی شود، می‌توان از آن برای اهداف دیگر استفاده کرد.

او خاطرنشان کرد: تلاش‌ها برای بازیافت مواد موجود لزوماً تلاش‌های موقتی است زیرا محققان مواد قابل بازیافت بیشتری را طراحی می‌کنند. از این گذشته، خود مواد برای بازیافت طراحی نشده اند.

Yozcan گفت: ما برای عملکرد، استحکام مکانیکی، سختی، استحکام، دوام و غیره طراحی می کنیم. “این کاری است که من معمولا به عنوان یک مهندس مواد انجام می دهم. در حالی که ما این مواد را ایجاد می کردیم، درباره اینکه در پایان زندگی چه اتفاقی برای آنها می افتد صحبت نکردیم.

“مواد کامپوزیت بسیار پیچیده هستند. باز کردن بسته بندی و استفاده مجدد از سیستم رزین آسان نیست. بنابراین نقطه شروع باید این باشد که چگونه می توانیم سیستم های رزین قابل بازیافت ذاتی را توسعه و پیاده سازی کنیم.

او گفت که کامپوزیت ها همچنین می توانند خود را به مواد مبتنی بر زیستی وام دهند و به تولیدکنندگان این امکان را می دهد که به طور کامل از مواد مبتنی بر نفت فاصله بگیرند.

به جای شروع با یک پایه نفتی، اگر با مواد پایه زیستی شروع کنیم چه؟ وقتی رزین یا الیاف را از چوب می‌سازید، ماده اولیه شما از قبل دارای ردپای کربن منفی است، زیرا درختان و گیاهان در طول زندگی خود CO2 را پردازش می‌کنند.

برای Ozcan، ORNL مکان مناسبی برای پاسخ به این سوالات است.

اوک ریج یک آزمایشگاه علمی است. ما یک تیم بین رشته‌ای متشکل از شیمیدانان، دانشمندان مواد، مهندسان طراحی محصول، کارشناسان محاسباتی و دیگران داریم که می‌توانند از همه جنبه‌های متنوع، پیچیده و ضروری توسعه فناوری پشتیبانی کنند.