Lastikler için daha temiz bir gelecek: Bilim insanları kauçuk atıkları yeniden değerlendirmek için kimyasal sürece öncülük ediyor

Özet: Her yıl milyonlarca lastik çöplüklere atılarak geniş kapsamlı sonuçları olan çevresel bir kriz yaratıyor. Sadece Amerika Birleşik Devletleri'nde 2021 yılında 274 milyondan fazla lastik hurdaya çıkarıldı ve bunların yaklaşık beşte biri çöplüklere atıldı. Şimdi yapılan bir çalışma, bu kauçuk atıkları parçalayarak epoksi reçineler için değerli öncüllere dönüştüren bir tekniğe öncülük etti. Bu teknik, geleneksel geri dönüşüm yöntemlerine yenilikçi ve sürdürülebilir bir alternatif sunarken, çöp sahalarındaki kauçuk atıklarını da önemli ölçüde azaltıyor.

Ayrıntılı Açıklama

Her yıl milyonlarca lastik çöplüklere atılarak geniş kapsamlı sonuçları olan çevresel bir kriz yaratıyor. Sadece Amerika Birleşik Devletleri'nde 2021 yılında 274 milyondan fazla lastik hurdaya çıkarıldı ve bunların yaklaşık beşte biri çöp sahalarına atıldı. Bu atık malzemelerin birikmesi yalnızca bir alan sorunu oluşturmakla kalmıyor, aynı zamanda kimyasal sızıntı ve kendiliğinden yanma gibi çevresel tehlikeleri de beraberinde getiriyor. Yüksek sıcaklıkta ayrıştırma yoluyla kauçuğu kimyasal olarak geri dönüştüren bir süreç olan piroliz yaygın olarak kullanılsa da, benzen ve dioksin gibi zararlı yan ürünler üreterek sağlık ve çevre riskleri oluşturmaktadır.

ABD Enerji Bakanlığı tarafından finanse edilen ve yakın zamanda Nature

dergisinde yayınlanan "C-H Aminasyonu ve Aza-Cope Yeniden Düzenlemesi Yoluyla Kauçuğun Yapısının Bozulması" başlıklı çalışma, Dr. Aleksandr Zhukhovitskiy, William R. Kenan, Jr. Üyesi ve UNC-Chapel Hill Kimya Bölümünde Yardımcı Doçent olan Dr. Aleksandr Zhukhovitskiy liderliğinde yürütülen çalışma, kauçuk atıkların parçalanması için yeni bir kimyasal yöntem sunuyor. Bu öncü teknik, atılan kauçuğu epoksi reçineler için değerli öncüllere dönüştürmek üzere C-H aminasyonu ve bir polimer yeniden düzenleme stratejisi kullanarak geleneksel geri dönüşüm yöntemlerine yenilikçi ve sürdürülebilir bir alternatif sunuyor.

Lastiklerde kullanılan sentetik tür de dahil olmak üzere kauçuk, sert ve esnek bir malzeme olarak davranan üç boyutlu bir ağ halinde birbirine çapraz bağlanmış polimerlerden oluşur. Bu malzemelerin geri dönüşümü, kauçuğa dayanıklılığını veren ancak aynı zamanda bozunmaya karşı dirençli hale getiren polimer yapısındaki kapsamlı çapraz bağlanma nedeniyle zordur. Kauçuğun parçalanmasına yönelik geleneksel yöntemler iki ana yaklaşıma odaklanmaktadır: sülfür çapraz bağlarını koparan ancak polimerin mekanik özelliklerini zayıflatan vulkanizasyon ve genellikle karmaşık, düşük değerli yan ürünlerle sonuçlanan oksidatif veya katalitik yöntemler kullanılarak polimer omurgalarının ayrılması. Her iki yaklaşım da kauçuk atıkların yeniden kullanımı için verimli ve ölçeklenebilir bir çözüm sunmuyor.

Çalışmanın sorumlu yazarı Dr. Zhukhovitskiy, "Araştırmamız, kauçuğu bir karışım olarak bile değeri olan fonksiyonel malzemelere parçalayan bir yöntem geliştirerek bu zorlukların üstesinden gelmeyi amaçlıyor" dedi.

Araştırmacılar, polimer zincirlerindeki belirli konumlara amin gruplarının yerleştirilmesini sağlayan bir sülfür diimid reaktifi sunuyor. Bu adım çok önemli çünkü sonraki omurga yeniden düzenlemesi için zemin hazırlıyor. Bu kimyasal reaksiyon polimer omurgasını yeniden düzenleyerek kauçuğu epoksi reçineleri üretmek için kullanılabilecek çözünür amin fonksiyonlu malzemelere dönüştürüyor.

Araştırmacılar iki aşamalı süreçlerinin çok iyi çalıştığını gösterdi. Model bir polimer ile yapılan testte, polimerin moleküler ağırlığını 58.100 g/mol'den yaklaşık 400 g/mol'e düşürerek önemli ölçüde parçaladılar. Yöntemi kullanılmış kauçuğa uyguladıklarında, kauçuk sadece altı saat içinde tamamen parçalanarak epoksi reçineleri gibi geniş çapta faydalı malzemelerin üretiminde kullanılabilecek amin gruplarına sahip çözünür bir malzemeye dönüştü.

Bu yöntemin verimliliği, genellikle aşırı sıcaklıklar veya pahalı katalizörler gerektiren geleneksel geri dönüşüm teknikleriyle karşılaştırıldığında özellikle çarpıcıdır. Araştırmacılar sonuçlarını sulu ortamda ılımlı koşullar altında (35-50°C veya 95-122°F) elde ederek süreci daha çevre dostu ve uygun maliyetli hale getirdiler.

Epoksi reçineler endüstride yapıştırıcılar, kaplamalar ve kompozitler için yaygın olarak kullanılmaktadır. Genellikle bisfenol A ve kürleme maddeleri gibi petrol bazlı kimyasallardan yapılırlar. Bu araştırma, araştırmacıların yöntemi kullanılarak üretilen aminle modifiye edilmiş poli-dienlerin, ticari reçinelere benzer mukavemete sahip epoksi malzemeler oluşturabileceğini göstermektedir.

Bu makalenin ortak yazarı ve UNC-Chapel Hill'de eski doktora sonrası bursiyeri olan Maxim Ratushnyy, "Böyle anlarda organik sentezin gücünü takdir ediyorum" dedi. "Geliştirilen basit ama güçlü organik dönüşümler dizisinin inatçı bir C -- C bağını alıp polibütadien ve poliizopren bazlı kauçukları potansiyel olarak değerli epoksi reçinelerine dönüştürebilme kolaylığını görmek büyüleyici."

Pratik uygulamalarının ötesinde, bu çalışma daha çevreci geri dönüşüm teknolojilerine doğru önemli bir adımı işaret ediyor. Araştırmacılar, süreçlerinin çevresel etkisini, ürün verimine göre üretilen atığın bir ölçüsü olan Çevresel Etki Faktörünü (E-faktörü) kullanarak değerlendirdi.

"E-faktörü, yeni bir sürecin etkisini mevcut süreçlerle karşılaştırmak için basit ama güçlü bir ölçüttür, aynı zamanda bu süreci laboratuvardan çıkarıp uygulamaya geçirmeye çalışırken geliştirilebilecek süreç adımlarını vurgulamak için de kullanılabilir." Michigan Üniversitesi Sürdürülebilir Sistemler Merkezi'nde araştırma uzmanı olan Geoff Lewis.

Solvent kullanımını içeren tam E-faktörü yüksekken, solventler hariç basit E-faktörü çok daha düşüktü ve sürecin sürdürülebilirlik için daha da optimize edilebileceği alanları vurguladı. Ekip, atık oluşumunu azaltmak için daha çevreci solvent sistemlerini ve alternatif reaksiyon koşullarını araştırıyor.

Çalışmanın ortak yazarlarından ve UNC-Chapel Hill'de doktora adayı olan Sydney Towell, "Araştırmamız, kauçuk atık sorununa yaklaşımımızda bir paradigma değişikliğini temsil ediyor" dedi. "C-H aminasyonunun ve omurga yeniden düzenlemesinin gücünden yararlanan bu yöntem, tüketici sonrası kauçuğu yüksek değerli malzemelere dönüştürmek için yeni bir yol sunmakta, atık depolama alanlarına olan bağımlılığı azaltmakta ve çevresel zararı en aza indirmektedir."

Kaynak: Chapel Hill'deki Kuzey Carolina Üniversitesi