Meerlagige plastic materialen zijn alomtegenwoordig in verpakkingen van voedsel en medische benodigdheden, vooral omdat gelaagde polymeren die films specifieke eigenschappen kunnen geven, zoals hittebestendigheid of zuurstof- en vochtregulering. Maar ondanks hun nut, die altijd aanwezige kunststoffen zijn onmogelijk te recyclen met conventionele methoden.

Jaarlijks wordt wereldwijd ongeveer 100 miljoen ton meerlaagse thermoplasten geproduceerd, elk samengesteld uit maar liefst 12 lagen van verschillende polymeren. Veertig procent van dat totaal is afval van het productieproces zelf, en omdat er geen manier is geweest om de polymeren te scheiden, bijna al dat plastic komt op stortplaatsen of in verbrandingsovens terecht.

Nutsvoorzieningen, Ingenieurs van de University of Wisconsin-Madison hebben een methode ontwikkeld om de polymeren in deze materialen terug te winnen met behulp van oplosmiddelen, een techniek die ze Solvent-Targeted Recovery and Precipitation (STRAP) -verwerking hebben genoemd. Hun proof-of-concept wordt vandaag (20 november, 2020) in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Door een reeks wassingen met oplosmiddelen te gebruiken, geleid door thermodynamische berekeningen van de oplosbaarheid van polymeren, UW-Madison-hoogleraren chemische en biologische engineering George Huber en Reid Van Lehn en hun studenten gebruikten het STRAP-proces om de polymeren te scheiden in een commercieel plastic dat bestaat uit gewone gelaagde materialen polyethyleen, ethyleen vinylalcohol, en polyethyleentereftalaat.

Het resultaat? De gescheiden polymeren lijken chemisch vergelijkbaar met die gebruikt om de originele film te maken.

Het team hoopt nu de teruggewonnen polymeren te gebruiken om nieuwe plastic materialen te maken, waaruit blijkt dat het proces kan helpen de recyclingkringloop te sluiten. Vooral, het zou fabrikanten van meerlagige kunststof in staat kunnen stellen om de 40 procent van het plastic afval dat tijdens de productie- en verpakkingsprocessen wordt geproduceerd, terug te winnen.

"We hebben dit aangetoond met één meerlaags plastic, ", zegt Huber. "We moeten andere meerlaagse kunststoffen proberen en we moeten deze technologie opschalen."

Naarmate de complexiteit van de meerlaagse kunststoffen toeneemt, dat geldt ook voor de moeilijkheid om oplosmiddelen te identificeren die elk polymeer kunnen oplossen. Daarom vertrouwt STRAP op een computationele benadering die door Van Lehn wordt gebruikt, het Conductor-like Screening Model for Naturally Solvents (COSMO-RS), om het proces te begeleiden.

COSMO-RS kan de oplosbaarheid van doelpolymeren in oplosmiddelmengsels bij verschillende temperaturen berekenen, het aantal potentiële oplosmiddelen dat een polymeer zou kunnen oplossen, beperken. Het team kan vervolgens de kandidaat-oplosmiddelen experimenteel verkennen.

"Dit stelt ons in staat om deze veel complexere systemen aan te pakken, wat nodig is als je echt een deuk wilt maken in de recyclingwereld, ’, zegt Van Lehn.

Het doel is om uiteindelijk een computersysteem te ontwikkelen waarmee onderzoekers combinaties van oplosmiddelen kunnen vinden om allerlei soorten meerlaagse kunststoffen te recyclen. Het team hoopt ook te kijken naar de milieu-impact van de oplosmiddelen die het gebruikt en een database van groene oplosmiddelen op te zetten waarmee ze de werkzaamheid beter kunnen balanceren, kosten en milieu-impact van verschillende oplosmiddelsystemen.

Het project komt voort uit de expertise van UW-Madison op het gebied van katalyse. Al decenia, de onderzoekers op het gebied van chemische en biologische technologie hebben pionierswerk verricht op het gebied van op oplosmiddelen gebaseerde reacties om biomassa, zoals hout of landbouwafval, om te zetten in bruikbare chemicaliën of brandstofprecursoren. Veel van die expertise vertaalt zich ook in de recycling van polymeren op basis van oplosmiddelen.

Het team zet zijn onderzoek naar STRAP-verwerking voort via het nieuw opgerichte Multi-University Centre on Chemical Upcycling of Waste Plastics, geregisseerd door Huber. Onderzoekers in het door het Amerikaanse Department of Energy gefinancierde centrum van $ 12,5 miljoen onderzoeken verschillende chemische routes voor het terugwinnen en recyclen van polymeren.