Flerskiktade plastmaterial finns överallt i livsmedels- och medicinförpackningar, särskilt eftersom skiktpolymerer kan ge dessa filmer specifika egenskaper, som värmebeständighet eller syre- och fuktkontroll. Men trots deras användbarhet, den ständigt närvarande plasten är omöjlig att återvinna med konventionella metoder.

Omkring 100 miljoner ton flerskikts termoplast - var och en består av så många som 12 lager av olika polymerer - produceras globalt varje år. Fyrtio procent av det totala är avfall från själva tillverkningsprocessen, och eftersom det inte har funnits något sätt att separera polymererna, nästan all den plasten hamnar på deponier eller förbränningsugnar.

Nu, Ingenjörer från University of Wisconsin-Madison har föregått en metod för återvinning av polymererna i dessa material med hjälp av lösningsmedel, en teknik som de har kallat Solvent-Targeted Recovery and Precipitation (STRAP) -behandling. Deras proof-of-concept är detaljerat idag (20 november, 2020) i tidningen Vetenskapliga framsteg .

Genom att använda en serie lösningsmedels tvättar styrda av termodynamiska beräkningar av polymerlöslighet, UW-Madison professorer i kemisk och biologisk teknik George Huber och Reid Van Lehn och deras studenter använde STRAP-processen för att separera polymererna i en kommersiell plast bestående av vanliga skiktmaterial polyeten, etenvinylalkohol, och polyetylentereftalat.

Resultatet? De separerade polymererna verkar kemiskt lik de som användes för att göra den ursprungliga filmen.

Teamet hoppas nu kunna använda de återvunna polymererna för att skapa nya plastmaterial, visar att processen kan hjälpa till att stänga återvinningsslingan. Särskilt, det kan göra det möjligt för tillverkare av flerskiktsplast att återvinna de 40 procent av plastavfallet som produceras under produktions- och förpackningsprocesserna.

"Vi har visat detta med en flerskiktsplast, "säger Huber." Vi måste prova annan flerskiktsplast och vi måste skala denna teknik. "

När komplexiteten hos flerskiktsplasten ökar, det gör svårigheten att identifiera lösningsmedel som kan lösa varje polymer. Det är därför STRAP förlitar sig på en beräkningsmetod som används av Van Lehn som kallas Conductor-like Screening Model for Realistic Solvents (COSMO-RS) för att styra processen.

COSMO-RS kan beräkna lösligheten för målpolymerer i lösningsmedelsblandningar vid varierande temperaturer, att minska antalet potentiella lösningsmedel som kan lösa en polymer. Teamet kan sedan experimentellt utforska kandidatlösningsmedlen.

"Detta gör att vi kan hantera dessa mycket mer komplexa system, vilket är nödvändigt om du faktiskt ska göra en hack i återvinningsvärlden, säger Van Lehn.

Målet är att så småningom utveckla ett beräkningssystem som gör det möjligt för forskare att hitta lösningsmedelskombinationer för att återvinna alla typer av flerskiktsplaster. Teamet hoppas också kunna titta på miljöpåverkan av lösningsmedlen det använder och upprätta en databas med gröna lösningsmedel som gör det möjligt för dem att bättre balansera effekten, kostnad och miljöpåverkan från olika lösningsmedelssystem.

Projektet härrör från UW-Madisons expertis inom katalys. I årtionden, universitetets kemiska och biologiska ingenjörsforskare har varit banbrytande på lösningsmedelsbaserade reaktioner för att omvandla biomassa-som trä eller jordbruksavfall-till användbara kemikalier eller bränsleprekursorer. Mycket av den expertisen leder också till lösningsmedelsbaserad polymeråtervinning.

Teamet fortsätter sin forskning om STRAP-bearbetning genom det nyetablerade Multi-University Center on Chemical Upcycling of Waste Plastics, regisserad av Huber. Forskare vid US Department of Energy-finansierade center på 12,5 miljoner dollar undersöker flera kemiska vägar för återvinning och återvinning av polymerer.