Trotz der Verbesserungen, die Kunststoffmaterialien für die Menschheit gebracht haben, stellen sie uns zweifellos auch vor neue Herausforderungen, was wir mit den großen Mengen an Kunststoffabfällen tun sollen, die wir erzeugen, von Chemikalien bis hin zu erdölbasierten Produkten, die zur Herstellung von Mikroplastik verwendet werden, die überall zu finden sind nach dem Abbau von Kunststoffen in der Umwelt.
Um eine Lösung für die Plastikverschmutzung zu finden, die im Labor und in der realen Welt funktioniert, ist ein vielfältiges Team innovativer Personen mit Fachwissen erforderlich, das über das unglaubliche Talent der University of Delaware hinausgeht. Aus diesem Grund haben Forscher von UD Hochschule für Ingenieure und Joseph R. Biden, Jr. Schule für öffentliche Ordnung und Verwaltung Arbeiten Sie mit Experten der University of Kansas und der Pittsburg State University zusammen.
„Die Praktiken, mit denen die Gesellschaft jetzt arbeitet, sind wirklich nicht nachhaltig“, sagte Raul Lobo, Claire D. LeClaire-Professor für Chemieingenieurwesen und stellvertretender Lehrstuhlinhaber an der UD. Institut für Chemische und Biomolekulare Technik, der die Forschungsanstrengungen für UD leitet. „Wir brauchen Materialien, die unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen minimieren und die es den Verbrauchern ermöglichen, Kunststoffprodukte effizient und einfach zu recyceln. Zu diesem Zweck wird das UD-KU-Team neue Moleküle entwickeln, die zur Herstellung einer nächsten Generation umweltfreundlicher Kunststoffe verwendet werden können.
Das Experimental Program to Stimulate Competitive Research der National Science Foundation gewährte der Gruppe 4 Millionen US-Dollar an Fördermitteln, um genau das zu tun. Ungefähr 1,4 Millionen US-Dollar dieser Mittel gehen an UD, um diese umfangreichen Forschungsanstrengungen zur Entwicklung von Verfahren zur Umwandlung von „Biomasse“, wie landwirtschaftliche Nebenprodukte, in kommerziell nutzbare Kunststoffe und zur effektiven und effizienten chemischen Dekonstruktion dieser Kunststoffe zu unterstützen, damit sie recycelt werden können . benutzt werden.
Zu den UD-Fakultätsmitgliedern im Team gehört Professor Hui Fang mit der Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik, Professor Kalim Shah mit der Biden School und Professoren der Abteilung für chemische und biomolekulare Technik Marianthi Ierapetritou, Lobo, Marat Orazov und Dionisios Vlachos.
Lobo, der auch einen gemeinsamen Lehrstuhl inne hat Institut für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, sagte, dass sich das Projekt auf die Entwicklung von Polymeren konzentrieren wird, die sich wie Polyethylenterephthalat oder PET verhalten, eine sehr verbreitete Art von Kunststoff, die in Verbraucherprodukten wie Wasserflaschen, Vlies und Lebensmittelverpackungsfolien vorkommt. Ein Polymer ist ein sehr langes Molekül wie Protein, Stärke oder DNA, das aus sich wiederholenden Bausteinen wie Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) in DNA-Molekülen besteht. Unterschiedliche Polymere entstehen durch Zusammensetzen unterschiedlicher Baueinheiten. Sobald sie lang genug sind, können sie leicht geschmolzen, geformt oder geformt werden und verfestigen sich beim Abkühlen.
„Wir haben Polymerideen, von denen wir glauben, dass sie Materialien in vielerlei Hinsicht besser als PET machen werden“, deutete Lobo an. „Jetzt müssen wir es beweisen.“
Von Biomasse zu Bausteinen
Das Ziel ist nicht nur, neue Materialien mit guten nützlichen Eigenschaften zu finden, sondern dies mithilfe von Molekülen zu tun, deren Bausteine aus Biomasse (nicht aus fossilen Brennstoffen wie Öl) stammen und die recycelbar sein sollen.
„Wir versuchen, diese Gesellschaft nachhaltiger zu machen, indem wir Technologien entwickeln, die das Potenzial haben, praktisch zu sein“, sagte Lobo. „Das Material, das wir herzustellen versuchen, sieht aus wie die Kunststoffe, die wir heute verwenden, stammt aber aus Biomasse.“
Zum Beispiel produzieren Pflanzen auch Zucker, der weniger Kohlenstoff enthält als der Zucker, den wir essen, und diese Zucker und ihre Derivate könnten als Bausteine für Kunststoffe verwendet werden. Das Material sollte gerade stabil und stark genug sein, um in einem anderen Leben zu bestehen, wie beispielsweise eine Plastiktüte. Indem sie sich auf ungenießbare, ungiftige Biomasse konzentrieren – denken Sie an Maisstängel oder die Überreste von geerntetem Zuckerrohr – werden Forscher versuchen, neue Bausteine für Kunststoffe auf eine Weise herzustellen, mit der sie nicht konkurrieren Nahrungsquellen, die nicht von brennbaren Fossilien abhängig sind, und lässt sich leicht montieren und wieder zusammenbauen.
Dann müssen diese Ingenieure herausfinden, wie sie Wissenschaft in echten gesellschaftlichen Nutzen umsetzen können. Es bedeutet auch, die politischen und wirtschaftlichen Elemente zu untersuchen, die mit der Änderung der Grundelemente eines Produkts verbunden sind, das in fast allem in unserem täglichen Leben verwendet wird.
Die praktischen Implikationen dieser Arbeit werden sicherlich kostenbezogen sein. Sechs Jahrzehnte Erfahrung in der Herstellung von PET und dessen Verwendung in mehreren Produkten bedeutet sechs Jahrzehnte der Möglichkeit, Kosteneinsparungen auf dem Weg zu finden. Es wird noch einige Zeit dauern, bis neue Bausteine, die PET ersetzen könnten, auch wenn sie in Bezug auf Leistung und Umwelt überlegen sind, alle möglichen Effizienzen und Einsparungen finden.
In den nächsten vier Jahren werden bis zu fünf UD-Doktoranden eine Rolle in dieser interdisziplinären Forschung spielen, vom maschinellen Lernen, das verwendet wird, um vorhandene Forschungsliteratur und Wissenslücken zu erkunden, über die Chemie der Komponenten bis hin zur Wirtschaftlichkeit ihrer Anwendung und ihrer Recycling.
„Es gibt eine riesige Menge an Informationen da draußen“, sagte Hui Fang, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Elektrotechnik und Computertechnik. „Wir versuchen, eine auf maschinellem Lernen basierende Technik zu entwickeln, die zunächst automatisch Informationen aus der Literatur extrahieren kann und es den Forschern dann ermöglicht, zu sehen, was fehlt.“
Vom Abfall zur Nachhaltigkeit
Bei so viel Abfall auf der Welt – bis zu einem Drittel der produzierten Nahrungsressourcen werden tatsächlich verschwendet – wäre es enorm vorteilhaft, Wege zu finden, diese weggeworfenen Maisschalen oder übrig gebliebenen Fasern aus Zuckerrohr wiederzuverwenden, insbesondere mehr, als wir es versuchen eine Erwärmung der Atmosphäre um 1,5 Grad Celsius aufgrund von Treibhausgasemissionen vermeiden. Auf der Klimakonferenz der Vereinten Nationen in Glasgow wiesen Experten darauf hin, dass eine Überschreitung dieses Erwärmungsniveaus nicht nur katastrophal, sondern unmöglich wäre, wenn die Nationen der Welt ihre Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen nicht verringern könnten.
Die Idee einer „Kreislaufwirtschaft“, in der Produkte produziert, konsumiert und wiederverwendet werden – im Gegensatz zu der „linearen“ Art und Weise, wie die Welt derzeit die meisten Produkte produziert, konsumiert und wegwirft – könnte buchstäblich die Veränderung sein, die die Welt braucht . Aus den molekularen Anfängen von Kunststoffprodukten wird Energie verbraucht und Abfall entsteht. Aber ist es möglich, diese Energiemenge zu reduzieren und könnte der Abfall in einem anderen Produktionsprozess wiederverwendet werden?
„Wir denken darüber nach, wie wir den Abfallstrom nehmen und neue Bausteine schaffen können“, sagte Dionisios Vlachos, Unidel-Dan-Rich-Lehrstuhl für Energie, Professor für chemische und biomolekulare Technik, Direktor des Katalysezentrum für Energieinnovation und Direktor von Delaware Energy Institute. „Es ist ein globales Problem.“
Heute werden die meisten Kunststoffe (und viele andere Produkte, die wir täglich konsumieren) aus Petrochemikalien hergestellt. Die meisten Kunststoffe lassen sich nicht einfach recyceln, da sie, sobald sie in ihre ursprünglichen Teile zerlegt sind, nur schwer wieder zusammengesetzt werden können und daher als Abfall enden. UD-Forscher suchen nach neuen Chemikalien, die einfach aus Biomasse hergestellt werden können und die nicht nur außergewöhnliche Kunststoffe produzieren, sondern auch mit geringem Aufwand in Rohstoffe für neue Kunststoffprodukte umgewandelt werden könnten.
„Wenn wir heute nicht handeln, wird es in Zukunft wirklich schlimm werden“, sagte Vlachos. „Es gibt viele Abfallströme mit mehreren gesellschaftlichen Gesundheitsproblemen. Sie müssen global angegangen werden. Wenn wir erneuerbare Kunststoffe herstellen würden, wäre das großartig, aber das ist nur ein Teil der Geschichte.
Eine ganzheitliche Betrachtung
Während sich einige Teammitglieder auf das chemische Engineering der Moleküle selbst konzentrieren, werden Ierapetritou und sein Team diese neuen Materialien auf ihre potenziellen Umweltauswirkungen, wirtschaftlichen Kosten und die Frage analysieren, ob das neue Produkt praktisch von einem kleinen Labor zu einem vermarkteten Produkt skalierbar wäre . Lösung.
In diesem Projekt werden Marianthi Ierapetritou, Bob and Jane Gore Centennial Chair in Chemical and Biomolecular Engineering, und ihr Team vorgeschlagene neue Materialien für biologisch erneuerbare Kunststoffe im Hinblick auf potenzielle Umweltauswirkungen, wirtschaftliche Kosten und Machbarkeit analysieren.
„Natürlich kommt es darauf an, die Kultur der Menschen zu verändern oder eine andere Politik einzuführen, was eines der Dinge ist, die wir zu studieren hoffen“, sagte Ierapetritou, Inhaber des Bob and Jane Gore Centennial Chair in Engineering, Chemical and Biomolecular an der UD. „Aber Sie brauchen Richtlinien, Sie brauchen Anreize, um die Änderungen vorzunehmen, die vorgenommen werden müssen.“
Was sie schaffen wollen, kann teuer sein – vielleicht zu teuer, um ohne Anreize zu konkurrieren. Aber selbst wenn ein Teil des neuen Materials in der Kunststoffproduktion verwendet würde, könnte es immer noch dazu beitragen, die Umweltverschmutzung zu reduzieren, die mit der Herstellung eines Produkts aus 5 % oder 10 % Biomasse-Kunststoff verbunden ist, sagte Lobo.
„Unsere Wissenschaftler und Ingenieure sagen, dass sie es im Labor machen und es skalieren können. Aber wo ist die Akzeptanz oder Akzeptanz davon?, Sagte Shah, der die wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen eines Ersatzes für Kunststoff und sein Potenzial untersuchen wird reale Märkte.
„Ich denke, es gibt jetzt ein echtes Bewusstsein dafür, die Disziplinen, für die wir an der UD sehr bekannt sind – Chemie und Chemieingenieurwesen – mit den politischen und makroökonomischen Aspekten des Problems zu verbinden“, sagte er. „Ich freue mich sehr, Kollegen zu haben, die bereit sind, meine Sichtweise einzubringen und einen multidisziplinären Ansatz zu verfolgen, um gemeinsam voranzukommen.“
Wenn sie die Lösungen finden, von denen sie glauben, dass sie existieren, wird es noch Jahre dauern, bis eine Anlage in Betrieb genommen wird, die Tausende von Tonnen Polymere herstellen kann. Biomasse-Bausteine könnten auch ein Segen für Landwirte und Unternehmen sein, die mit landwirtschaftlichen Produkten arbeiten, die die zukünftigen Kunststoffe werden könnten.
Es besteht auch das Potenzial, dass sie etwas noch Besseres schaffen könnten: einen biobasierten Kunststoff, der möglicherweise länger hält oder weniger Material benötigt.
Ihre Arbeit wird sich auch genau damit befassen, wie diese neuen Polymere zu einem wirklich recycelbaren Produkt dekonstruiert werden können. Lobo sagte, er habe keine Zweifel, dass sie an dieser Front erfolgreich sein könnten. Aber was immer sie entdecken, sie werden ihre Ergebnisse veröffentlichen und anderen Forschern zur Verfügung stellen.
„Wenn wir erfolgreich sind, können wir möglicherweise die Menge an Kunststoffen oder die Menge an Öl, die wir verbrauchen, bis zu einem gewissen Grad reduzieren“, sagte Lobo. „Dass manche Polymere diese guten Eigenschaften haben, andere nicht, hat chemische Gründe. Auf der Grundlage dieser Informationen werden wir schließlich in der Lage sein, dem Unternehmen bessere Produkte anzubieten. Das machen Ingenieure.
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