Ett multidisciplinärt Berkeley Lab-team har arbetat i flera år för att utveckla en spelförändrande plast som, till skillnad från traditionell plast, kan återvinnas på obestämd tid och är inte gjord av petroleum. Deras senaste milstolpe var släppet av en analys som visar genomförbarheten och potentiella resultat av att lansera det unika materialet, kallad poly (diketoenamin) eller PDK, in på marknaden i industriell skala.

Teamet fann att att göra produkter av återvunnen PDK snabbt kan bli lika billigt som att göra samma föremål med nya plastpolymerer (en mycket liten andel av vår nuvarande plast återvinns, så de flesta produkter är gjorda av "jungfrulig" plastharts), samtidigt som man minskar CO ₂ utsläpp och energikrav för tillverkning. Vidare, forskarna planerar att utveckla en process för att skapa det första PDK-hartset med hjälp av mikroberjäst växtmaterial, vilket innebär att hela livscykeln för en PDK-plastprodukt kan vara koldioxidsnål eller till och med koldioxidneutral.

När väl infrastrukturen för storskalig PDK-produktion och återvinning är utvecklad, forskarna föreställer sig att PDK kan ersätta traditionell plast i en mängd olika konsumentprodukter, från bildelar till vattenflaskor.

Vi pratade med två projektledare, Brett Helms och Corinne Scown, om inspirationen till PDK, brister i våra nuvarande återvinningssystem, och hur detta ambitiösa projekt möjliggörs av en mångsidig kombination av vetenskaplig expertis.

Brett Helms är en kemist och tillverkningsforskare som arbetar vid Berkeley Labs Molecular Foundry, en amerikansk energidepartement (DOE) användaranläggning. Helms ledde gruppen som uppfann PDK för mer än tre år sedan, som en del av ett Laboratory Directed Research and Development (LDRD) programprojekt fokuserat på att skapa ett mycket funktionellt plastalternativ.

Corinne Scown är en vetenskapsman inom Berkeley Labs Energy Technologies Area, och vice ordförande för livscykeln, Ekonomi, och Agronomy Division vid Joint BioEnergy Institute (JBEI) – ett DOE Bioenergy Research Center. Svin, en expert inom området teknoekonomisk analys, leder design och utveckling av processer för industriell skala PDK-produktion och återvinning. Genom att modellera hur dessa system skulle fungera i stor skala, hennes arbete identifierar potentiella flaskhalsar och förutsäger både kostnader och miljöpåverkan, därigenom hjälper materialforskare att välja de mest effektiva och hållbara teknikerna från ett tidigt stadium.

Projektets andra ledare är Jay Keasling, VD för JBEI; och Kristin Persson, Direktör för Molecular Foundry.

Q. Brett, var kom idén eller inspirationen till PDK ifrån?

Brett:Sättet som industrin tillämpar polymeråtervinning håller på att förändras. För närvarande, tillvägagångssättet bygger på mekanisk återvinning där, efter sortering och malning, polymeravfall smälts till ett homogeniserat material vars egenskaper har försämrats under vägen. I framtiden, kemisk återvinning förväntas spela en större roll, eftersom det prioriterar återvinning av högvärdiga material som kan återanvändas i tillverkningen. Dock, med nuvarande kemisk återvinningsteknik, mycket få polymerer kan effektivt återvinnas, om vi mäter effektiviteten utifrån den energi som krävs, mängden CO ₂ avges, eller mängden orörda material vi återvinner för sekundär hartstillverkning. Vi var medvetna om dessa utmaningar och närmade oss problemet ur det perspektivet. Vi försökte designa PDK:er som nästa generations polymerer som kräver endast små mängder energi för att kemiskt återvinnas tillbaka till sina ursprungliga monomerer med högt utbyte, så att kol i PDK:er kan recirkuleras över gränslösa cykler av remake-and-reuse.

F. Corinne, vad lockade dig till detta arbete?

Corinne:Jag har arbetat med teknoekonomisk analys och livscykelbedömning av biobränslen i flera år nu och, tro det eller ej, plast är inte ett stort steg. Vi har undersökt biobaserade produkter ett tag nu, och biopolymerer var redan intressanta för oss eftersom vi vet att det är avgörande att hitta förnybara alternativ för alla de olika produkterna vi tillverkar av den typiska fat olja, inte bara bränslen. Brett och Jay drog in mig när de skrev förslaget för just det här projektet och jag blev golvad av synligheten och hur snabbt allt gick ihop. Idén om en polymer som kan återvinnas till monomerer av ny kvalitet med minimal energitillförsel löser många annars svårlösta problem med plastavfall.

Q. Brett, hur kom du in på materialvetenskap? Var det alltid ett mål att skapa miljömedvetna material, eller började du med ett annat mål?

Brett:Jag gjorde grundforskning med Shenda Baker vid Harvey Mudd College, där vi studerade polymerernas fysik vid gränssnitt. Vid något tillfälle, Jag insåg att om jag ville studera intressanta polymerer, Jag kanske behöver lära mig att göra dem själv. Shenda presenterade mig för Craig Hawker, och jag tillbringade tid med att lära mig polymersyntes av honom och Eva Harth vid IBM Almaden Research Center. Känner mig tryggare i mina syntesförmågor, Jag blev sedan intresserad av att lära mig designa funktion till polymerer. Det var det som ledde mig till UC Berkeley, där jag tog min doktorsexamen. med Jean Fréchet, vars grupp var välkänd för sin kreativitet inom funktionella polymerer. Jag lärde mig också, i min postdoc med Bert Meijer, vid Eindhovens tekniska universitet i Nederländerna, hur interaktioner mellan polymerer och andra material är centrala för deras funktion.

Att arbeta på ett National Lab har verkligen öppnat mina ögon för bredden där material gör skillnad i våra liv, och alltmer i hållbarheten i våra livsval. Jag hoppas det, i vårt arbete med att tänka om polymerkemi för den cirkulära ekonomin, vi erbjuder kreativa lösningar som alla kan bli entusiastiska över och lära av, och att människor kan vara motiverade att arbeta med oss ​​för att föra ut dessa lösningar till världen, i linje med vårt uppdrag här på Berkeley Lab.

Q. Corinne, begreppet "teknoekonomisk analys" är förmodligen nytt för många människor. Hur förklarar du vad du gör när en icke-vetenskapsman frågar?

Corinne:Teknoekonomisk analys, eller TEA för kort, är en av de termer som inte användes mycket för ett decennium sedan och det är mycket vanligare nu. På en grundläggande nivå, TEA involverar ingenjörsdesign och kassaflödesanalys. Den tekniska designen och simuleringen är vanligtvis den svåra delen. Du tar ett coolt resultat som någon fick i labbet och försöker lista ut hur en anläggning i kommersiell skala skulle se ut, inklusive allt från återvinning av lösningsmedel till värme- och elproduktion till avfallshantering. Det handlar vanligtvis om att tänka igenom saker som forskarna inte har tänkt på och det kan väcka intressanta frågor. Till exempel, TEA visade att en av reaktanterna i den upptäcktsbaserade kemin för att syntetisera jungfrulig PDK-N, N'-dicyklohexylkarbodiimid (DCC)-visade sig vara ganska dyrt, utsläppsintensiva, och det resulterade i generering av farligt avfall från processen. Man kan säga att DCC hade ett mål på ryggen efter det - Bretts team var beredd att hitta ett sätt att minska eller eliminera användningen.

F. Många människor blir förvirrade när det gäller plaståtervinning. Till exempel, vad är återvinningsbart kontra vad som inte är det? Vad händer med den efter att du lagt den i papperskorgen? Har du några råd just nu, innan PDK eller annan verkligt återvinningsbar plast kommer ut på marknaden, för människor som försöker vara uppmärksamma på materialen i sina liv?

Corinne:Lyckligtvis frågan om plaståtervinning har fått mycket mer uppmärksamhet på sistone och det finns fantastiska nyheter du kan läsa eller titta på för att få förvånansvärt nyanserade synpunkter på vad som är eller inte är återvinningsbart. Jag tror att den största missuppfattningen är att vi alla har en skyldighet att lägga allt som har den där lilla återvinningslogotypen i papperskorgen. Faktiskt, det betyder bara anläggningar som är begränsade med utrymme och kapacitet i de bästa situationerna kan behöva bearbeta mer material som i slutändan går till deponier. Det bästa du kan göra är att undvika att generera avfall i första hand, när det är möjligt. Dock, Vid slutet av dagen, vi måste vara praktiska. Människor, inklusive mig själv, vill göra det som är bekvämt. När jag har en plastföremål måste jag kasta ut, Jag ställer mig själv ett par grundläggande frågor:Först, är plasten märkt #1 (PET) eller #2 (HDPE)? För det andra, är det tredimensionellt (inte platt)? Om svaret på någon av dessa frågor är "nej, "Jag stoppar den i papperskorgen. De allra flesta av de blandade #3–7 balarna hamnar på soptippar, och om du försöker återvinna platta saker – som plastfilm och plastkuvert – har de en god chans att hamna som en förorening i annars ganska högvärdiga pappers- eller kartongbalar. Om fiberbalarna är för förorenade, de kanske inte accepteras. Så "önskecykling, "som de kallar det, kan få mycket verkliga negativa konsekvenser.

Brett:Pandemin har förändrat vår förståelse för hur mycket plast vi använder och hur svårt det skulle vara att minska. Jobbar mer hemifrån, vi ser exakt hur mycket avfall vi genererar, när vi tidigare var på språng, reser mellan många platser, vårt dagliga avfall spreds ut över papperskorgar som andra människor tömmer. Avsaknad av någon form av bestämmelser om plastanvändning och uttjänt producentansvar, den starkaste effekten vi kan ha kan vara genom att utnyttja vår köpkraft genom att köpa produkter som är gjorda med högt innehåll efter konsument eller biomaterial, eller är gjorda av mycket återvinningsbara polymerer som PET. Liknande, vi skulle kunna göra val att inte köpa produkter som skulle vara svåra att återvinna – till exempel, de som är gjorda av blandningar av flera sorters plaster. Att göra medvetna val är svårt, som Corinne nämnde. Det är mycket "önskecykling" som händer de bästa av oss. Det är lätt att bli lurad att tro att något är hållbart om det har en återvinningslogga någonstans. I årtionden, vi har blivit ledda så här, och det kommer att ta tid att omorientera vårt tänkande med hållbar återanvändning i åtanke.

F. Berätta om en personlig höjdpunkt från de senaste åren!

Brett:Jag har aldrig upplevt något liknande det offentliga svaret på vår rapport om oändligt återvinningsbara PDK-material. Den lades ut online på Earth Day 2019, när medvetenheten kring effekterna av plastavfall höll på att bli en del av ett globalt kollektivt medvetande. Inom timmar, Berkeley Lab skickade förfrågningar från media, vilket resulterade i ett år långt engagemang med dem för att bringa klarhet i plastproblemet och det akuta behovet av lösningar. Det var också tydligt att det fanns en växande gemenskap från hela världen och från olika bakgrunder, alla fokuserade på att arbeta tillsammans.

Corinne:För mig, att besöka avfallshanteringsanläggningar var en riktig höjdpunkt, och det är något jag har saknat under pandemin. De senaste åren, Jag har varit på en materialåtervinningsanläggning (MRF), en komposteringsanläggning, och flera anaeroba matsmältningsanläggningar. Det är något speciellt med att åka dit och se utrustningen i aktion, se hur en plastpåse ser ut efter att den har gått igenom en rötkammare eller en komposteringsprocess. På MRF, de pratar om företag som tar sin nya förpackning och skickar den genom anläggningen som ett experiment för att se var det hamnar. Det är en helt annan värld och de flesta människor får inte se den.

Q. What excites you most about the future of the collaboration?

Corinne:This project has been one of the most fun and fulfilling experiences in my career at Berkeley Lab so far. I like the idea of digging into an application that makes sense for PDKs, like automotive parts or electronics, and figuring out how to implement it in practice. It gets into all sorts of interesting infrastructure issues. Cars have a very different end-of-life than consumer electronics, till exempel. Would we want to let shredder facilities just shred vehicles, recover the metals, and then process the mixed material to recover PDKs, or should we try to pull out parts with PDK for recycling beforehand? What car parts make the most sense for PDK? I don't know the answer to those questions yet, but I want to find out. I have no doubt that Brett, Jay, and Kristin can figure out how to hit the necessary specifications and tune each type of PDK so it depolymerizes at just the right conditions. My favorite thing to do is take those cool results and figure out how they can work at scale.

Brett:I have learned so much working with this team. This is one of those projects where together, we are greater than the sum of our parts. I'm looking forward to understanding how PDKs might be tailored for specific applications and scaled. That's where our work with Corinne has been very insightful. I also look forward to working with Jay and Kristin on making PDKs from bio-based ingredients. There's a growing interest in highly recyclable bio-based plastics, and Jay and Kristin's efforts have been aimed at providing a competitive edge to both performance and recycling efficiency. The students and postdocs working on this project are endlessly creative and bring life to all of the ideas that come from our discussions.