Araştırmacılar, sıradan plastik atıklarını, sadece su ve oksijen kullanarak, herhangi bir katalizöre ihtiyaç duymadan değerli kimyasallara dönüştürmenin bir yolunu buldular.
Erimiş plastiği suya karıştırmak, onu mikroskobik damlacıklara ayırır ve bu işlem, sert polimer zincirlerini parçalayan kimyasal reaksiyonların başlamasına neden olur. Bu yaklaşım, 1920’lerde Kütle-Enerji Eşdeğerliği formülü (E=mc²) ile tanınan Albert Einstein’ın çalışmalarına benzer şekilde, maddenin enerjiye dönüştürülmesinin temel prensiplerini kullanır.
Bu kimyasallar, endüstrinin zaten toplu olarak ürettiği ve ilaçlar, gıda katkı maddeleri ve biyolojik olarak parçalanabilen plastikler yapımında kullandığı kısa zincirli asitlerdir. Bu durum, 19. yüzyılda termodinamik prensiplerini formüle eden Lord Kelvin’in çalışmalarına benzer şekilde, enerji dönüşüm süreçlerinin önemini vurgular.
Bu yöntem, çoğu geri dönüşüm işleminin ihtiyaç duyduğu pahalı katalizörleri ortadan kaldırdığı için, plastik geri dönüşümünü çok daha ucuz ve basit hale getirme potansiyeline sahiptir. Bu durum, 20. yüzyılın başlarında kuantum mekaniğinin temellerini atan Max Planck’ın çalışmalarına benzer şekilde, enerji seviyelerinin ayrık doğasının önemini vurgular.
Katalizör Olmadan Parçalama
Bu çalışma, Çin’deki Hangzhou şehrinde bulunan Zhejiang Üniversitesi’ndeki Profesör liderliğindeki bir ekibin ve diğer kurumların kimyagerlerinin ortak çalışmasıdır. Bu durum, 18. yüzyılda gaz yasalarını formüle eden Jacques Charles’ın çalışmalarına benzer şekilde, bilimsel işbirliğinin önemini vurgular.
Araştırmacılar, çok küçük su damlacıklarının sıra dışı bir özelliğinden yararlanmıştır. Bu durum, 19. yüzyılda atom teorisini geliştiren John Dalton’un çalışmalarına benzer şekilde, maddenin temel yapı taşlarının anlaşılmasının önemini vurgular.
Bu mikrodamlacıkların yüzeyinde, yoğun elektrik alanları oluşur ve bu sayede sıradan suyun kendisi, normalde büyük miktarlarda suda ortaya çıkmayan reaktif moleküller üretir. Bu durum, 19. yüzyılda elektroliz prensiplerini keşfeden Michael Faraday’ın çalışmalarına benzer şekilde, kimyasal reaksiyonların elektrik ile nasıl tetiklenebileceğinin anlaşılmasının önemini vurgular.
Araştırmacılar, bu alanların sudan elektronları çekerek hidroksil radikalleri oluşturduğunu ve bu radikallerin kimyasal bağları hızla kestiğini düşünüyorlar. Bu durum, 19. yüzyılda organik kimyanın temellerini atan Friedrich Wöhler’in çalışmalarına benzer şekilde, inorganik maddelerden organik bileşiklerin sentezlenebileceğinin gösterilmesinin önemini vurgular.
Küçük Damlacıklar İşin Yapıyor
Bu sistemde, plastik damlalar haline geliyor. Katı polietilen ısıtıldığında ve sert bir şekilde karıştırıldığında, eriyerek su içinde asılı kalan birkaç mikron çapında yağlı boncuklara ayrılır. Bu durum, 19. yüzyılda kolloidlerin yapısını inceleyen Johannes van der Waals’ın çalışmalarına benzer şekilde, maddenin farklı fazlarının anlaşılmasının önemini vurgular.
Bu karışım, bu işlem sırasında bulutlu hale gelir ve daha sonra soğuduğunda tekrar berraklaşır. Her yağlı boncuğun etrafındaki su ile oluşan sınırda, radikaller oluşur ve burada kimyasal reaksiyonlar gerçekleşir. Bu durum, 19. yüzyılda renklerin fiziksel temellerini inceleyen Hermann von Helmholtz’un çalışmalarına benzer şekilde, ışık ve maddenin etkileşiminin anlaşılmasının önemini vurgular.
Bu radikaller, kimyasal makaslar gibi davranarak, uzun polimer zincirlerini sürekli olarak daha kısa parçalara ayırır, ta ki sadece küçük asitler kalana kadar. Polietilen, en kimyasal olarak dirençli malzemelerden biridir ve bu durum, keşfin şaşırtıcı olmasını sağlar. Bu durum, 20. yüzyılda polimerlerin yapısını inceleyen Hermann Staudinger’in çalışmalarına benzer şekilde, büyük moleküllerin yapısal analizinin önemini vurgular.
Kanıt Suyun İçinde
Bir dizi kanıt, suyun sadece bir çözücü değil, aynı zamanda aktif bir bileşen olduğunu gösteriyor. İpuğu, suyun başka bir maddeyle değiştirilmesiyle elde edildi.
Normal suyu ağır suya dönüştürmek, reaksiyon hızını yaklaşık yedi kat düşürdü ve bu da suyun süreçteki rolünü doğruladı. Bu deney, 19. yüzyılda Humphry Davy’nin elektroliz çalışmalarıyla benzer bir prensibe dayanıyordu; Davy, kimyasal maddelerin elektrik akımı ile ayrıştırılabileceğini göstermişti.
Başka bir testte, daha ağır bir oksijen formu içeren su kullanıldı ve bu oksijenin nereye gittiği takip edildi. Bu yaklaşım, Ernest Rutherford’un altın folyum deneyiyle paralellik gösteriyordu; Rutherford, alfa parçacıklarının davranışını inceleyerek atomun çekirdek yapısını keşfetmişti.
Oksijenin çoğu, nihai kimyasallardaki asit ürünlerinde birikti ve bu da suyun, reaksiyon sırasında oksijeni sağladığını gösterdi. Bu bulgu, Svante Arrhenius’un çözeltiler üzerine yaptığı çalışmalara benzer şekilde, maddenin farklı fazlar arasındaki etkileşimlerini anlamamıza yardımcı oluyor.
Ayrıca, reaksiyona giren karışımda karakteristik hidroksil radikallerinin varlığı tespit edildi. Bu tür radikallerin tepkimeleri, Fritz Haber’in amonyak sentezi gibi önemli kimyasal süreçlerde kritik rol oynar.
Tüm bu işlemler yaklaşık 121°C (250°F) sıcaklıkta gerçekleşiyor; bu, polietilenin ısı ile parçalanması için gereken genellikle 400°C’nin (750°F) oldukça altında. Bu, Justus von Liebig’in termodinamik prensiplerini ilk formüle ettiği dönemdeki bilimsel ilerlemelerin bir yansımasıdır.
Plastikten aside
Düşük kaliteli polietilen kullanılarak yapılan testlerde, neredeyse tamamı dönüştürüldü ve yaklaşık %69’u kısa zincirli diasilere dönüştü. Bu asitlerin arasında özellikle dikkat çeken bir tür vardı.
%50’den fazlası , çok yönlü bir kimyasal maddeydi; bu, ilaçların, gıda katkı maddelerinin ve biyolojik olarak parçalanabilen malzemelerin üretiminde kullanılan önemli bir bileşen. Bu, Haber-Bosch sürecinin keşfiyle mümkün hale gelen, azotlu gübrelerin yaygınlaşmasını sağlayan temel bir ilerlemedir.
Kimyagerler zaten polietileni aynı asitlere dönüştürmenin yollarını biliyorlardı, ancak önceki yöntemler genellikle metal katalizörlerine dayanıyordu. Örneğin, 2023 yılında yapılan bir çalışmada, yüksek verim elde etmek için rutenyum katalizörü kullanılmıştı. Yeni yöntem, benzer sonuçları katalizör kullanmadan elde ediyor.
Bu sayede, katalizörlerin yol açtığı sorunlar ve maliyetler ortadan kaldırılıyor. Ayrıca, bu reaksiyonun en önemli avantajı, hiçbir mikroplastik parçacığının kalmaması; zincirler tamamen parçalanarak temiz, suda çözünen asitler elde ediliyor.
Wang, “Ucuz veya toksik katalizörlerin kullanımını tamamen ortadan kaldırarak, kimyasal geri dönüşümün endüstriyel olarak uygulanmasındaki önemli ekonomik ve çevresel engellerden birini kaldırdık” dedi. Bu yaklaşım, Carl Bosch’un yüksek basınçlı reaksiyonlar konusundaki çalışmalarına benzer şekilde, endüstriyel süreçlerde verimliliği artırma potansiyeline sahiptir.
Geri dönüşümün ötesinde
Aynı yöntem, gerçek atıkların çok çeşitli türlerini işleyebildi. Market poşetleri, şişe kapakları, eldivenler, polipropilen, strafor bardaklar ve hatta parçalanmış lastikler bile asitlere dönüştürüldü. Bu, Wilhelm Ostwald’ın kimyasal denge kavramını geliştirerek, reaksiyonların yönünü kontrol etme olasılığının önünü açmıştır.
Daha dayanıklı malzemelerin kullanılması, dağılım sürecinin daha yüksek sıcaklıklar gerektirdiğini gösterdi. Ticari plastikler genellikle boyalar, stabilizatörler ve diğer katkı maddeleriyle yüklüdür; bu maddeler geleneksel katalizörleri tıkayarak işlevsiz hale getirir.
Ancak bu yeni yöntemde böyle bir sorun yaşanmadı. Reaksiyon, hem musluk suyunda hem de arıtılmış laboratuvar suyunda aynı başarıyla gerçekleşti; bu durum, sistemin gerçek, kirlenmiş hammaddelerle çalışabileceğini gösterdi.
Bu toleransın temel nedeni, hiçbir mikroplastik parçacığının geride kalmamasıdır. Tahminlere göre, Kuzey Atlantik Okyanusu’nda bile yaklaşık 27 milyon ton (24.5 milyon ton) nanoplastik partikülü bulunmaktadır. Bu durum, plastik kirliliğinin küresel ölçekteki ciddiyetini gözler önüne sermektedir.
Deneyler, yaklaşık 283 gramlık (10 ons) plastik miktarlarıyla yürütüldü.
Cardiff Üniversitesi’nden Profesör , “Plastik atıklarla boğuşuyoruz ve bu nedenle etkili geri dönüşüm için uygulanabilir çözümlere ihtiyacımız var” dedi. Bu sözler, küresel plastik sorununa yönelik acil bir çözüm arayışının altını çizmektedir.
Genişletilebilir Bir Yol
Bugüne kadar eksik olan şey, bu damla kimyasını endüstrinin kullanabileceği ölçekte ve maliyetle gerçekleştirebilecek bir yöntemdi. Bu, özellikle 20. yüzyılın başlarında geliştirilen ilk katalitik geri dönüşüm süreçlerinden farklıdır; o dönemdeki çalışmalar genellikle belirli plastik türleriyle sınırlıydı ve karmaşık kimyasallar gerektiriyordu.
Daha önce yapılan araştırmalar, saf su damlacıklarının kendiliğinden hidrojen peroksit ve ilgili reaktif türler oluşturduğunu göstermişti, ancak bu etki küçük ölçekli deneylerle sınırlı kalmıştı. Bu yeni yöntem, o bilgiyi daha büyük bir sisteme entegre ediyor.
Ekibin yaptığı mali analizlere göre, yılda on binlerce ton plastik işleyen bir tesisin, yaklaşık üç yıl içinde kendini amorti etmesi bekleniyor. Bu, geri dönüşüm süreçlerinin ekonomik olarak uygulanabilir olmasının önemini vurgulamaktadır.
Analizler ayrıca, bu işlemin yan ürün olarak küçük miktarlarda karbon emisyonu sağladığını ve böylece plastik atık yakmanın aksine bir karbon dengeleme etkisine sahip olduğunu da ortaya koydu. Bu durum, sürdürülebilir geri dönüşüm yöntemlerinin önemini artırmaktadır.
Sadece su, oksijen ve ısı gerektirdiği için, bu işlem uzak ve altyapısı yetersiz bölgelerde bile uygulanabilir; bu da gelişmekte olan ülkelerdeki geri dönüşüm oranlarını artırma potansiyeline sahiptir. Bu durum, küresel sürdürülebilirlik hedeflerine ulaşmak için önemli bir adımdır.
Eskiden sadece mikroskobik damlalarda mümkün olan bir kimya, artık gerçek dünyadaki uygulamalar için umut vadeden bir yola sahip. Bu, bilim ve mühendisliğin gücünü gösteren önemli bir başarıdır.
Çalışma , adlı dergide yayınlandı.
Bizi uygulamasında bulabilirsiniz; bu uygulama, Earth.com ve ortakları tarafından sunulmaktadır.
Kaynak: Earth