Många människor känner till de hemska bilderna av vilda djur – inklusive havssköldpaddor, delfiner och sälar – trasslade i övergivna fiskenät.
Huvudfrågan bakom Nylon-6, plasten inuti dessa nät, mattor och kläder, är att den är för stark och hållbar för att bryta ner på egen hand. Så när den väl är i miljön dröjer den kvar i tusentals år, skräpar ner vattendrag, bryter koraller och stryper fåglar och havsliv.
Nu har kemister från Northwestern University utvecklat en ny katalysator som snabbt, rent och fullständigt bryter ner nylon-6 på några minuter – utan att generera skadliga biprodukter. Ännu bättre:Processen kräver inga giftiga lösningsmedel, dyra material eller extrema förhållanden, vilket gör den praktisk för vardagliga applikationer.
Denna nya katalysator kan inte bara spela en viktig roll i miljösanering, den kan också utföra det första steget i att återanvända nylon-6-avfall till mer värdefulla produkter.
Forskningen publicerades i torsdags (30 november) i tidskriften Chem .
"Hela världen är medveten om plastproblemet", säger Northwesterns Tobin Marks, studiens seniorförfattare. "Plast är en del av vårt samhälle, vi använder så mycket av det. Men problemet är:Vad gör vi när vi är klara med det? Helst skulle vi inte bränna det eller lägga det på soptippar. Vi skulle återvinna det. Vi utvecklar katalysatorer som dekonstruerar dessa polymerer och återställer dem till sin ursprungliga form, så att de kan återanvändas."
Marks är Charles E. och Emma H. Morrison professor i kemi och Vladimir N. Ipatieff professor i katalytisk kemi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences och professor i materialvetenskap och ingenjörsteknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering.
Han är också en fakultetsfilial vid Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Northwestern medförfattare inkluderar Linda J. Broadbelt, Sarah Rebecca Roland professor i kemi- och biologisk teknik och senior biträdande dekanus för McCormick, och Yosi Kratish, en forskningsassistent i Marks grupp.
En dödlig svårighet
Från kläder till matta till säkerhetsbälten, Nylon-6 finns i en mängd olika material som de flesta använder varje dag. Men när människor är klara med dessa material, hamnar de på soptippar eller ännu värre:lösa i miljön, inklusive havet. Enligt World Wildlife Federation överges upp till 1 miljon pund av fiskeredskap i havet varje år, med fiskenät bestående av nylon-6 som utgör minst 46 % av Great Pacific Garbage Patch.
"Fiskenät tappar kvalitet efter ett par års användning", säger Liwei Ye, tidningens huvudförfattare som är postdoktor i Marks laboratorium. "De blir så vattentäta att det är svårt att dra upp dem ur havet. Och de är så billiga att ersätta att folk bara lämnar dem i vattnet och köper nya."
"Det finns mycket sopor i havet," tillade Marks. "Kartong och matavfall bryts ned biologiskt. Metaller sjunker till botten. Då står vi kvar med plasten."
Nuvarande metoder för att göra sig av med Nylon-6 är begränsade till att helt enkelt gräva ner det på soptippar. När nylon-6 förbränns avger det giftiga föroreningar som kväveoxider, som är kopplade till olika hälsokomplikationer, inklusive för tidig död, eller koldioxid, en ökänt potent växthusgas.
Även om andra laboratorier har utforskat katalysatorer för att bryta ned nylon-6, kräver dessa katalysatorer extrema förhållanden (som temperaturer så höga som 350° Celsius), högtrycksånga (vilket är energiskt dyrt och ineffektivt) och/eller giftiga lösningsmedel som bara bidrar till mer föroreningar.
"Du kan lösa upp plast i syra, men då har du smutsigt vatten", sa Marks. "Vad gör man med det? Målet är alltid att använda ett grönt lösningsmedel. Och vilken typ av lösningsmedel är grönare än inget lösningsmedel alls?"
Återställande av byggstenar för upcycling
För att kringgå dessa problem tittade forskarna på en ny katalysator som redan utvecklats i Marks laboratorium. Katalysatorn utnyttjar yttrium (en billig metall med mycket jord) och lantanidjoner. När teamet värmde nylon-6-prover till smälttemperaturer och applicerade katalysatorn utan lösningsmedel, föll plasten isär och återgick till sina ursprungliga byggstenar utan att lämna biprodukter efter sig.
"Du kan tänka på en polymer som ett halsband eller ett pärlband," förklarade Marks. "I den här analogin är varje pärla en monomer. Dessa monomerer är byggstenarna. Vi utarbetade ett sätt att bryta ner halsbandet men återställa dessa pärlor."
I experiment kunde Marks och hans team återvinna 99% av plastens ursprungliga monomerer. I princip skulle dessa monomerer sedan kunna återanvändas till mer värdefulla produkter, som för närvarande är mycket efterfrågade för sin styrka och hållbarhet.
"Återvunnen nylon är faktiskt värd mer pengar än vanlig nylon," sa Marks. "Många exklusiva modemärken använder återvunnen nylon i kläder."
Förutom att återvinna ett högt utbyte av monomerer är katalysatorn mycket selektiv - verkar endast på nylon-6-polymererna utan att störa omgivande material. Detta innebär att industrin kan tillämpa katalysatorn på stora volymer osorterat avfall och selektivt rikta in sig på Nylon-6.
"Om du inte har en katalysator som är selektiv, hur separerar du då nylonet från resten av avfallet?" sa Marks. "Du skulle behöva anställa människor för att sortera igenom allt avfall för att ta bort nylonet. Det är oerhört dyrt och ineffektivt. Men om katalysatorn bara bryter ned nylonet och lämnar allt annat bakom sig, är det otroligt effektivt."
Återvinning av dessa monomerer undviker också behovet av att producera mer plast från grunden.
"Dessa monomerer produceras från råolja, så de har ett enormt koldioxidavtryck," sa Ye. "Det är helt enkelt inte hållbart."
Efter att ha lämnat in ett patent för den nya processen har Marks och hans team redan fått intresse från potentiella industriella partners. De hoppas att andra kan använda sina katalysatorer i stor skala för att hjälpa till att lösa det globala plastproblemet.
"Vår forskning representerar ett betydande steg framåt inom området för polymeråtervinning och hållbar materialhantering," sa Ye. "Det innovativa tillvägagångssättet tar itu med en kritisk lucka i nuvarande återvinningsteknik och erbjuder en praktisk och effektiv lösning på problemet med nylonavfall. Vi tror att det har konsekvenser för att minska plastens miljöavtryck och bidra till en cirkulär ekonomi."
Mer information: Catalyst Metal-Ligand-design för snabb, selektiv och lösningsmedelsfri depolymerisation av nylon-6-plaster, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.10.022. www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(23)00548-X
Journalinformation: Chem
Tillhandahålls av Northwestern University
