Правильна переработка использованных подгузников

Ежегодно на свалки попадает 3,5 миллиона метрических тонн промокших подгузников.

Сверхабсорбентный материал внутри этих подгузников состоит из матрицы полимеров, которые расширяются при попадании на них влаги. Полимеры представляют собой длинную цепочку повторяющихся звеньев, и в этом случае абсорбирующий материал в подгузниках основан на полимерной полиакриловой кислоте.

Команда из Мичиганского университета разработала метод, позволяющий распутывать эти абсорбирующие полимеры и перерабатывать их в материалы, похожие на липкие клеи, используемые в липких заметках и повязках. Их результаты опубликованы в Nature Communications.

В общих чертах, переработка может быть разделена на механическую переработку и химическую переработку.

Механическая переработка подгузников

«Механическая переработка — это то, о чем думает большинство людей: вы разделяете разные пластмассы на основе их идентичности, измельчаете их на мелкие кусочки, плавите их и повторно используете, что снижает качество продукта», — сказала химик UM Энн МакНил, автор-корреспондент бумага.

Механическая переработка приводит к более низкому качеству материалов, потому что пластмассы разных компаний конструируются по-разному: полимеры могут иметь разную длину цепи или изменяться с помощью разных добавок и красителей.

«Проблем так много, что все обычно перерабатывается и превращается в волокна ковра или скамейки в парке», — сказал Макнил, чья лаборатория занимается химической переработкой пластмасс. «Химическая переработка — это идея использования химии и химических превращений для создания материала с добавленной стоимостью или, по крайней мере, такого же ценного материала, как оригинал».

Качества, которые обычно делают пластмассы желательными, такие как прочность и долговечность, также ответственны за их трудность при переработке. В частности, полимеры трудно разрушить, потому что они удерживаются вместе прочными связями.

Макнил, профессор химии и макромолекулярных наук и инженерии, и Такунда Чазовачи, недавно окончивший университет штата Калифорния со степенью доктора в области химии полимеров, работали с Procter & Gamble над разработкой трехступенчатого процесса, который превращает сверхабсорбирующие полимеры в материал многократного использования — в данном случае клеи. Этот метод должен был быть энергоэффективным и быть применимым в промышленных масштабах.

Трудности в переработке использованных подгузников

«Сверхабсорбирующие полимеры особенно трудно перерабатывать, потому что они разработаны, чтобы противостоять разложению и постоянно удерживать воду», — сказал Чазовачий. «И супервпитывающие полимеры, и клеи являются производными акриловой кислоты. Это общее происхождение вдохновило нас на идею утилизации отходов».

По словам МакНила, полимеры в сверхабсорбирующих материалах выглядят как рыхлая рыболовная сеть, за исключением того, что вместо сотовой сетки эти полимеры имеют поперечные связи каждые 2000 единиц, что более чем достаточно для создания нерастворимой сетевой структуры. Чтобы переработать эти материалы, исследователям нужно было найти способ разделить сетевой полимер на водорастворимые цепи. Чазовачий обнаружил, что при нагревании этих полимеров в присутствии кислоты или основания их поперечные связи нарушаются.

Исследователям также необходимо было определить, будут ли эти процессы осуществимы в промышленных масштабах. Сотрудники Мэдлин Сомерс, научный сотрудник Института устойчивого развития УМ Грэма, и Хосе Альфаро, исследователь школы УМ по окружающей среде и устойчивости, провели оценку жизненного цикла. Они узнали, что использование этого кислотного метода для деструкции полимеров будет демонстрировать в 10 раз более низкий потенциал глобального потепления, основанный на высвобождении диоксида углерода, и потребует в 10 раз меньше энергии, чем использование подхода, опосредованного основаниями.

Затем исследователям нужно было сократить длинные цепи полимеров в материале для производства различных типов клеев. Чазовачи понял, что обработка ультразвуком — использование крошечных лопающихся пузырьков воздуха для разрыва полимерных цепей — может разрезать цепи на куски без изменения химических свойств цепей.

«Что нам действительно понравилось в этом методе, так это то, что это мягкий и простой механический процесс», — сказал он. «Он разрушает полимер, но оставляет его строительные блоки или кислотные группы нетронутыми, поэтому вы действительно можете проводить с ним другие реакции».

• Наконец, Чазовачий с помощью профессора химии Пола Циммермана и его ученика Майкла Робо преобразовал кислотные группы в полимерных цепях в сложноэфирные. Это изменяет его свойства с водорастворимых на органические, и они становятся липкими, как клей. Дополнительный бонус: реагент, используемый в этой реакции, который также служит растворителем, может быть переработан и использован повторно. После тестирования адгезионных свойств Чазовачий понял, что обработка ультразвуком не нужна для нацеливания на один тип адгезивов, что еще больше упростило подход.
• Наконец, исследователям нужно было показать, что разработка клеев из переработанных полимеров на планете проще, чем изготовление клеев из нефти — типичный путь. Сравнивая свой путь к клеям с традиционным, авторы обнаружили, что существует снижение потенциала глобального потепления на 22% и снижение энергии на 25% при использовании переработанных подгузников.
• Исследователи говорят, что они работают с уже очищенными подгузниками, но появляются компании, занимающиеся очисткой использованных подгузников, например, дочерняя компания Procter & Gamble FaterSMART. Кроме того, Чазовачий говорит, что условия химической переработки убьют любые выжившие бактерии.

Макнил надеется, что химики-синтетики, которые работают над реакциями малых молекул, обратят свое внимание на полимеры.

«Это всего лишь одна статья, но я продвинул большую часть своих исследований в этом направлении, потому что считаю, что это действительно открытая возможность для химиков-синтетиков оказать влияние на реальную проблему», — сказал Макнил. «Я хочу, чтобы больше людей думали об этом, потому что глобальная проблема пластмасс настолько огромна, и химики могут сыграть действительно важную роль в переосмыслении того, что мы делаем с этими отходами».

Источник

Метки: полимеры