科学者が廃プラスチックのリサイクル可能性を強化

2023 年 3 月 14 日

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アルゴンヌ国立研究所、サバンナ・ミッチェム著

プラスチックは、現代世界の機能にとって非常に貴重な特性を備えた素晴らしい素材です。 それらは強く、柔軟で、多用途で、長持ちし、そして安価です。 特に、高密度ポリエチレン (HDPE) は、包装や容器などの使い捨て用途で広く普及しています。 三角形のリサイクルマークの内側に数字の2が付いているのを見たことがあるかもしれません。

しかし、HDPE の製造方法とそれをリサイクルする現在の方法は、私たち自身と地球の健康に脅威を与えています。 多くの HDPE 製品は化石燃料 (原油、天然ガス、石炭) から作られており、膨大な量の二酸化炭素排出量があります。 そして、廃棄された HDPE のほとんどは、再利用またはリサイクルされるのではなく、焼却されるか、埋め立て地に投棄されるか、環境にポイ捨てされます。 リサイクルすると素材の品質が劣化します。

米国エネルギー省 (DOE) のプラスチック共同アップサイクル研究所 (iCOUP) の科学者たちは、HDPE をリサイクルする新しい方法を開発しました。 DOE のアルゴンヌ国立研究所とコーネル大学の iCOUP の科学者たちは、新しい触媒アプローチを使用して、廃棄された HDPE プラスチックを、品質を損なうことなく繰り返しリサイクルできる新しい素材に変換しました。

彼らの研究を説明した論文がJournal of the American Chemical Societyに掲載されました。

この研究に携わったアルゴンヌ大学の科学者マッシミリアーノ・デルフェロ氏は、「プラスチックは永遠に私たちとともにある。プラスチックは他の素材では提供できない機能を提供してくれる。リサイクル性を高めることでプラスチック使用の悪影響を軽減する方法を見つける必要がある」と述べた。

チームの新しいアプローチは、使用済みの HDPE を、最初の使い捨てプラスチックと同じ機械的および熱的特性を持つ、完全にリサイクル可能で潜在的に生分解性の材料に変換します。 このようなアプローチが広く採用されれば、最終的には HDPE に関連する炭素排出と汚染の削減に役立つ可能性があります。

この研究に携わったもう一人の科学者、コーネル大学のジェフリー・コーツ氏は、「私たちは化石燃料の代わりに廃プラスチックを資源として利用している」と述べた。 「石油を掘削して環境を汚染する代わりに、本来なら焼却されるか埋め立て地に放置されるはずの物質を私たちは利用しています。」

他のプラスチックと同様に、HDPE はポリマー鎖と呼ばれる長い原子鎖で構成されています。 研究チームの新しいアプローチでは、一連の触媒、つまり化学反応を促進する化学物質を使用して、HDPE ポリマー鎖を末端に反応性原子団を含む短い断片に分割します。 これらの部分を元に戻すか、再重合して、新しいプラスチック製品を形成することができます。 反応性末端基には、実験室でも潜在的に自然界でも、新しいプラスチックが分解しやすくなるという追加の利点があります。

アルゴンヌのチームは、水差しやパッケージなどの使用済み HDPE 製品に対して最初の触媒作用を実行しました。 触媒は、ポリマー鎖のどの部分を変化させて反応性にするかをランダムに選択します。 科学者が HDPE を触媒とともに放置する時間が長ければ長いほど、鎖はより活性化されます。

次に、コーネル大学のチームは、これらの活性化されたポリマー鎖を取り出し、別の触媒にさらしました。 この段階で、触媒は鎖を分解し、さらに末端を変化させて再構築を可能にします。

主な課題は、強度や柔軟性と脆さなど、HDPE と同じ材料特性を新しい材料で再現することでした。 触媒が HDPE を分解するとき、糸のように互いに結合するのに十分な長いポリマー鎖が残り、材料の応力に対する回復力が高まることが重要です。

コーネル大学のチームが最初に触媒材料を再重合したとき、それは出発時の HDPE よりもはるかに脆かった。 次に、材料が再重合するときに制御された量の分岐を提供する方法でポリマー鎖を分解するように触媒を微調整しました。 この分岐により、末端基から鎖が形成されるため、得られる材料の鎖の平均長が長くなります。 このアプローチにより、出発時の HDPE と同じ特性を持ち、より優れたリサイクル性を備えた材料が得られました。

今後の研究は、新素材の生分解性を評価し、全体のリサイクルコストを削減するために触媒に使用される有価金属の量を削減することに焦点を当てます。 チームはまた、その戦略を他の一般的なプラスチックにも適用したいと考えています。

コーテス氏とデルフェロ氏に加えて、著者にはアルゴンヌ大学のアレハンドラ・アロヤブ氏、コーネル大学のシーリン・キュイ氏、アンドリュー・コーセン氏、アン・ラポワント氏、ジャクリーン・ロペス氏が含まれます。

詳しくは： Alejandra Arroyave et al、使用済みポリエチレンの触媒化学リサイクル、Journal of the American Chemical Society (2022)。 DOI: 10.1021/jacs.2c11949