Een multidisciplinair Berkeley Lab-team werkt al enkele jaren aan de ontwikkeling van een baanbrekend plastic dat, in tegenstelling tot traditionele kunststoffen, kan onbeperkt worden gerecycled en is niet gemaakt van aardolie. Hun laatste mijlpaal was de publicatie van een analyse die de haalbaarheid en mogelijke resultaten van de lancering van het unieke materiaal aantoont, genaamd poly(diketoenamine) of PDK, op industriële schaal op de markt.

Het team ontdekte dat het maken van producten van gerecycled PDK snel net zo goedkoop kan worden als het maken van hetzelfde artikel met nieuwe plastic polymeren (een zeer klein deel van ons huidige plastic wordt gerecycled, dus de meeste producten zijn gemaakt van "virgin" plastic hars), terwijl ook CO . wordt verminderd ₂ emissies en energie-eisen van de productie. Verder, de wetenschappers zijn van plan een proces te ontwikkelen om de eerste PDK-hars te maken met behulp van microbe-gefermenteerd plantaardig materiaal, wat betekent dat de hele levenscyclus van een PDK-kunststofproduct koolstofarm of zelfs CO2-neutraal kan zijn.

Zodra de infrastructuur voor grootschalige PDK-productie en -recycling is ontwikkeld, de wetenschappers stellen zich voor dat PDK traditionele kunststoffen in een verscheidenheid aan consumentenproducten zou kunnen vervangen, van auto-onderdelen tot bidons.

We spraken met twee projectleiders, Brett Helms en Corinne Scown, over de inspiratie voor PDK, tekortkomingen in onze huidige recyclingsystemen, en hoe dit ambitieuze project mogelijk wordt gemaakt door een diverse combinatie van wetenschappelijke expertise.

Brett Helms is een chemicus en fabricagewetenschapper die werkt bij Berkeley Lab's Molecular Foundry, een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). Helms leidde de groep die PDK meer dan drie jaar geleden uitvond, als onderdeel van een Laboratory Directed Research and Development (LDRD) Program-project gericht op het creëren van een zeer functioneel plastic alternatief.

Corinne Scown is een wetenschapper in Berkeley Lab's Energy Technologies Area, en vice-president voor de levenscyclus, Economie, en Agronomie Divisie bij het Joint BioEnergy Institute (JBEI) - een DOE Bioenergy Research Center. sceno, een expert op het gebied van techno-economische analyse, leidt het ontwerp en de ontwikkeling van processen voor de productie en recycling van PDK op industriële schaal. Door te modelleren hoe deze systemen op grote schaal zouden werken, haar werk identificeert potentiële knelpunten en voorspelt zowel de kosten als de milieu-impact, waardoor materiaalwetenschappers in een vroeg stadium de meest efficiënte en duurzame technologieën kunnen selecteren.

De andere leiders van het project zijn Jay Keasling, de CEO van JBEI; en Kristin Persson, Directeur van de Moleculaire Gieterij.

Q. Brett, waar kwam het idee of de inspiratie voor PDK vandaan?

Brett:De manier waarop de industrie polymeerrecycling gebruikt, verandert. Momenteel, de aanpak is gebaseerd op mechanische recycling waarbij, na sorteren en malen, polymeerafval wordt gesmolten tot een gehomogeniseerd materiaal waarvan de eigenschappen gaandeweg zijn verslechterd. In de toekomst, chemische recycling zal naar verwachting een grotere rol gaan spelen, omdat het prioriteit geeft aan het terugwinnen van hoogwaardige materialen die kunnen worden hergebruikt in de productie. Echter, met de huidige chemische recyclingtechnologie, zeer weinig polymeren kunnen efficiënt worden gerecycled, of we efficiëntie meten op basis van de benodigde energie, de hoeveelheid CO ₂ uitgezonden, of de hoeveelheid ongerept materiaal dat we terugwinnen voor secundaire harsproductie. We waren ons bewust van deze uitdagingen en benaderden het probleem vanuit dat perspectief. We hebben geprobeerd PDK's te ontwerpen als polymeren van de volgende generatie die slechts kleine hoeveelheden energie nodig hebben om chemisch te worden gerecycled naar hun oorspronkelijke monomeren met hoge opbrengsten. zodat koolstof in PDK's kan worden gerecirculeerd over onbeperkte cycli van opnieuw maken en hergebruiken.

Q. Corinne, wat trok je aan in dit werk?

Corinne:Ik werk al jaren aan techno-economische analyse en levenscyclusanalyse van biobrandstoffen en, geloof het of niet, plastic is geen grote sprong. We onderzoeken al een tijdje biogebaseerde producten, en biopolymeren waren al interessant voor ons omdat we weten dat het cruciaal is om hernieuwbare alternatieven te vinden voor alle verschillende producten die we maken van het typische vat olie, niet alleen brandstoffen. Brett en Jay trokken me naar binnen toen ze het voorstel voor dit specifieke project aan het schrijven waren en ik was verbluft door de helderheid van de visie en hoe snel alles samenkwam. Het idee van een polymeer dat met minimale energie-input kan worden gerecycled tot monomeren van nieuwe kwaliteit, lost veel anders hardnekkige problemen met plastic afval op.

Q. Brett, hoe ben je in de materiaalkunde terechtgekomen? Was er altijd een doel om milieubewuste materialen te maken, of ben je met een ander doel begonnen?

Brett:Ik deed bacheloronderzoek bij Shenda Baker aan het Harvey Mudd College, waar we de fysica van polymeren aan grensvlakken bestudeerden. Op een gegeven moment, Ik realiseerde me dat als ik interessante polymeren wilde bestuderen, Misschien moet ik leren hoe ik ze zelf kan maken. Shenda stelde me voor aan Craig Hawker, en ik heb tijd besteed aan het leren van polymeersynthese van hem en Eva Harth in het IBM Almaden Research Center. Meer vertrouwen voelen in mijn synthesevaardigheden, Toen raakte ik geïnteresseerd in het leren ontwerpen van functies in polymeren. Dat is wat me naar UC Berkeley leidde, waar ik mijn Ph.D. met Jean Frechet, wiens groep bekend stond om zijn creativiteit in functionele polymeren. Ik heb ook geleerd, in mijn postdoc bij Bert Meijer, aan de Technische Universiteit Eindhoven in Nederland, hoe interacties tussen polymeren en andere materialen centraal staan ​​in hun functie.

Werken bij een National Lab heeft mijn ogen echt geopend voor de breedte waarin materialen een verschil maken in ons leven, en steeds meer in de duurzaamheid van onze levenskeuzes. Ik hoop dat, in ons werk met het heroverwegen van polymeerchemie voor de circulaire economie, we bieden creatieve oplossingen waar iedereen enthousiast van kan worden en van kan leren, en dat mensen misschien gemotiveerd zijn om met ons samen te werken om die oplossingen naar de wereld te brengen, in lijn met onze missie hier bij Berkeley Lab.

Q. Corinne, de term "techno-economische analyse" is waarschijnlijk nieuw voor veel mensen. Hoe leg je uit wat je doet als een niet-wetenschapper erom vraagt?

Corinne:Techno-economische analyse, of TEA in het kort, is een van die termen die tien jaar geleden niet veel werden gebruikt en nu veel gebruikelijker is. Op basisniveau is TEA omvat technisch ontwerp en cashflowanalyse. Het technische ontwerp en de simulatie is meestal het moeilijkste deel. Je neemt een cool resultaat dat iemand in het lab heeft gekregen en probeert erachter te komen hoe een faciliteit op commerciële schaal eruit zou zien, inclusief alles van terugwinning van oplosmiddelen tot warmte- en energieopwekking tot afvalverwerking. Dit houdt meestal in dat er over dingen wordt nagedacht die de wetenschappers niet hebben overwogen en het kan interessante vragen oproepen. Bijvoorbeeld, TEA toonde aan dat een van de reactanten in de op ontdekkingen gebaseerde chemie voor het synthetiseren van maagdelijk PDK-N, N'-dicyclohexylcarbodiimide (DCC) - bleek behoorlijk duur, emissie-intensief, en het resulteerde in de productie van gevaarlijk afval uit het proces. Je zou kunnen zeggen dat DCC daarna een doelwit op zijn rug had - Bretts team was vastbesloten om een ​​manier te vinden om het gebruik ervan te verminderen of te elimineren.

V. Veel mensen raken in de war over plastic recycling. Bijvoorbeeld, wat is recyclebaar versus wat niet? Wat gebeurt er met het nadat je het in de prullenbak hebt gedaan? Heeft u op dit moment advies, voordat PDK's of andere echt recyclebare kunststoffen op de markt kwamen, voor mensen die zich bewust willen zijn van de materialen in hun leven?

Corine:Gelukkig, de kwestie van plastic recycling krijgt de laatste tijd veel meer aandacht en er zijn geweldige nieuwsverhalen die je kunt lezen of bekijken om verrassend genuanceerde inzichten te krijgen over wat wel of niet recyclebaar is. Ik denk dat de grootste misvatting is dat we allemaal de plicht hebben om alles met dat kleine recyclinglogo in de prullenbak te gooien. In feite, dat betekent alleen maar dat faciliteiten met beperkte ruimte en capaciteit in de beste situaties mogelijk meer materiaal moeten verwerken dat uiteindelijk naar stortplaatsen zal gaan. Het beste wat u kunt doen, is in de eerste plaats voorkomen dat u afval produceert, wanneer mogelijk. Echter, aan het einde van de dag, we moeten praktisch zijn. Mensen, inclusief mezelf, willen doen wat handig is. Als ik een plastic voorwerp heb dat ik moet weggooien, Ik stel mezelf een paar fundamentele vragen:Ten eerste, heeft het plastic het label #1 (PET) of #2 (HDPE)? Ten tweede, is het driedimensionaal (niet plat)? Als het antwoord op een van deze vragen "nee" is, " Ik stop het in de prullenbak. De overgrote meerderheid van de gemengde #3–7 balen belandt op stortplaatsen, en als je platte dingen probeert te recyclen, zoals plastic folie en plastic enveloppen, hebben die een goede kans om als verontreiniging te eindigen in verder vrij hoogwaardige papieren of kartonnen balen. Als de vezelbalen te vervuild zijn, ze worden mogelijk niet geaccepteerd. Dus "wensfietsen, "zoals ze het noemen, kan een aantal zeer reële negatieve gevolgen hebben.

Brett:De pandemie heeft ons begrip veranderd van hoeveel plastic we gebruiken en hoe moeilijk het zou zijn om het te verminderen. Meer thuiswerken, we zien precies hoeveel afval we produceren, terwijl we vroeger onderweg waren, reizen tussen vele plaatsen, ons dagelijkse afval lag verspreid over bakken die andere mensen leegden. Afwezigheid van enige vorm van regelgeving over het gebruik van kunststoffen en producentenverantwoordelijkheid aan het einde van de levensduur, de sterkste impact die we kunnen hebben, zou kunnen zijn door onze koopkracht te benutten door producten te kopen die zijn gemaakt met een hoog post-consumergehalte of materialen van biologische oorsprong, of zijn gemaakt van de zeer recyclebare polymeren zoals PET. evenzo, we kunnen ervoor kiezen om geen producten te kopen die moeilijk te recyclen zijn, bijvoorbeeld die gemaakt zijn van mengsels van verschillende soorten kunststoffen. Weloverwogen keuzes maken is moeilijk, zoals Corinne al zei. Er is veel "wishcycling" dat de besten van ons overkomt. Het is gemakkelijk om te denken dat iets duurzaam is als er ergens een recycle-logo op staat. Al decenia, we zijn zo geleid, en het zal tijd kosten om ons denken te heroriënteren met duurzaam hergebruik in het achterhoofd.

Q. Vertel ons over een persoonlijk hoogtepunt van de afgelopen jaren!

Brett:Ik heb nog nooit zoiets meegemaakt als de publieke reactie op ons rapport over oneindig recyclebare PDK-materialen. Het werd online geplaatst op Earth Day in 2019, toen het bewustzijn rond de impact van plastic afval onderdeel werd van een wereldwijd collectief bewustzijn. Binnen enkele uren, Berkeley Lab beantwoordde vragen van de media, wat resulteerde in een jarenlange samenwerking met hen om duidelijkheid te scheppen in het plasticprobleem en de dringende behoefte aan oplossingen. Het was ook duidelijk dat er een groeiende gemeenschap was van over de hele wereld en met verschillende achtergronden, allemaal gericht op samenwerken.

Corine:Voor mij, het bezoeken van afvalverwerkingsinstallaties was een echt hoogtepunt, en het is iets dat ik heb gemist tijdens de pandemie. In de afgelopen jaren, Ik ben naar een materiaalterugwinningsfaciliteit (MRF) geweest, een composteerinstallatie, en meerdere anaerobe vergistingsfaciliteiten. Er is iets speciaals aan om daarheen te gaan en de apparatuur in actie te zien, zien hoe een plastic zak eruitziet nadat deze door een vergister of een composteringsproces is gegaan. Bij de MRF, ze praten over bedrijven die hun nieuwe verpakking meenemen en als experiment door de fabriek sturen om te kijken waar ze terechtkomen. Het is een hele andere wereld en de meeste mensen krijgen het niet te zien.

V. Wat boeit je het meest aan de toekomst van de samenwerking?

Corinne:This project has been one of the most fun and fulfilling experiences in my career at Berkeley Lab so far. I like the idea of digging into an application that makes sense for PDKs, like automotive parts or electronics, and figuring out how to implement it in practice. It gets into all sorts of interesting infrastructure issues. Cars have a very different end-of-life than consumer electronics, bijvoorbeeld. Would we want to let shredder facilities just shred vehicles, recover the metals, and then process the mixed material to recover PDKs, or should we try to pull out parts with PDK for recycling beforehand? What car parts make the most sense for PDK? I don't know the answer to those questions yet, but I want to find out. I have no doubt that Brett, Jay, and Kristin can figure out how to hit the necessary specifications and tune each type of PDK so it depolymerizes at just the right conditions. My favorite thing to do is take those cool results and figure out how they can work at scale.

Brett:I have learned so much working with this team. This is one of those projects where together, we are greater than the sum of our parts. I'm looking forward to understanding how PDKs might be tailored for specific applications and scaled. That's where our work with Corinne has been very insightful. I also look forward to working with Jay and Kristin on making PDKs from bio-based ingredients. There's a growing interest in highly recyclable bio-based plastics, and Jay and Kristin's efforts have been aimed at providing a competitive edge to both performance and recycling efficiency. The students and postdocs working on this project are endlessly creative and bring life to all of the ideas that come from our discussions.