پلاستیک گیاهی که در آب دریا ظرف چند ساعت حل می‌شود

1

آلودگی پلاستیکی اغلب پدیده‌ای دور از ذهن به نظر می‌رسد، تا زمانی که در جاهایی ظاهر می‌شود که اصلاً انتظارش را نداریم؛ حتی در خون انسان. بیشتر پلاستیک‌ها هرگز واقعاً از بین نمی‌روند. آن‌ها به ذرات بسیار ریزی به نام میکروپلاستیک تجزیه می‌شوند که در اقیانوس‌ها شناور می‌مانند، وارد زنجیره غذایی می‌شوند و برای دهه‌ها در محیط باقی می‌مانند.

اکنون پژوهشگرانی در ژاپن می‌گویند شاید گزینه‌ای بهتر پیدا کرده باشند. آن‌ها نوعی پلاستیک گیاهی ساخته‌اند که در مدت چند ساعت به‌طور کامل در آب دریا حل می‌شود و هیچ ردی از میکروپلاستیک از خود باقی نمی‌گذارد.

این ماده از سلولز ساخته شده است؛ فراوان‌ترین پلیمر طبیعی روی زمین. این پلاستیک برای بسته‌بندی‌های روزمره طراحی شده، هنگام استفاده استحکام خود را حفظ می‌کند، اما اگر به دریا راه پیدا کند، به‌صورت ایمن تجزیه می‌شود.

این پژوهش به رهبری دکتر تاکوزو آیدا در مرکز RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) انجام شده و رویکرد تازه‌ای را در نگاه به پلاستیک پیشنهاد می‌دهد؛ رویکردی که بر رفتار واقعی مواد پس از رها شدن در محیط تمرکز دارد.

از پلاستیک تا ذرات ریز

نور خورشید و حرکت امواج می‌توانند قطعات بزرگ پلاستیکی را به تکه‌های کوچک‌تر تبدیل کنند. این ذرات سپس با شن ساحلی و آب‌های سطحی مخلوط می‌شوند.

ماهی‌ها و صدف‌ها این ذرات را می‌بلعند و انسان‌ها نیز ممکن است بدون آنکه بدانند، آن‌ها را همراه با غذای خود مصرف کنند.

ردیابی میکروپلاستیک‌ها کار ساده‌ای نیست، زیرا آزمایشگاه‌ها به روش‌هایی مانند پیرولیز متکی هستند؛ روشی که در آن نمونه حرارت داده می‌شود تا به گازهای ساده‌تر تجزیه شود، به‌همراه سایر روش‌های تحلیلی پیشرفته.

ساخت پلاستیک از گیاهان

تیم تحقیقاتی کار خود را با کربوکسی‌متیل سلولز آغاز کرد؛ شکلی اصلاح‌شده از سلولز که در آب حل می‌شود، مایعات را غلیظ می‌کند و هم‌اکنون نیز در مقیاس صنعتی تولید می‌شود.

با این حال، استفاده از منابع گیاهی به‌تنهایی تضمین‌کننده تجزیه پاک نیست، زیرا برخی پیوندهای شیمیایی در برابر میکروب‌ها و شرایط خشن آب شور مقاومت می‌کنند.

برای تبدیل این مشتق سلولزی به پلاستیک، پژوهشگران CEMS از پلیمریزاسیون یونی استفاده کردند؛ فرایندی که در آن گروه‌های شیمیایی باردار، تشکیل زنجیره‌ها را در آب معمولی و در دمای اتاق هدایت می‌کنند.

در مرحله بعد، یک پلیمر دوم با یون‌های گوانیدینیوم دارای بار مثبت به نقاط اسیدی زنجیره‌های سلولز متصل شد و اجزا را به هم قفل کرد.

نتیجه، شبکه‌ای متراکم و به‌هم‌پیوسته از زنجیره‌ها بود که به فیلم شفاف به‌دست‌آمده استحکام و سختی می‌بخشد.

چرا نمک باعث فروپاشی ساختار می‌شود

استحکام این ماده از پل‌های نمکی ناشی می‌شود؛ پیوندهای موقتی بین بارهای الکتریکی مخالف که شبکه پلیمری را کنار هم نگه می‌دارند.

زمانی که آب دریا به ماده نفوذ می‌کند، یون‌های سدیم و کلرید این پیوندها را اشغال می‌کنند و آن‌ها را تضعیف می‌سازند. در نتیجه، شبکه به اجزای محلول در آب فرو می‌پاشد.

برای جلوگیری از تجزیه زودهنگام، تیم تحقیقاتی یک پوشش محافظ نازک اضافه کرد که در شرایط استفاده عادی، ورود آب و نمک را کند می‌کند.

نسخه‌های اولیه این فیلم شفاف و مقاوم بودند، اما شکنندگی بالایی داشتند، زیرا زنجیره‌های سخت سلولزی نمی‌توانستند به‌راحتی روی هم بلغزند.

برای حل این مشکل، پژوهشگران کولین کلرید را به‌عنوان نرم‌کننده اضافه کردند؛ مولکول‌های کوچکی که اجازه می‌دهند زنجیره‌های پلیمری خم شوند و نشکنند.

با تنظیم میزان این نمک، آن‌ها توانستند خواص ماده را از صفحات سخت تا فیلم‌های نرم‌تر و کشسان‌تر تغییر دهند.

به‌اندازه کافی مقاوم برای بسته‌بندی

در مقاله منتشرشده، تیم تحقیقاتی این ماده که با نام CMCSP معرفی شده را از نظر مکانیکی قوی توصیف می‌کند و نشان می‌دهد که با تغییر افزودنی‌ها می‌توان انعطاف‌پذیری آن را تنظیم کرد.

در آزمایش‌های کشش، نمونه‌ای از CMCSP توانست تا ۱۳۰ درصد طول اولیه خود کش بیاید و سپس پاره شود.

پژوهشگران همچنین فیلمی شفاف و خوش‌دست با ضخامت تنها ۰٫۰۷ میلی‌متر تولید کردند.

برای نشان دادن امکان تولید در مقیاس بزرگ‌تر، آن‌ها CMCSP را به یک کیسه پلاستیکی سبک برای میوه و سبزیجات تبدیل کردند.

در یک ویدیوی نمایشی، این کیسه توانست بدون مشکل گوجه‌فرنگی‌ها را در خود نگه دارد؛ آزمایشی ساده اما کاربردی برای بسته‌بندی دنیای واقعی.

چنین کیسه‌های نازکی اهمیت ویژه‌ای دارند، زیرا به‌راحتی از سطل‌های زباله و محل‌های دفن زباله خارج می‌شوند و یکی از منابع اصلی آلودگی پلاستیکی در آبراه‌ها به شمار می‌آیند.

بدون باقی‌ماندن میکروپلاستیک

نکته کلیدی این فناوری تفکیک مولکولی است؛ یعنی شکستن ماده به مولکول‌های جداگانه، نه به قطعات کوچک‌تر. این فرایند مسیر معمول تشکیل میکروپلاستیک‌ها را مسدود می‌کند.

پس از حل شدن در آب، همه سطوح اجزا در معرض واکنش‌های شیمیایی طبیعی قرار می‌گیرند و این واکنش‌ها بسیار سریع‌تر از حالت جامد پیش می‌روند.

نویسندگان مقاله این ماده را قابل بازیافت در چرخه بسته توصیف می‌کنند، زیرا اجزای حل‌شده می‌توانند جمع‌آوری شوند و بدون نیاز به مواد اولیه جدید، دوباره به همان ماده تبدیل شوند.

بازیافت پلاستیک گیاهی حل‌شده

پژوهشگران توانستند CMCSP را با افزودن یک الکترولیت بازیابی کنند؛ نمکی که در آب به ذرات باردار تقسیم می‌شود و اجزا را دوباره به هم متصل می‌کند.

این مسیر اهمیت دارد، زیرا تجزیه سریع در دریا باید یک شبکه ایمنی باشد، نه راه‌حل اصلی برای مدیریت پسماند پلاستیکی.

در عمل، بازیافت نیازمند سیستم‌های جمع‌آوری است که مانع پخش شدن محلول و از دست رفتن ارزش آن در مسیر شوند.

چه چیزی این ماده را متفاوت می‌کند

بسیاری از مواد به‌اصطلاح کمپوست‌پذیر فقط در تأسیسات صنعتی داغ به‌خوبی تجزیه می‌شوند و وقتی وارد آب سرد دریا می‌شوند، برای مدت طولانی باقی می‌مانند.

CMCSP به‌جای تکیه بر هیدرولیز، یعنی شکستن پیوندها توسط آب و آنزیم‌ها، زمانی فرو می‌پاشد که نمک‌ها پیوندهای باردار آن را مختل می‌کنند.

از آنجا که نمک در خاک نیز وجود دارد، دفع زمینی هم می‌تواند باعث تجزیه شود، هرچند شرایط واقعی خاک از نظر رطوبت بسیار متغیر است.

محدودیت‌های پلاستیک‌های زیست‌تخریب‌پذیر

یک مطالعه میدانی که منسوجات ساخته‌شده از پلی‌لاکتیک اسید را در آب دریا بررسی کرد، پس از ۴۲۸ روز تغییر قابل‌توجهی مشاهده نکرد. این نتیجه نشان می‌دهد چرا واژه «زیست‌تخریب‌پذیر» می‌تواند گمراه‌کننده باشد، به‌ویژه زمانی که شرایط دریایی در نظر گرفته نمی‌شود.

چنین یافته‌هایی بر ضرورت آزمایش‌های دنیای واقعی تأکید دارند؛ آزمایش‌هایی که نه‌تنها سرعت تجزیه، بلکه ایمنی محصولات جانبی برای حیات دریایی را نیز بررسی کنند.

در عین حال، هر ماده بسته‌بندی جدید باید الزامات عملی را برآورده کند. پوشش‌ها و فیلم‌ها باید در برابر گازها و بخار آب مقاوم باشند. تولیدکنندگان مواد غذایی نیز باید مطمئن باشند که مواد شیمیایی وارد غذا نمی‌شوند یا طعم آن را تغییر نمی‌دهند.

هزینه‌ها نیز باید در حد رقابتی با کاغذ، پلاستیک بازیافتی و سایر پلیمرهای گیاهی باشد که هم‌اکنون برای فضای قفسه‌ها رقابت می‌کنند.

از آزمایشگاه تا بسته‌بندی

گسترش تولید CMCSP به تأمین پایدار مواد اولیه، عملکرد قابل پیش‌بینی فیلم و قوانین دفعی نیاز دارد که با رفتار واقعی مصرف‌کنندگان هماهنگ باشد.

«این مطالعه نشان می‌دهد که کار ما اکنون به مرحله‌ای عملی‌تر رسیده است.»

— دکتر تاکوزو آیدا

فرایند اختلاط مبتنی بر آب، از بسیاری از حلال‌های شیمیایی رایج در صنعت پلاستیک اجتناب می‌کند، هرچند کارخانه‌ها همچنان برای پردازش و خشک‌سازی به انرژی نیاز خواهند داشت.

در صورت تولید موفق در مقیاس صنعتی، CMCSP می‌تواند بسته‌بندی‌ای ارائه دهد که در استفاده روزمره بادوام باشد، اما پس از ورود به آب دریا با سرعت بیشتری تجزیه شود.

با این حال، کاهش آلودگی پلاستیکی همچنان به کاهش مصرف یک‌بارمصرف، بهبود جمع‌آوری پسماند و سیاست‌هایی وابسته است که استفاده از مواد پاک‌تر و قابل بازیافت‌تر را تشویق می‌کنند.

این پژوهش در Journal of the American Chemical Society منتشر شده است.

نظر شما چیست؟ آیا این نوع پلاستیک می‌تواند آینده بسته‌بندی را تغییر دهد؟ دیدگاه خود را در بخش نظرات با ما به اشتراک بگذارید.