Un'innovazione nel riciclo del vetro acrilico
Procedura incredibilmente semplice
I chimici dei polimeri del Politecnico di Zurigo hanno trovato un modo sorprendente per scomporre quasi completamente la plastica PMMA nei suoi blocchi monomerici. Anche gli additivi non interferiscono con il processo.
Oggi il riciclaggio della plastica si limita in gran parte alla raccolta di bottiglie per bevande in PET o polietilene non miscelate. La plastica raccolta ha una composizione chimica identica e molecole polimeriche di lunghezza simile. Anche gli additivi utilizzati per ottimizzare il colore, la morbidezza o la resistenza alla luce, ad esempio, sono simili. La plastica può quindi essere fusa direttamente e stampata in nuove bottiglie.
Al contrario, le cosiddette plastiche miste, composte da diversi tipi e qualità di plastica, vengono solitamente bruciate solo per generare calore, ad esempio nei cementifici. Di conseguenza, si perdono preziose materie prime.
Gli scienziati guidati da Athina Anastasaki del Laboratorio per i materiali polimerici del Politecnico di Zurigo hanno ora trovato un modo per scomporre quasi completamente la plastica, in questo caso il vetro acrilico, nei suoi blocchi monomerici. Questi possono poi essere facilmente purificati dalla miscela con gli additivi mediante distillazione e diventare prodotti di partenza di alta qualità per la sintesi di nuovi polimeri di vetro acrilico.
Il potenziale è enorme: con una produzione globale annua di circa 3,9 milioni di tonnellate, il vetro acrilico (chimicamente: PMMA, polimetilmetacrilato) è sempre più utilizzato come vetro plastico resistente e leggero nell'industria aerospaziale, automobilistica, dei display e delle costruzioni.
Il processo presentato dai ricercatori dell'ETH sulla rivista Science è estremamente robusto. Funziona anche con catene polimeriche molto lunghe, composte da 10.000 blocchi. Anche additivi come copolimeri, plastificanti o coloranti e la maggior parte delle altre plastiche difficilmente interferiscono con la scissione della catena. Anche con vetro acrilico di diversi colori, acquistato nei negozi di bricolage, la resa è compresa tra il 94 e il 98%.
Un processo incredibilmente semplice
"Il nostro processo è estremamente semplice", sottolinea Anastasaki: "Abbiamo bisogno solo di un solvente contenente cloro, dobbiamo riscaldare moderatamente la miscela di riciclaggio disciolta a 90-150 gradi Celsius e possiamo quindi avviare la reazione di degradazione in modo mirato con l'aiuto della luce visibile o UV".
Il professore dell'ETH è rimasto stupito dalla facilità di funzionamento. Come molte altre importanti materie plastiche, come il polietilene o il polipropilene, anche i polimeri di vetro acrilico sono costituiti da una catena polimerica composta esclusivamente da atomi di carbonio, dalla quale si diramano diversi gruppi laterali a seconda del tipo di plastica. Finora, queste catene di carbonio uniformi hanno rappresentato un ostacolo chimico insormontabile per la scissione mirata in monomeri, poiché non offrono punti di attacco definiti per le reazioni di scissione.
L'unico metodo con cui le catene di carbonio omogenee possono essere completamente scisse nella pratica industriale è la pirolisi. In questo processo, le catene di carbonio vengono scisse termicamente a circa 400 gradi Celsius. Tuttavia, queste reazioni sono aspecifiche e si ottiene una miscela di molti prodotti di fissione diversi. L'elevato apporto energetico e la complessa separazione della miscela limitano fortemente la redditività economica della pirolisi.
Da alcuni anni, diversi gruppi di ricerca stanno sperimentando polimeri modificati. Ciò comporta l'introduzione di gruppi molecolari facilmente scindibili alle estremità delle catene polimeriche, che poi innescano la degradazione della catena a partire dall'estremità. In questo modo, i ricercatori ottengono rendimenti fino a oltre il 90%.
Tuttavia, questi polimeri di design presentano diversi svantaggi decisivi: devono prima essere integrati nella produzione di materie plastiche consolidata. Inoltre, i gruppi terminali reattivi limitano significativamente la stabilità termica dei polimeri e quindi le loro potenziali applicazioni. Inoltre, molti degli additivi plastici convenzionali riducono la resa delle reazioni e anche con catene polimeriche più lunghe, che si trovano spesso nelle plastiche commerciali, la degradazione funziona solo in misura limitata.
Il solvente determina la reazione
Come spesso accade in chimica, Anastasaki spiega che la scoperta del nuovo metodo è stata favorita dal caso: "In realtà stavamo cercando catalizzatori specifici che promuovessero in modo particolare la scomposizione in monomeri. Ma in un esperimento di controllo, siamo stati sorpresi di scoprire che il catalizzatore non era affatto necessario". Il solvente clorurato in cui è stato sciolto il campione di vetro acrilico frantumato è stato sufficiente a scindere quasi completamente il polimero con l'aiuto della luce UV.
Quando i ricercatori hanno studiato la reazione di scissione in modo più dettagliato, hanno scoperto un meccanismo sorprendente. La particella chimicamente attiva nella reazione è un radicale di cloro. Viene scissa dal solvente clorurato quando viene eccitata dalla luce UV. Ciò che era inaspettato è che la luce a onde lunghe può rompere il legame tra il cloro e la molecola di solvente. Ciò avviene attraverso un fenomeno fotochimico quasi esoterico in cui una piccolissima parte delle molecole di solvente assorbe la luce UV ad alta lunghezza d'onda.
Anastasaki ha potuto contare sull'aiuto di specialisti di altri gruppi di ricerca dell'ETH per chiarire il meccanismo di scissione. Tae-Lim Choi del Laboratorio di Chimica dei Polimeri ha calcolato gli stati elettronici teorici delle molecole coinvolte, mentre Gunnar Jeschke dell'Istituto di Fisica Molecolare ha effettuato misure di risonanza di spin elettronico per verificare sperimentalmente le previsioni teoriche.
Il cloro deve sparire
In futuro, tuttavia, la ricercatrice dell'ETH vuole fare a meno del solvente clorurato nel suo processo di riciclaggio: "I composti chimici clorurati sono dannosi per l'ambiente. Il nostro prossimo obiettivo è quindi quello di modificare le reazioni in modo che funzionino anche senza il solvente clorurato".
La forma e i tempi in cui il metodo ETH verrà messo in pratica sono ancora aperti. In ogni caso, i ricercatori di Anastasaki hanno aperto la porta a nuovi metodi di riciclaggio che possono essere utilizzati per scomporre in modo specifico le catene di carbonio della plastica, prima chimicamente inaccessibili.
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