Kimyagerler, plastikleri çöplüklerden uzak tutmak için geri dönüşümü yeniden tasarlıyor

Konu: Kimya

Okuma Süresi: ~15 dk.

Günümüz plastiğinin daha fazlasının geri dönüştürülmesi imkânsız

Çok fazla plastik düzenli atık depolama alanlarına gider, çünkü malzemenin yararlı yeni ürünlere geri dönüştürülmesi çok zordur. (Kaynak: Abdul Raheem Mohamed/Eyeem/Getty Images)

Geri dönüşüm iyi bir his uyandırır.  Çöpün geri kalanından soda şişelerini, plastik poşetleri ve yoğurt kaplarını görev bilinciyle ayırmanın verdiği belli bir başarı duygusu vardır. Mavi çöp kutusuna ne kadar plastik koyarsanız, düzenli atık depolama alanlarından (yani çöp sahalarından) ve okyanuslardan o kadar uzak durursunuz, değil mi?

Yanlış. Plastiklerinizi temizleme ve ayırma konusunda ne kadar titiz olursanız olun, çoğu yine de çöp yığınına gider.

Esnek gıda paketleri alın. Bunları oluşturan filmler birkaç farklı plastik katmanı içerir. Her plastiğin ayrı ayrı geri dönüştürülmesi gerekir fakat bu filmler geri dönüştürülemez. Market poşetleri ve ambalaj malzemeleri çok dayanıksızdır ve bir konveyör bandında diğer malzemelerle karışmaya meyillidir. Yoğurt kapları ve diğer öğelerdeki polipropilen de genellikle geri dönüştürülmez; bir yığın polipropilenin geri dönüştürülmesi, çok az üreticinin kullanacağı koyu renkli ve kokulu bir plastik üretir.

Amerika Birleşik Devletleri’nde yaygın olarak yalnızca iki tür plastik geri dönüştürülmektedir: plastik soda şişelerindeki türler – polietilen tereftalat (PET) ve süt ve deterjan kaplarında bulunan plastik – yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE- high-density polyethylene). 2017’de Science Advances dergisinde araştırmacıların bildirdiğine göre, bu plastikler bir araya gelerek dünyadaki plastik çöplerin yalnızca dörtte birini oluşturuyor ve geri dönüşüm verimleri de yüksek değil. Geri dönüşüme atılan plastiğin erimesi tutarlılığını değiştirir, bu nedenle sağlam bir son ürün elde etmek için şişelerden gelen PET yeni plastikle karıştırılmalıdır. Çok renkli HDPE parçalarından oluşan karışımların bir arada geri dönüştürülmesi, yalnızca park bankları ve atık kutuları gibi renk özellikleri çok önemli olmayan ürünlerin üretimine uygun, koyu renkli bir plastik oluşturur.

Pittsburgh Üniversitesi’nden  kimya mühendisi Eric Beckman; plastiği, üreticilerin kullanmak istedikleri herhangi bir şeye geri dönüştürmenin zorluğunun, dünyanın bu kadar çok plastik atıkla dolu olmasının büyük bir nedeni olduğunu söylüyor. ABD Çevre Koruma Ajansı’na göre, yalnızca 2018’de ABD’de 27 milyon ton plastik depolandı ve yalnızca 3 milyonu geri dönüştürüldü. Düşük geri dönüşüm oranları yalnızca ABD’de sorun değildir. Dünya çapında atılan 6,3 milyar ton plastiğin yalnızca %9’u geri dönüştürülmüş, %12’si yakılmış ve neredeyse %80’i karada veya su yollarında yığın olarak birikmiştir.

Amerika Birleşik Devletleri’nde geri dönüştürülen plastik miktarı son birkaç yılda artmıştır, ancak bu seviyeler düzenli atık depolama alanlarına giden plastik miktarıyla karşılaştırıldığında hala sönük kalıyor. (Kaynak: E.Otwell-EPA)

Everest Dağı’nın tepesinden Mariana Çukuru’nun dibine kadar her yerde plastiğe rastlanır iken, atılan plastik miktarını acil bir şekilde azaltmamız gerekir. Bazı insanlar plastiklerin biyolojik olarak ayrışabilir malzemelerle değiştirilmesini önermektedir ancak bu malzemeler genellikle plastikler kadar güçlü veya ucuz değildir. Gerçekçi olarak, plastik yakın zamanda ortadan kalkmayacağından, plastiğin tüm ayrıntılarını bilen kimyagerler, geri dönüştürmeyi kolaylaştırmak ve daha yaygın kullanım alanına sahip yüksek kaliteli malzemeye dönüştürmek için çalışıyorlar.

Yeni geri dönüşüm tekniklerine yönelik araştırmaları finanse eden, New York – West Henrietta’daki REMADE Enstitüsü’nün proje yöneticisi Ed Daniels, “Tek bir teknoloji olmayacak, bu da yanıt olacaktır,” diyor. Bazı projeler endüstriye girmenin eşiğindedir; diğerleri hala umut verici laboratuvar deneyleri aşamasındadır. Ancak hepsi, geri dönüşüm kutusuna giren herhangi bir plastiğin yeni bir üründe ikinci veya üçüncü bir ömre sahip olabileceği bir gelecek tasarlamaya odaklanmıştır.

Toplanan plastikleri ayırmak

Plastik geri dönüşümdeki en büyük sorunlardan biri, her malzemenin ayrı ayrı işlenmesinin gerektiğidir. Cornell Üniversitesi’nden kimyager Geoffrey Coates “Plastiklerin çoğu yağ ve su gibidir” diyor. Sadece karışmazlar. Örneğin, bir polietilen deterjan kabı ve polipropilen kapağını ele alalım. Coates, “Bunları eritip, bundan bir şişe yaparsam ve onu sıkarsam, temelde yan tarafını çatlatır,” diyor. “Oluşan yeni malzeme oldukça kırılgan ve tamamen değersiz.”

Bu nedenle, plastik geri dönüştürülebilir malzemeler için ilk hedef, insanların ve makinelerin ayırmayı yaptığı bir malzeme geri kazanım tesisidir. Ayrılan plastikler daha sonra yıkanabilir, parçalanabilir, eritilebilir ve yeniden şekillendirilebilir. Sistem soda şişeleri ve süt kapları gibi basit ürünler için iyi çalışır. Ancak deodorant kapları gibi – şişenin, krankın ve kapağın farklı türlerde plastikten yapıldığı ürünler için değil. Birkaç farklı plastik katmanı içeren gıda ambalaj filmlerini ayırmak özellikle zordur. Her yıl dünya çapında 100 milyon ton çok katmanlı film üretiliyor. Wisconsin Üniversitesi-Madison’dan kimya mühendisi George Huber, atıldıklarında bu plastiklerin düzenli atık depolama alanlarına gittiğini söylüyor.

Maryland- Elkridge’deki Atık Yönetimi Malzeme Geri Kazanım Tesisinde, işçiler konveyör bantlar üzerinde yanlarından geçen çöpleri ayırıyorlar. (Kaynak: Saul Loeb/ Afp Via Getty Images )

Huber ve meslektaşları bu sorunu çözmek ve karmaşık plastik karışımları ile başa çıkabilmek için bir strateji geliştirdiler. Bu işlem, bir ürünün plastik bileşenlerini tek tek çözmek için bir dizi sıvı çözücü kullanır. Huber, işin püf noktası, her seferinde sadece bir tür plastiği çözmek için doğru çözücüleri seçmek olduğunu söylüyor.

Ekip, tekniği polietilen (PET) içeren bir ambalaj filminin yanı sıra gıdaları taze tutan etilen vinil alkolden (EVOH) yapılmış bir plastiği oksijen bariyeri üzerinde test etti. Film toluen solvent (çözücü) ile muamele edilerek önce polietilen tabakasının çözünmesini sağladı. Geri kalan EVOH-PET filmini DMSO adı verilen bir solvent içerisine batırarak EVOH’u çıkardı. Araştırmacılar daha sonra kalan PET filmi çıkardı ve diğer iki plastiği “antisolvent” kimyasalları ile karıştırarak kendi ayrı çözücülerinden kurtardılar. Bu kimyasallar, sıvılar içinde dağılmış olan plastik moleküllerin, ayırma işlemine uygun katı yığınlar halinde bir araya toplanmasına neden oldu.

Araştırmacılar, geçen Kasım ayında Science Advances’ta bildirdiğine göre, bu süreçte orijinal filmdeki plastiğin neredeyse tamamını geri kazandılar.

PET ve EVOH boncuklarından oluşan bir polietilen karışımı test edildiğinde, solvent yıkamaları ile her malzemenin %95’inden fazlasını geri kazanmıştır – bu solventlerin plastik bileşenleri ambalaj filmlerinden daha büyük parçalara ayırmak için kullanılabileceğini gösteriyor. Dolayısıyla teoride, geri dönüşüm tesisleri bu tekniği multi-plastik deodorant kaplarını ve çeşitli şekil ve boyutlardaki diğer ürünleri sökmek için kullanabilir.

Huber ve meslektaşları daha sonra Strafor içindeki polistiren gibi daha fazla plastik türünü çözmek için solventler aramayı planlıyorlar. Ancak, bu stratejinin gerçek dünyadaki geri dönüştürülebilir ürünlerdeki tüm karmaşık plastik kombinasyonları ayırmada verimli hale getirmek çok daha fazla iş gerektirecektir.

Ürün hakkında yanlış bilgi verme – Birçok plastik ürün, geri dönüşümü simgeleyen bir üçgen içinde bir numara ile etiketlenir. Bununla birlikte, ABD’de yalnızca 1 (polietilen tereftalat) veya 2 (yüksek yoğunluklu polietilen) plastik içeren plastikler büyük ölçüde geri dönüştürülmektedir. Geri kalanlar tipik olarak çöp sahasına gider.

Plastik karışımı yapmak

Çok katmanlı filmlerin ve diğer plastik karışımlarının olduğu gibi geri dönüştürülmesini sağlayan kimyasal kısayollar da olabilir. Bağlayıcı olarak adlandırılan katkı maddeleri, farklı erimiş plastik karışımlarına yardımcı olur, böylece sınıflandırılmamış malzemeler tek olarak işlenebilir. Ancak her tür plastiğin birbirine karıştırılmasına izin veren evrensel bir bağlayıcı yoktur. Ayrıca mevcut bağlayıcılar çok etkili olmadıkları için yaygın olarak kullanılmamaktadır ve plastik bir karışıma çok fazla bağlayıcılar eklemek pahalıdır.

Uygulanabilirliği artırmak için Coates ve meslektaşları, polietilen ve polipropilen için oldukça güçlü bir bağlayıcı oluşturdu. Bu iki plastik birlikte dünyadaki plastiğin yarısından fazlasını oluşturuyor. Yeni bağlayıcı molekül, iki polipropilen segmenti ile değiştirilmiş iki polietilen segmenti içerir. Bu alternatif segmentler, polietilen ve polipropileni bir araya getirerek, bir karışımda aynı türden plastik moleküller üzerine kilitlenir.

Coates ve meslektaşlarının 2017’de Science dergisinde bildirdiğine göre, her bir bağlayıcı molekül için bir yerine iki polietilen ve iki polipropilen konektörüne sahip olmak, bu bağlayıcıyı önceki sürümlerden daha güçlü hale getirdi. Yeni bağlayıcının ilk testi, polietilen ve polipropilen şeritlerinin birlikte bir araya getirmeyi içeriyordu. Normalde, iki malzeme kolayca ayrılır. Ancak aralarında bir bağlayıcı katmanı varken, birbirinden ayrıldıklarında bağlayıcı kısım yerine plastik şeritler kırılır.

İkinci bir testte, araştırmacılar bağlayıcıyı erimiş bir polietilen ve polipropilen karışımına karıştırdılar. Dayanıklı yeni bir plastik oluşturmak için yalnızca %1 bağlayıcı gerekiyordu.

Coates, “Bunlar oldukça etkili katkı maddeleri” diyor. Bu iki plastiği bir arada tutmak için diğer bağlayıcıların %10’a varan konsantrasyonlarda eklenmesi gerekiyordu. Yeni bağlayıcı artık temeli Coates’in girişimciliğine dayanan, New York –Ithaca’da ki Intermix Performance Materials şirketinin başlangıcıdır.

Yeni gibi

Her plastik atık parçası kolaylıkla geri dönüştürülebilse bile, bu yine de dünyanın plastik sorununu çözmez. Geri dönüşümün şu anda nasıl çalıştığıyla ilgili, geri dönüştürülmüş malzemelerin kullanılabilirliğini ciddi şekilde sınırlandıran birkaç önemli sorun vardır.

Birincisi, geri dönüştürülmüş plastikler, her bir orijinal plastik parçaya kendine özgü görünümünü ve hissini veren tüm boyaları, alev geciktiricileri ve diğer katkı maddelerini devralır. Santa Barbara-California Üniversitesi’nden kimyager Susannah Scott, “Tüm bunların sonunda elde ettiğiniz plastik gerçekten çok karmaşık bir karışım” diyor. Çok az üretici, yeni bir şey yapmak için plastiği rastgele özelliklerle karıştırabilir.

Ayrıca, geri dönüşüm, plastik moleküllerdeki bazı kimyasal bağları kırarak malzemenin dayanıklılığını ve tutarlılığını etkiler. Plastiği eritmek ve yeniden şekillendirmek, mikrodalgada pizzayı yeniden ısıtmak gibidir – temelde koyduğunuz şeyi çıkarırsınız,  sadece o kadar iyi değildir. Bu, plastiğin depolanmadan önce kaç kez geri dönüştürülebileceğini sınırlar.

Her iki sorunun da çözümü, kimyasal geri dönüşüm adı verilen ve saf yeni plastiği sonsuz sayıda yapmayı vaat eden yeni bir tür geri dönüşüm sürecinde olabilir. Kimyasal geri dönüşüm, plastikleri moleküler düzeyde ayırmayı içerir.

Plastiği oluşturan moleküllere, daha küçük monomerlerden oluşan polimerler denir. Isı ve kimyasalları kullanarak, polimerleri monomerlere ayırmak, bu yapı taşlarını boyalardan ve diğer kirleticilerden ayırmak ve monomerleri yeniden iyi bir plastik haline getirmek mümkündür.

Pittsburgh Üniversitesinden Beckman, “Kimyasal geri dönüşümün gerçekten son üç veya dört yıl içinde bir güç olarak ortaya çıkmaya başladığını söyleyebilirim” diyor. Ancak çoğu kimyasal geri dönüşüm tekniği ticari kullanım için çok pahalıdır ve yoğun enerji gerektirir.  “Başlangıç için hazır değiliz” dedi.

Farklı plastikler, farklı kimyasal geri dönüşüm süreçleri gerektirir ve bazıları diğerlerinden daha kolay bozulur. “Buna en uzak olan PET”, diyor Beckman. “Bu polimerin parçalanması kolay oluyor.” Fransız Carbios şirketi de dahil olmak üzere birçok şirket PET’i kimyasal olarak geri dönüştürmek için yöntemler geliştiriyor.

Carbios, PET’i parçalamak için mikroorganizmalar tarafından üretilen enzimleri test ediyor. Şirketteki araştırmacılar, geçen Nisan ayında Nature’da böyle bir enzim üzerindeki çalışmalarını açıkladılar. Mikroorganizmalar normalde bitki yapraklarındaki mumsu kaplamayı ayrıştırmak için yaprak dal kompostu kütinaz adı verilen enzimi kullanırlar. Ancak kütinaz, PET’i monomerlerine ayırmada da iyidir: etilen glikol ve tereftalik asit.

Mikrobiyal yardım

Mikroorganizmalar tarafından doğal olarak üretilen bir enzim polietilen tereftalat (PET)’ın yaklaşık %50’sini bozmuştur (mavi çizgi). Enzimin ayarlanmış bir versiyonu plastiğin %80’inden fazlasını bozdu (siyah noktalı çizgi). Enzim miktarını gram başına 1 miligramdan 3 miligrama çıkarmak onu daha da verimli hale getirdi – PET’in yaklaşık %90’ını parçaladı.

Bir enzim tarafından PET parçalanması (Kaynak: E. Otwell/ V. Tournıer Et Al/Nature 2020)

Carbios’un bilim sorumlusu Alain Marty, “Enzim moleküler bir makas gibidir” diyor. Ancak plastik için değil – bitki maddesini ayrıştıracak şekilde geliştiği için mükemmel değil. Marty, enzimi PET’i parçalamada daha iyi hale getirmek için “enzimin aktif bölgesi dediğimiz şeyi yeniden tasarladık” diyor. Bu, PET yerleştirme bölgesi boyunca bazı amino asitleri diğerleri için değiştirilmesini içeriyordu.

Araştırmacılar mutant enzimlerini PET şişelerinden renkli plastik pullar üzerinde test ettiklerinde, gram PET başına 3 miligram enzim uyguladıklarında, plastiğin yaklaşık %90’ı  ortalama 10 saat içinde bozuldu. Orijinal enzim yaklaşık %50’ye ulaştı. Araştırmacılar, bu süreçte üretilen tereftalik asit monomerlerini kullanarak, orijinalleri kadar güçlü olan yeni plastik şişeler yaptılar.

Carbios, bu yılın sonlarında PET’i kimyasal olarak geri dönüştürmeye başlamak için Fransa- Lyon yakınlarında bir tesis inşa ediyor.

Çeviren: Ceren Güdücü Ünver, Yüksek Kimyager

                                                                                                                                  21.04.2021

Kaynaklar;

https://www.sciencenews.org/article/chemistry-recycling-plastic-landfills-trash-materials (Erişim tarihi: 02 Mart 2021)  

 Detaylı bilgi için ilgili makaleler:       

2017. Geyer, J.R. Jambeck and K.L. Law. Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advances, Published online July 19 2017. doi: 10.1126/sciadv.1700782.
2018. Zhang et al. Polyethylene upcycling to long-chain alkylaromatics by tandem hydrogenolysis/aromatization. Science, Vol. 370, October 23, 2020, p. 437. doi: 10.1126/science.abc5441.

J.M. Eagan et a. Combining polyethylene and polypropylene: Enhanced performance with PE/iPP multiblock polymers. Science, Vol. 355, February 24, 2017, p. 814. doi: 10.1126/science.aah5744.

P.R. Christensen. Closed-loop recycling of plastics enabled by dynamic covalent diketoenamine bonds. Nature Chemistry. Vol. 11, May 2019, p. 442. doi: 10.1038/s41557-019-0249-2.

2017. Geyer, J.R. Jambeck and K.L. Law. Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advances, Published online July 19 2017. doi: 10.1126/sciadv.1700782.

T.W. Walker et al. Recycling of multilayer plastic packaging materials by solvent-targeted recovery and precipitation. Science Advances, Published online November 20, 2020. doi: 10.1126/sciadv.aba7599.

216. Tournier et al. An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles. Nature, Vol. 580, April 9, 2020, p. 216. doi: 10.1038/s41586-020-2149-4.