تکنیک جدیدی که از کربن دی اکسید (CO2)، به عنوان منبع شیمیایی برای تولید پلاستیک های پایدار استفاده می کند

اگرچه کربن دی اکسید یک آلاینده مضر، هم برای سلامتی انسان و هم برای محیط است اما می تواند به عنوان یک ماده اولیه، در انواع فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار بگیرد.

با استفاده بیشتر از کربن دی اکسید به صورت هدفمند، میزان انتشار این گاز گلخانه ای در جو به میزان قابل توجهی کاهش پیدا خواهد کرد.

اخیراً تیمی به رهبری شیمیدانان دانشگاه Liège، یک تکنیک جدید پلیورتان (polyurethane) با استفاده از کربن دی اکسید (CO2) برای ایجاد انواع جدیدی از پلاستیک های قابل بازیافت ایجاد کرده اند.

این مطالعه که در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است، می تواند راه حلی برای توسعه پلاستیک های واقعا پایدار و کم شدن آلودگی ناشی از کربن دی اکسید ارائه دهد.

کربن دی اکسید

کربن دی اکسید یک ترکیب شیمیایی با فرمول شیمیایی CO2 است که هر اتم کربن با دو اتم اکسیژن پیوند کووالانسی دارد. در دمای اتاق در حالت گاز است و نور مرئی را از خود عبور می دهد اما تابش مادون قرمز را جذب کرده و به عنوان گاز گلخانه ای عمل می کند.

کربن دی اکسید 53 درصد چگال تر از هوای خشک است، اما عمر طولانی دارد و به طور کامل در جو مخلوط می شود. حدود نیمی از انتشار اضافی CO2 توسط اقیانوس ها و زمین جذب می‌ شود و در نهایت در سنگ ها و ذخایر آلی مانند زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی برای طولانی مدت ذخیره می شود.

کربن دی اکسید مولکولی محلول در آب است و در چرخه کربن، CO2 موجود در اتمسفر منبع اولیه کربن برای حیات روی زمین است و در آب های زیرزمینی، دریاچه ها، کلاهک های یخی و آب دریا یافت می شود.

در صورت حل شدن کربن دی اکسید در آب، کربنات و عمدتاً بی کربنات (HCO−3) را تشکیل می دهد که با افزایش سطح CO2 اتمسفر، باعث اسیدی شدن آب اقیانوس ها و دریاها می شود.

نحوه کاربرد کربن دی اکسید

به طور کلی، نحوه استفاده از کربن دی اکسید در فرایندهای صنعتی به دو دسته استفاده مستقیم و  تغییر شکل شیمیایی یا بیولوژیکی تقسیم بندی می شود.

استفاده مستقیم

شامل کاربرد مستقیم CO2 در صنایعی مانند غذا و دارو و تهیه نوشیدنی های کربن دار شده است.

تغییر شکل شیمیایی و بیولوژیکی

در این مدل، CO2 تغییر شکل می دهد (تبدیل به مواد دیگر می شود) که شامل تولید سوخت های سنتزی و تولید مواد شیمیایی مختلفی مثل پلیمرها، مواد شیمیایی آلی و مواد معدنی است.

با استفاده از کاتالیزورهای مختلف، کربن دی اکسید را می توان به انواع واسطه های شیمیایی تبدیل کرد و به موادی مثل متانول و اسید فرمیک، پلیمر، چسب و مواد دارویی تبدیل شود.

پلیمرهای مشتق از CO2 بسیار گران هستند اما با توجه به چشم انداز اتمام سوخت های فسیلی پتانسیل مناسبی خواهند داشت. در حال حاضر، تنها تعداد کمی از مواد شیمیایی به دست آمده از کربن دی اکسید، در مقیاس تجاری تولید می شوند.

پلاستیک های Polyurethane

پلیورتان (که اغلب به اختصار با علائم PUR و PU نمایش داده می شود) به دسته ای از پلیمرهای متشکل از واحدهای آلی  اشاره دارد که توسط پیوندهای کاربامات (اورتان) به هم متصل شده اند.

بر خلاف سایر پلیمرهای رایج مانند پلی اتیلن و پلی استایرن، پلیورتان از طیف وسیعی از مواد اولیه تولید می شود. این تنوع شیمیایی، منجر به تولید پلیورتان هایی با ساختارهای شیمیایی متفاوت تولید می شود که کاربردهای مختلفی دارند.

این پلیمرها شامل فوم های سفت و انعطاف پذیر، پوشش ها، چسب ها، ترکیبات الیافی مانند اسپندکس و ورقه های پلیورتان (PUL) است. فوم ها بزرگترین کاربرد این نوع پلیمر هستند که 67 درصد از کل پلیورتان تولید شده در سال 2016 را تشکیل می دهند.

یک پلیورتان معمولاً از واکنش یک ایزوسیانات (isocyanate) با یک پلیول (polyol) تولید می شود و از آنجایی که پلیورتان حاوی دو نوع مونومر است که یکی پس از دیگری پلیمریزه می شوند، به عنوان کوپلیمرهای متناوب نیز طبقه بندی می شوند.

هم ایزوسیانات ها و هم پلیول های مورد استفاده برای ساخت پلیورتان، حاوی دو یا چند گروه عاملی در هر مولکول هستند.

تولید جهانی این پلیمر در سال 2019، 25 میلیون تن بوده که حدود 6 درصد از کل پلیمرهای تولید شده در آن سال را تشکیل می دهد. در حقیقت پلیورتان، از پلاستیک هایی است که از نوع کالایی و مصرفی هستند.

تولید پلاستیک با استفاده از کربن دی اکسید

پلاستیک ها به عنوان کالا، صنعت جهانی را متحول کرده اند، چه در ساخت و ساز، چه در پوشاک، وسایل نقلیه و چه در بسته بندی مواد غذایی، این پلاستیک ها همه جا در زندگی روزمره ما وجود دارند، به طوری که استفاده جهانی از آنها در سال 2019 حدود 460 میلیون تن برآورد شده است.

این عدد خیره‌ کننده است، اما تعجب‌ آور نیست، زیرا پلاستیک‌ ها، که به عنوان پلیمرهای مصنوعی نیز شناخته می‌ شوند، به لطف ویژگی‌ های غیرقابل جایگزینی خود به موفقیت بزرگی دست یافته‌ اند: «سبک، ارزان و فوق‌العاده همه‌کاره هستند».

با این حال، تحقیقات بر روی درشت مولکول ها (CERM) حاکی از این واقعیت است که بازیافت آنها دشوار است، یا حتی بازیافت آنها در موارد thermoset غیرممکن است و عواقب جدی دارد.

این عدم امکان بازیافت نه تنها منجر به تخلیه منابع فسیلی مورد استفاده برای ساخت آنها می شود، بلکه منجر به انباشت طولانی مدت آنها در طبیعت و اقیانوس ها می شود.

بنابراین برای جامعه امروزی ما ضروری است که به سرعت پلاستیک هایی را طراحی و تولید کنند که در پایان عمر به راحتی قابل بازیافت باشند و اثرات زیست محیطی کمتری داشته باشند.

در این زمینه، مطالعه‌ای که توسط محققان دانشگاه Liège، با همکاری دانشگاه Mons و دانشگاه Basque انجام شد، از تکنیک جدیدی برای تولید پلاستیک‌ های پلی یورتان گزارش می دهد که به راحتی قابل بازیافت هستند.

جزئیات این تکنیک جدید

توماس هابتس، دانشجوی دکترا در CERM و اولین نویسنده مقاله می گوید: "ویژگی ویژه این رویکرد استفاده از کربن دی اکسید (CO2) - یکی از آلاینده های اصلی جامعه امروزی- به عنوان ماده خام برای تولید بلوک‌ ها یا مونومرهای مورد نیاز برای تولید این محصولات جدید است".

ساختار مونومرها را می توان به راحتی تغییر داد که این ویژگی، امکان تولید پلاستیک ها در طیف گسترده ای از مشخصات و کاربردها، از الاستومرهای بسیار چکش خوار مانند سیلیکون ها گرفته تا مواد سفت تر مانند پلی استایرن را فراهم می کند.

این پلاستیک ها دارای ساختار شیمیایی هستند که به جای زنجیره های خطی بلند، شبیه به یک شبکه سه بعدی هستند. این ساختار که به طور کلی با thermoset ها (گرماسخت ها) که بازیافت آن ها بسیار دشوار است مرتبط است، آنها را نسبت به پلاستیک های ساخته شده از زنجیره های مولکولی بلند مقاوم تر می کند.

پلی یورتان های ایجاد شده در اینجا پیوندهای شیمیایی "دینامیک" جدیدی دارند، به این معنی که علیرغم ساختار ترموست آنها، می توان آنها را با تبادل پیوندهای شیمیایی در شرایط واکنش نسبتاً ملایم تغییر شکل داد.

مزایای این تکنیک

بزرگترین مزیت این فناوری جدید در توانایی آن در تغییر طیف وسیعی از ویژگی های قابل دسترس و در عین حال ارائه راه های متعدد برای بازیافت مواد در پایان عمر آنها نهفته است.

این پلاستیک‌ های جدید را می‌ توان به روش‌ های مختلف بازیافت کرد:

1. با تغییر شکل آنها از طریق گرم کردن
2. ترکیب انواع مختلف پلاستیک برای ایجاد مواد هیبریدی با خواص جدید
3. شکستن آنها به مونومرهای سازنده‌ شان، که برای از بین بردن افزودنی هایی مانند رنگ ها یا کامپوزیت های بازیافتی ایده‌آل است

با توجه به صنعتی‌ سازی استفاده از CO2، این مطالعه نشان می‌ دهد که آلاینده های CO2 می‌ تواند مستقیماً به عنوان یک منبع شیمیایی استفاده شود.

کریستوف دترمبلور (Christophe Detrembleur) می‌گوید: «این اولین مطالعات بنیادی با استفاده از بلوک‌ ها و پلاستیک‌ های جدید ما است، اما جالب توجه است که می‌ بینیم این مواد تولیدی ما می‌ توانند به خواصی شبیه به خواص برخی پلاستیک‌ های متداول نفتی دست یابند.»

این فناوری جدید به عنوان یک راه حل بالقوه برای توسعه پلاستیک های پایدار با طیف گسترده ای از ویژگی ها است که می تواند به راحتی نیازهای اکثر کاربردهای روزمره ما را برآورده کند.

منابع

Wikipedia

ACSPublications