جدیدترین روش بازیافت کربن دی اکسید (CO2)

کربن دی اکسید (CO2) یکی از مهم ترین گاز های گلخانه ای و عامل اصلی گرمایش زمین است. اما همین گاز می تواند به عنوان ماده اولیه در فرایندهای صنعتی مختلف به کار رود. هرچه استفاده هدفمند از CO2 بیشتر شود، میزان انتشار آن در جو نیز کاهش خواهد یافت.

به تازگی تیمی به رهبری شیمیدانان دانشگاه لیژ (Liège) بلژیک، روش جدیدی برای تولید پلاستیک های پلی یورتان قابل بازیافت با استفاده از کربن دی اکسید ابداع کرده اند. این پژوهش که در مجله انجمن شیمی آمریکا (JACS) منتشر شده، می تواند راهی برای تولید پلاستیک های واقعا پایدار و کاهش انتشار CO2 باشد.

در این مقاله با کربن دی اکسید، کاربردهای صنعتی آن، پلاستیک های پلی یورتان و جزئیات این تکنیک جدید آشنا می شوید.

کربن دی اکسید چیست؟

کربن دی اکسید ترکیبی شیمیایی با فرمول CO2 است که در آن هر اتم کربن با دو اتم اکسیژن پیوند کووالانسی دارد. این ترکیب در دمای اتاق گاز است، نور مرئی را از خود عبور می دهد اما پرتو فروسرخ را جذب می کند و به همین دلیل به عنوان گاز گلخانه ای عمل می کند.

ویژگی های کربن دی اکسید

• کربن دی اکسید حدود 53 درصد چگال تر از هوای خشک است، اما عمر طولانی در جو دارد و به طور کامل با هوا مخلوط می شود.

• حدود نیمی از CO2 اضافی منتشر شده توسط انسان، به وسیله اقیانوس ها و خشکی ها جذب می شود.

• CO2 موجود در جو، از طریق فتوسنتز منبع اصلی کربن برای حیات روی زمین است.

• کربن دی اکسید در آب حل می شود و در آب های زیرزمینی، دریاچه ها، یخ های قطبی و آب دریا وجود دارد.

• CO2 محلول در آب به کربنات و عمدتا بی کربنات (HCO3−) تبدیل می شود. به همین دلیل افزایش CO2 جو باعث اسیدی شدن اقیانوس ها می شود.

کربن دی اکسید در غلظت های معمول جو سمی نیست، اما در فضاهای بسته و غلظت های بالا برای سلامت انسان خطرناک است. برای اندازه گیری غلظت CO2 در محیط های صنعتی می توان از تیوب های گازسنجی CO2 استفاده کرد.

کاربرد صنعتی کربن دی اکسید

استفاده از کربن دی اکسید در صنعت به دو دسته کلی تقسیم می شود:

استفاده مستقیم از CO2

در این روش، CO2 بدون تغییر شیمیایی استفاده می شود؛ مانند کاربرد در صنایع غذایی، دارویی و تولید نوشیدنی های گازدار.

تبدیل شیمیایی و زیستی CO2

در این روش، CO2 به مواد دیگری تبدیل می شود؛ از جمله سوخت های مصنوعی، پلیمرها، مواد شیمیایی آلی و مواد معدنی. با استفاده از کاتالیزور های مختلف، کربن دی اکسید را می توان به ترکیباتی مانند متانول، اسید فرمیک، پلیمر ها، چسب ها و مواد دارویی تبدیل کرد.

پلیمر های ساخته شده از CO2 هنوز نسبتا گران هستند، اما با توجه به محدودیت منابع فسیلی، آینده امیدوارکننده ای دارند. در حال حاضر فقط تعداد کمی از مواد شیمیایی حاصل از CO2 در مقیاس تجاری تولید می شوند.

پلاستیک پلی یورتان چیست؟

پلی یورتان (با علامت اختصاری PU یا PUR) به گروهی از پلیمرها گفته می شود که از واحدهای آلی متصل به هم با پیوندهای کاربامات (یورتان) تشکیل شده اند.

برخلاف پلیمرهای رایج دیگر مانند پلی اتیلن و پلی استایرن، پلی یورتان از مواد اولیه بسیار متنوعی تولید می شود. این تنوع شیمیایی باعث می شود پلی یورتان هایی با ساختارها و کاربردهای بسیار متفاوت ساخته شوند.

کاربردهای پلی یورتان

• فوم های سخت و انعطاف پذیر

• پوشش ها

• چسب ها

• الیاف مانند اسپندکس

• ورقه های پلی یورتان (PUL)

فوم ها بزرگ ترین کاربرد پلی یورتان هستند و در سال 2016 حدود 67 درصد از کل پلی یورتان تولیدی را تشکیل می دادند. تولید جهانی پلی یورتان در سال 2019 حدود 25 میلیون تن بود که تقریبا 6 درصد از کل پلیمرهای تولید شده در آن سال را شامل می شد.

ساختار شیمیایی پلی یورتان

پلی یورتان معمولا از واکنش یک ایزوسیانات با یک پلی ال تولید می شود. هر دو ماده در هر مولکول دو یا چند گروه عاملی دارند. چون پلی یورتان از دو نوع مونومر تشکیل شده که یکی پس از دیگری در زنجیره قرار می گیرند، آن را در دسته کوپلیمرهای متناوب طبقه بندی می کنند.

چالش بازیافت پلاستیک ها

پلاستیک ها صنعت جهانی را متحول کرده اند و در ساختمان سازی، پوشاک، خودروسازی و بسته بندی مواد غذایی همه جا حضور دارند. مصرف جهانی پلاستیک در سال 2019 حدود 460 میلیون تن برآورد شده است. دلیل این موفقیت روشن است: پلاستیک ها سبک، ارزان و بسیار همه کاره هستند.

اما مشکل بزرگ پلاستیک ها، دشواری بازیافت آنهاست. بازیافت برخی از آنها، به ویژه پلاستیک های گرماسخت (Thermoset)، تقریبا غیرممکن است. این موضوع هم منابع فسیلی را که برای تولید پلاستیک مصرف می شوند از بین می برد و هم باعث انباشت طولانی مدت پلاستیک در طبیعت و اقیانوس ها می شود.

به همین دلیل، طراحی پلاستیک هایی که در پایان عمر به راحتی بازیافت شوند و اثرات زیست محیطی کمتری داشته باشند، ضرورتی فوری است.

تکنیک جدید تولید پلی یورتان از CO2

محققان مرکز آموزش و پژوهش ماکرومولکول ها (CERM) در دانشگاه لیژ، با همکاری دانشگاه مونس (Mons) و دانشگاه باسک اسپانیا، روش جدیدی برای تولید پلاستیک های پلی یورتان به راحتی قابل بازیافت ارائه کرده اند.

به گفته توماس هابتس (Thomas Habets)، دانشجوی دکترای CERM و نویسنده اول مقاله، ویژگی خاص این روش استفاده از کربن دی اکسید به عنوان ماده خام برای ساخت مونومرها یا بلوک های سازنده این پلاستیک های جدید است.

ویژگی های پلی یورتان های جدید

• قابلیت تنظیم خواص: ساختار مونومرها به راحتی قابل تغییر است. به همین دلیل می توان پلاستیک هایی با خواص بسیار متنوع تولید کرد؛ از الاستومرهای انعطاف پذیر شبیه سیلیکون تا مواد سخت شبیه پلی استایرن.

• ساختار شبکه ای سه بعدی: این پلاستیک ها به جای زنجیره های خطی بلند، ساختاری شبیه شبکه سه بعدی دارند که آنها را مقاوم تر می کند. این ساختار معمولا در پلاستیک های گرماسخت دیده می شود که بازیافتشان بسیار دشوار است.

• پیوندهای شیمیایی دینامیک: پلی یورتان های جدید پیوندهای شیمیایی «دینامیک» دارند. یعنی با وجود ساختار گرماسخت، می توان در شرایط نسبتا ملایم، با جابه جا کردن پیوندهای شیمیایی شکل آنها را تغییر داد.

روش های بازیافت پلاستیک های جدید

بزرگ ترین مزیت این فناوری، امکان تنظیم گسترده خواص پلاستیک و در عین حال فراهم کردن چند روش مختلف برای بازیافت آن در پایان عمر است:

1. شکل دهی مجدد با حرارت: پلاستیک با گرم شدن دوباره شکل می گیرد.

2. ترکیب پلاستیک های مختلف: با ترکیب انواع مختلف این پلاستیک ها، مواد هیبریدی با خواص جدید ساخته می شود.

3. تجزیه به مونومر ها: پلاستیک به مونومر های سازنده خود شکسته می شود. این روش برای جدا کردن افزودنی هایی مانند رنگ ها یا بازیافت کامپوزیت ها ایده آل است.

آینده تولید پلاستیک از CO2

این پژوهش نشان می دهد که کربن دی اکسید می تواند مستقیما به عنوان یک منبع شیمیایی در صنعت استفاده شود. کریستوف دترمبلور (Christophe Detrembleur)، از محققان این پروژه، تاکید می کند که این نتایج مربوط به نخستین مطالعات بنیادی روی این مواد است، اما جالب است که این پلاستیک ها می توانند به خواصی مشابه برخی پلاستیک های رایج نفتی دست یابند.

این فناوری می تواند راه حلی بالقوه برای تولید پلاستیک های پایدار با خواص متنوع باشد که نیاز های بیشتر کاربردهای روزمره را برآورده کند.

سوالات متداول درباره تولید پلاستیک از CO2

آیا می توان از کربن دی اکسید پلاستیک ساخت؟

بله. با استفاده از کاتالیزور ها، CO2 به مونومر هایی تبدیل می شود که برای ساخت پلیمر هایی مانند پلی یورتان به کار می روند.

چرا بازیافت پلاستیک های گرماسخت دشوار است؟

چون ساختار شبکه ای سه بعدی دارند و با حرارت ذوب یا دوباره شکل دهی نمی شوند.

پیوند دینامیک در پلیمرها یعنی چه؟

پیوندهایی که در شرایط مشخص می توانند جابه جا شوند و به پلیمر اجازه می دهند با وجود ساختار شبکه ای، دوباره شکل دهی و بازیافت شود.

پلی یورتان در چه محصولاتی استفاده می شود؟

در فوم ها، پوشش ها، چسب ها، الیافی مانند اسپندکس و ورقه های پلی یورتان.

این پلاستیک های جدید چگونه بازیافت می شوند؟

با شکل دهی مجدد حرارتی، ترکیب با پلاستیک های دیگر برای ساخت مواد هیبریدی، یا تجزیه به مونومر های سازنده.

جمع بندی

محققان دانشگاه لیژ با استفاده از کربن دی اکسید به عنوان ماده اولیه، پلی یورتان هایی ساخته اند که با وجود ساختار مقاوم گرماسخت، به دلیل داشتن پیوندهای شیمیایی دینامیک به چند روش قابل بازیافت هستند. این فناوری هم به کاهش انتشار CO2 کمک می کند و هم مشکل بزرگ بازیافت پلاستیک ها را هدف می گیرد.

هرچند این پژوهش هنوز در مرحله مطالعات بنیادی است، اما نشان می دهد آینده تولید پلاستیک می تواند پایدارتر و سازگارتر با محیط زیست باشد.

منابع

• Journal of the American Chemical Society (ACS Publications)

• University of Liège