Nowa metoda PMMA można poddać recyklingowi przy mniejszym zużyciu energii 

Naukowcy z ETH opracowali nową metodę energooszczędnego i ekonomicznego rozkładania PMMA na jego składniki. Materiał pochodzący z recyklingu jest niezwykle czysty, dzięki czemu można z niego wytwarzać produkty wysokiej jakości. Co ciekawe dla przemysłu: mógłby on natychmiast wdrożyć tę metodę.

Polimetakrylan metylu (PMMA, znany również jako szkło akrylowe lub pleksiglas) jest wykorzystywany na całym świecie w dużych ilościach do najróżniejszych zastosowań – od „szyb” przez tylne światła samochodowe aż po meble. Nadal zbyt często szkło akrylowe trafia na wysypisko śmieci. A przecież można je z powodzeniem poddać recyklingowi.

Athina Anastasaki, specjalistka w dziedzinie materiałoznawstwa i profesor ETH, od lat pracuje nad skutecznym rozkładaniem szkła akrylowego na jego podstawowe składniki i ponownym ich wykorzystaniem. W swoich wcześniejszych badaniach jej zespół wykazał, że tzw. depolimeryzacja jest co prawda zasadniczo możliwa, ale wymagała spełnienia specjalnych warunków: Naukowcy z ETH musieli dotychczas modyfikować chemicznie łańcuchy polimerowe, aby wprowadzić do nich „miejsca planowanego pęknięcia”. Inne metody wymagały dużych ilości rozpuszczalników, katalizatorów lub promieniowania UV, aby zainicjować lub podtrzymać proces depolimeryzacji.

Nowe podejście pozwala oszczędzać energię i pieniądze

Teraz profesor z ETH wraz ze swoim zespołem przedstawia nowe, znacznie prostsze podejście do recyklingu PMMA. Opublikowali go w czasopiśmie naukowym Nature Chemistry.

Dzięki nowej metodzie naukowcom udaje się niemal całkowicie rozłożyć polimer na jego elementy składowe, czyli monomery: wydajność uzysku monomerów sięga nawet 98 procent. Ponadto produkt recyklingu jest niezwykle czysty, nawet jeśli materiał wyjściowy zawiera barwniki lub zanieczyszczenia. Z odzyskanych monomerów można wytwarzać nowe polimery o takiej samej jakości jak podczas pierwszego przetworzenia.

Proces ten wymaga ponadto znacznie mniej energii niż inne metody. Depolimeryzacja rozpoczyna się już w temperaturze nieco powyżej 200 stopni Celsjusza. Dotychczas do tego celu potrzeba było co najmniej 400 stopni. Co więcej, proces ten odbywa się całkowicie bez użycia rozpuszczalników. „To, co sprawia, że nasze nowe podejście jest tak fascynujące, to jego prostota” – mówi Richard Whitfield, pierwszy autor badania i były pracownik naukowy w grupie badawczej Anastasakisa.

Wystarczy jedna substancja

Sercem nowej metody jest pojedynczy związek chemiczny należący do klasy substancji zwanych N-hydroksyimidami – dostępny w handlu i niedrogi odczynnik. Atakuje on łańcuchy polimerowe szkła akrylowego, rozcina je i uwalnia monomery. Po dodaniu tej substancji reakcja przebiega samoczynnie.

Wybór odczynnika nie był przypadkowy. „Szukaliśmy systematycznie, aż natrafiliśmy na tę substancję” – wyjaśnia Anastasaki. Ta jedna substancja wystarczy teraz do zainicjowania depolimeryzacji. 

Złożono wniosek patentowy, poszukujemy licencjobiorców

Inne metody recyklingu chemicznego opierają się na tzw. pirolizie. W procesie tym polimery tworzyw sztucznych są rozkładane na swoje składniki w wysokich temperaturach, zazwyczaj przekraczających 400 stopni. Ponadto czystość odzyskanych monomerów jest często niska – zawierają one do trzech procent zanieczyszczeń. Może to negatywnie wpływać na jakość tworzywa sztucznego, które jest z nich wytwarzane.

ETH w Zurychu złożyła wniosek o patent na nową metodę i obecnie poszukuje licencjobiorców. „Konkurencja w dziedzinie chemicznego recyklingu tworzyw sztucznych jest duża, zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych, gdzie w tej dziedzinie działają duże, dysponujące znacznymi środkami finansowymi grupy badawcze” – mówi Anastasaki. Jednak dzięki solidnemu finansowaniu podstawowemu zapewnianemu przez ETH w Zurychu ta specjalistka w dziedzinie materiałoznawstwa jest w stanie dotrzymać kroku konkurencji i tym razem nawet wyprzedza amerykańskich rywali o krok.

Przemysł mógłby od razu zastosować to podejście

Przemysł chemiczny wykazuje zainteresowanie tą nową metodą. Jej kluczową zaletą jest bowiem to, że przemysł mógłby ją wdrożyć przy wykorzystaniu istniejącej infrastruktury i standardowych procesów. „Nasze wcześniejsze rozwiązania miały tę wadę, że firmy musiałyby zmienić procesy i instalacje, aby je wdrożyć. Dla większości z nich jest to zbyt kosztowne” – wyjaśnia Anastasaki.

W kolejnych etapach zamierza ona rozszerzyć skalę tej metody i szczegółowo zbadać mechanizmy reakcji. Na tej podstawie naukowcy z ETH chcą opracować substancje, które jeszcze bardziej przyspieszą rozkład polimerów i pozwolą dalej zoptymalizować wydajność monomerów.

Jest jednak jeden mały haczyk: metoda ta sprawdza się wyłącznie w przypadku szkła akrylowego. Aby rozłożyć inne tworzywa sztuczne na ich podstawowe składniki, konieczne są inne podejścia. Mimo to badaczka materiałów jest optymistyczna: „Postaramy się zastosować tę zasadę również do polistyren, jednego z najczęściej stosowanych tworzyw sztucznych na świecie” – mówi Anastasaki.