I ricercatori hanno sviluppato un metodo per il riciclaggio dei rifiuti di plastica in sapone.

10 agosto 2023

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dalla Virginia Tech

Un team guidato dai ricercatori della Virginia Tech ha sviluppato un nuovo metodo per il riciclo dei materiali plastici in sostanze chimiche ad alto valore noto come tensioattivi, utilizzati per la produzione di sapone, detergenti e altro ancora. Il lavoro è stato pubblicato su Science.

I materiali plastici e il sapone hanno poche cose in comune per quanto riguarda la consistenza, l'aspetto e, soprattutto, l'utilizzo. Tuttavia, a livello molecolare, c'è una sorprendente connessione tra i due: la struttura chimica del polietilene, uno dei materiali plastici più utilizzati al mondo oggi, è sorprendentemente simile a quella di un acido grasso, che viene utilizzato come precursore chimico per il sapone. Entrambi i materiali sono composti da catene di carbonio lunghe, ma gli acidi grassi hanno un gruppo di atomi aggiuntivo alla fine della catena.

Guoliang 'Greg' Liu, professore associato di chimica presso il College of Science della Virginia Tech, ha sempre pensato che questa somiglianza implicasse la possibilità di convertire il polietilene in acidi grassi e, con alcuni passaggi aggiuntivi alla procedura, di produrre sapone. La sfida consisteva nel come spezzare una lunga catena di polietilene in tante catene corte, ma non troppo, e come farlo in modo efficiente. Liu credeva che ci fosse il potenziale per un nuovo metodo di riciclo che potesse prendere i rifiuti di plastica a basso valore e trasformarli in una merce utile a alto valore.

Dopo aver riflettuto a lungo sulla questione, Liu ebbe l'ispirazione mentre si godeva una serata d'inverno davanti al camino. Guardava il fumo salire dal fuoco e pensò a come il fumo fosse composto da piccole particelle prodotte durante la combustione del legno. Anche se le plastiche non dovrebbero mai essere bruciate in un camino per motivi di sicurezza e ambientali, Liu cominciò a chiedersi cosa sarebbe successo se il polietilene venisse bruciato in un ambiente di laboratorio sicuro.

La combustione incompleta del polietilene produrrebbe del "fumo" simile a quello del legno bruciato? Se qualcuno riuscisse a catturare quel fumo, di cosa sarebbe composto?

"La legna da ardere è composta principalmente da polimeri come la cellulosa. La combustione della legna rompe questi polimeri in catene corte e poi in piccole molecole gassose prima di ossidarsi completamente in anidride carbonica", ha detto Liu, beneficiario della Borsa di studio Blackwood Junior per le Scienze della Vita del Dipartimento di Chimica. "Se spezziamo in modo simile le molecole sintetiche di polietilene ma interrompiamo il processo prima che si spezzino completamente in piccole molecole gassose, allora dovremmo ottenere molecole simili al polietilene a catena corta".

Con l'aiuto di Zhen Xu ed Eric Munyaneza, due studenti di dottorato in chimica nel laboratorio di Liu, Liu ha costruito un piccolo reattore simile a un forno dove potevano riscaldare il polietilene in un processo chiamato termolisi a gradiente di temperatura.

Nella parte inferiore, il forno è a una temperatura sufficientemente alta per spezzare le catene polimeriche, e nella parte superiore, il forno è raffreddato a una temperatura sufficientemente bassa per fermare ogni ulteriore scomposizione. Dopo la termolisi, hanno raccolto il residuo, simile alla pulizia del fuliggine dal camino, e hanno scoperto che l'intuizione di Liu era corretta: era composto di "polietilene a catena corta", o più precisamente cere.

Questo è stato il primo passo nello sviluppo di un metodo per trasformare le plastiche in sapone, ha detto Liu. Aggiungendo qualche passaggio in più, tra cui la saponificazione, il team ha realizzato il primo sapone al mondo realizzato con materiali plastici. Per continuare il processo, il team ha coinvolto esperti in modellazione computazionale, analisi economica e altro ancora.

Alcuni di questi esperti sono stati introdotti al team attraverso collegamenti con il Macromolecules Innovation Institute della Virginia Tech. Insieme, il gruppo ha documentato e perfezionato il processo di riciclo finché non è stato pronto per essere condiviso con la comunità scientifica.

"La nostra ricerca dimostra una nuova via per il riciclo delle plastiche senza l'uso di catalizzatori innovativi o procedure complesse. In questo lavoro, abbiamo mostrato il potenziale di una strategia combinata per il riciclo delle plastiche", ha detto Xu, primo autore dell'articolo. "Questo stimolerà le persone a sviluppare progetti di riciclo più creativi in futuro".

Although polyethylene was the plastic that inspired this project, the upcycling method can also work on another type of plastic known as polypropylene. These two materials make up much of the plastic consumers encounter every daily, from product packaging to food containers to fabrics. One of the exciting features of Liu's new upcycling method is that it can be used on both these plastics at once, meaning that it's not necessary to separate the two from each other. This is a major advantage over some recycling methods used today, which require careful sorting of plastics to avoid contamination. That sorting process can be quite difficult, because of how similar the two plastics are to each other.

Another benefit of the upcycling technique is that it has very simple requirements: plastic and heat. Although the later steps in the process require some additional ingredients to convert the wax molecules into fatty acids and soap, the initial transformation of the plastic is a straightforward reaction. This contributes to the method's cost-effectiveness as well as its comparatively small environmental impact.

For upcycling to be effective on a large scale, the final product must be valuable enough to cover the costs of the process and make it more economically attractive than alternative recycling options.

Although soaps may not initially seem like a particularly expensive commodity, they can actually be worth double or triple the price of plastics when compared by weight. Currently, the average price of soap and detergent amounts to about $3,550 per metric ton, and that of polyethylene is about $1,150 per metric ton. Furthermore, the demand for soaps and related products is comparable to the demand for plastics.

This research lays the groundwork for a new way to reduce waste by channeling used plastics into the production of other useful materials, Liu said. Over time, he hopes recycling facilities around the world will begin to implement this technique. If so, then consumers can expect to one day have the opportunity to buy revolutionary sustainable soap products that also lead to reduced plastic waste in landfills.

For this reason, turning plastics into soaps can be demonstrated to be economically viable, added Liu, who is also an affiliated faculty member of the nanoscience program, part of the College of Science's Academy of Integrated Science as well as the Department of Materials Science and Engineering in the Virginia Tech College of Engineering.

'It should be realized that plastic pollution is a global challenge rather than a problem of a few mainstream countries. Compared to a sophisticated process and complex catalyst or reagent, a simple process may be more accessible to many other countries worldwide,' Xu said. 'I hope this can be a good start for the war fighting plastic pollution.'

Researchers from the Department of Chemical Engineering also were part of this project and the resulting research paper.

Journal information: Science

Provided by Virginia Tech