Ar yra cheminė medžiaga, kuri gali suskaidyti plastiką?
Plastikas, kažkada kilęs kaip XX amžiaus revoliucinė medžiaga, dabar tapo vienu aktualiausių mūsų laikų aplinkos iššūkių. Kiekvienais metais visame pasaulyje pagaminta daugiau nei 400 milijonų tonų plastiko ir perdirbta tik trupmena, kyla klausimas, ar cheminė medžiaga gali veiksmingai suskaidyti plastiką, išvengė precedento neturinčios skubos. Nors gamtai trūksta įmontuoto šios žmogaus sukurtos problemos sprendimo, moksliniai proveržiai rodo, kad cheminis skilimas galėtų išlaikyti raktą, kaip sušvelnintiplastinės krizė.
Dėl patvarumo, dėl kurio plastikas yra toks naudingas, atsparumas natūraliam degradacijai, taip pat daro jį aplinką destruktyvų. Tradiciniai plastikai, tokie kaip polietilenas (PE), polipropilenas (PP) ir polietileno tereftalatas (PET), per amžius gali išlikti ekosistemose, suskaidant į mikroplastiką, kuri infiltruoja maisto grandines, vandens šaltinius ir net orą, kurį mes kvėpuojame. Šis atkaklumas atsiranda dėl stiprių kovalentinių ryšių jų polimerų struktūrose, kurių natūraliai atsirandančios medžiagos nėra lengvai suskirstytos. Tačiau naujausi tyrimai nustatė keletą cheminių medžiagų ir biologinių fermentų, galinčių nukreipti šias ryšius.
Fermentai, gamtos biologiniai katalizatoriai, atsirado kaip perspektyvūs kandidatai dėl plastiko skilimo. 2016 m. Portsmuto universiteto mokslininkai atrado „Petase“ - fermentą, kurį gamina bakterijos Ideonella sakaiensis, kuris gali suskaidyti PET plastiką į savo sudedamąsias monomeras. Tolesni tyrimai atskleidė, kad PETazė veikia hidrolizuodama esterio ryšius PET, paverčiant plastiką į mažesnes molekules, kurias galima metabolizuoti mikroorganizmais. Vėlesni tyrimai sutelkė dėmesį į efektyvesnes šio fermento versijas; 2022 m. Komanda iš to paties universiteto pranešė apie modifikuotą PETazę, kuri per 10 valandų pramoninėmis sąlygomis galėtų suskaidyti 90% PET imties, o tai žymiai pagerėjo, palyginti su pirminio fermento greičiu.
Be augintinio, kiti plastikai kelia didesnių iššūkių. Polietileną, plačiausiai pagamintą plastiką, susideda iš ilgų anglies ir vandenilio jungčių grandinių, kurios yra labai atsparios cheminėms atakoms. Tačiau 2021 m. Leipcigo universiteto tyrėjai nustatė bakterinį fermentą, pramintą „Pease“, kuris gali suskaidyti mažo tankio polietileną (LDPE) į riebalų rūgštis. Fermentas veikia oksiduodamas polimero paviršių, sukurdamas reaktyviąsias vietas, kurios leidžia tolesnį skilimą. Nors procesas vis dar yra lėtas kelias savaites, kad būtų galima suskaidyti mažus LDPE-it dalis, tai yra kritinis pirmasis žingsnis siekiant atkreipti dėmesį į vieną iš labiausiai atsparumo plastiko tipų.
Cheminiai katalizatoriai, tiek sintetiniai, tiek natūraliai gauti, taip pat parodė potencialą. Metalo pagrindu pagaminti katalizatoriai, tokie kaip tie, kuriuose yra rutenio ar paladžio, gali pagreitinti plastikinių polimerų skilimą tam tikru temperatūros ir slėgio sąlygomis. Pavyzdžiui, „Science“ paskelbtas 2023 m. Tyrimas parodė, kad rutenio pagrindu pagamintas katalizatorius gali suskaidyti polietileną į skystus angliavandenilius 150 laipsnių, o tai gali būti pakartotinai panaudota kaip degalai ar žaliavos naujoms plastikams. Šis „cheminio perdirbimo“ metodas ne tik suskaido plastiką, bet ir paverčia jį vertingais ištekliais, sumažindamas priklausomybę nuo iškastinio kuro plastiko gamybai.
Nepaisant šių pažangų, išlieka dideli iššūkiai. Viena pagrindinių kliūčių yra mastelio keitimas: laboratorinės sėkmės dažnai stengiasi paversti pramoninio masto procesus dėl didelių išlaidų, energijos poreikių ir gryno plastiko įėjimų poreikio. Dauguma plastikinių atliekų yra skirtingų polimerų, teršalų ir priedų mišinys, kuris gali slopinti fermentų ir katalizatorių aktyvumą. Be to, skilimo šalutiniai produktai turi būti kruopščiai sugebėti išvengti naujų pavojų aplinkai; Pavyzdžiui, kai kurie cheminio skilimo procesai išskiria šiltnamio efektą sukeliančias dujas arba toksiškus junginius, jei jie nėra tinkamai kontroliuojami.
KitasKritinė problemayra laiko tarpas. Nors fermentai, tokie kaip modifikuota PETazė, gana greitai veikia PET, suskaidyti kitus plastikus, tokius kaip polietilenas ar polipropilenas, gali užtrukti mėnesius ar net metus, esant optimalioms sąlygoms per lėtai, kad būtų galima išspręsti milijonus tonų plastikinių atliekų, susidarančių kasmet. Tyrėjai tiria būdus, kaip padidinti fermentų efektyvumą per nukreiptą evoliuciją - procesą, kuris imituoja natūralų atranką, kad būtų sukurta tvirtesni fermentai, ir sujungti kelis fermentus ar katalizatorius, kad būtų galima spręsti mišrius plastikinius srautus.
Šių cheminių procesų poveikis aplinkai taip pat kelia susirūpinimą. Daugeliui dabartinių metodų reikia aukštos temperatūros ar slėgio, kuris sunaudoja didelę energiją ir prisideda prie anglies išmetimo. Kad skilimo procesai būtų tikrai tvarūs, turi būti efektyvus energiją ir idealiai maitinami atsinaujinančių energijos šaltinių. Be to, žiedinės ekonomikos modelis, kur plastikinės atliekos yra perdirbamos į naujus produktus, turi būti integruotos su skilimo technologijomis, siekiant užtikrinti, kad vertingos medžiagos neprarandamos.
Žvelgiant į ateitį, greičiausiai būtinas daugialypis požiūris. Cheminis skilimas vaidins svarbų vaidmenį, ypač plastikams, kuriuos sunku mechaniškai perdirbti, tačiau jis negali pakeisti redukcijos, pakartotinio naudojimo ir mechaninio perdirbimo kaip pagrindinės strategijos. Vyriausybės, pramonės šakos ir vartotojai turi dirbti kartu, kad sumažintų plastiko vartojimą, pagerintų atliekų tvarkymo infrastruktūrą ir investuotų į efektyvių skilimo technologijų tyrimus ir plėtrą.
Apibendrinant, nors nėra vienos cheminės medžiagos, kuri galėtų išspręsti plastinę krizę, vis daugiau tyrimų nustatė fermentus ir katalizatorius, galinčius suskaidyti įvairius plastikinius tipus. Šie atradimai suteikia vilties, tačiau jų plačiai paplitęs taikymas priklauso nuo to, ar įveikia iššūkius, susijusius su mastelio keitimu, sąnaudomis ir aplinkos poveikiu. Tęsdamas mokslą, cheminio skilimo derinys, patobulintos perdirbimo sistemos ir sumažintas plastiko vartojimas ilgainiui gali suteikti kelią sušvelninti šios visur esančios medžiagos padarytą žalą aplinkai. Klausimas yra ne tai, ar galime chemiškai suskaidyti plastiką, bet ar mes galime tai padaryti greitai ir pakankamai tvariai, kad padarytume skirtumą.