كيف حولنا النفايات البلاستيكية إلى خل: اختراق يعتمد على ضوء الشمس

( MENAFN- The Conversation) البلاستيك هو أحد أكثر المواد متانة التي صنعها البشر على الإطلاق. وقد جعلته هذه المتانة لا غنى عنه في الطب وتغليف المواد الغذائية والنقل. لكن هذا أيضًا خلق واحدة من أبرز مشكلات البيئة التي واجهناها.

يتم إنتاج مئات الملايين من الأطنان من البلاستيك عالميًا كل عام. وينتهي جزء كبير منها في مكبات النفايات أو المحارق أو البيئة الطبيعية، حيث يمكن أن يستمر لقرون.

الطرق التي لدينا للتخلص من تلوث البلاستيك لها عيوبها. فإيداعه في مكبات النفايات يعني أن المواد الكيميائية والميكروبلاستيك يمكن أن تتسرب إلى البيئة المحيطة.

حرقه يطلق أبخرة وسمومًا ضارة. غالبًا ما يؤدي التدوير الميكانيكي إلى خفض درجة البلاستيك إلى منتجات أقل قيمة، بينما يتطلب التدوير الكيميائي عادة درجات حرارة مرتفعة وضغوطًا عالية وكميات كبيرة من الطاقة.

قام زملائي وأنا مؤخرًا بنشر بحث يستكشف احتمالًا مختلفًا جدًا: استخدام ضوء الشمس ومحفز قائم على الحديد لتحويل نفايات البلاستيك الشائعة مباشرة إلى حمض الأسيتيك - وهو المكوّن الرئيسي للخل ومادة كيميائية صناعية مهمة.

بدلًا من التعامل مع البلاستيك باعتباره نفايات فقط، يُظهر بحثنا أنه يمكن تحويله إلى شيء مفيد بشروط معتدلة.

التعلم من فطر متحلل للخشب

جاءت فكرة بحثنا من الطبيعة. يُعد فطر العفن الأبيض (Phanerochaete chrysosporium) مشهورًا بقدرته على تكسير اللجنين، وهو أحد أصعب البوليمرات الموجودة في الخشب. يفعل ذلك باستخدام إنزيمات تولد أنواعًا كيميائية شديدة التفاعل قادرة على تفكيك تراكيب الكربون المعقدة.

تساءلنا عما إذا كان بإمكان مادة صناعية تقليد هذه الاستراتيجية.

إن المحفز الذي صممناه هو نتريد كربون مُطعّم بالحديد، وهو شبه موصل يمتص الضوء المرئي. ثم ثبتنا ذرات الحديد الفردية، لنخلق ما يسميه العلماء محفزًا أحادي الذرة.

بدلًا من تكوين جسيمات نانوية، فإن كل ذرة حديد تكون معزولة ومُضمنة داخل بنية نتريد الكربون. هذه الدقة الذرية أمر حاسم. تتصرف كل ذرة حديد كما لو كانت موقعًا نشطًا في إنزيم طبيعي، مما يزيد الكفاءة إلى أقصى حد مع الحفاظ على الثبات.

تفاعل من خطوتين يعمل بالطاقة من الضوء

تعمل المنظومة عبر سلسلة من تفاعلات متتابعة مدفوعة بالضوء.

تحت ضوء الشمس ووبوجود بيروكسيد الهيدروجين، تقوم مواقع الحديد بتنشيط البيروكسيد لتوليد جذور هيدروكسيل شديدة التفاعل. الجذر هو ذرة أو جزيء أو أيون يمتلك على الأقل إلكترونًا واحدًا غير مزدوج. وهذا يجعلها شديدة التفاعل كيميائيًا.

تهاجم هذه الجذور سلاسل الكربون الطويلة التي تشكل البلاستيك، مثل البولي إيثيلين (المستخدم في الأكياس البلاستيكية)، والبولي بروبيلين (حاويات الطعام)، وPET (زجاجات المشروبات) وحتى PVC (الأنابيب والتغليف).

تُؤكسَد البوليمرات تدريجيًا وتتفكك إلى جزيئات أصغر، لتتشكل في النهاية ثاني أكسيد الكربون (CO2).

بدلًا من السماح لهذا CO2 بالهروب، تقوم المنظومة نفسها بعدها بدور ثانٍ: فهي تستخدم ضوء الشمس لتقليل CO2 إلى حمض الأسيتيك. وبعبارة أخرى، يتم أولًا أكسدة الكربون الموجود في نفايات البلاستيك ثم إعادة تجميعه في جزيء جديد ذي قيمة.

بشكل أساسي، فإن هذا النهج يُفكك البلاستيك ويحوّل الكربون الناتج إلى مادة كيميائية سلعية ضمن نظام واحد. وهذا ما يميّزه عن معظم تقنيات إعادة التدوير الموجودة حاليًا.

لماذا حمض الأسيتيك؟

يُعرف حمض الأسيتيك أساسًا كمكوّن حامض للخل، لكنه أيضًا مادة أولية رئيسية في الصناعة. يُستخدم في إنتاج المواد اللاصقة والطلاءات والمذيبات والألياف الصناعية والمنتجات الدوائية.

يمتد الطلب العالمي إلى ملايين الأطنان كل عام، ما يمثل سوقًا بمليارات الدولارات.

حاليًا، يُنتج معظم حمض الأسيتيك من خلال عمليات كثيفة استهلاك الطاقة تُسمى عملية كربونلة الميثانول (methanol carbonylation)، حيث يتم تفاعل الميثانول مع أول أكسيد الكربون عند درجات حرارة مرتفعة.

يوفر تحويل نفايات البلاستيك إلى حمض الأسيتيك مسارًا دائريًا محتملًا: بدلًا من استخراج كربون جديد، نعيد استخدام الكربون الموجود بالفعل في مواد تم التخلص منها.

في تجاربنا، أنتجت المنظومة حمض الأسيتيك بمعدلات كانت مواتية بصورة مماثلة لطرائق تحويل البلاستيك الأخرى المدفوعة بالضوء والمبلّغ عنها. وعندما قمنا بزيادة الاستفادة من الضوء داخل المفاعل، ارتفع معدل الإنتاج بشكل كبير.

ومن المهم أن التفاعل عمل عند درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي العادي. ويتناقض ذلك مع العديد من طرق التدوير الكيميائي التي تتطلب تسخين البلاستيك إلى عدة مئات من درجات مئوية.

التعامل مع البلاستيك في العالم الحقيقي

تركز الدراسات المخبرية غالبًا على أنواع بلاستيك نقية مفردة. لكن تدفقات النفايات الحقيقية تكون مختلطة ومُلوّثة. لذلك اختبرنا أنواعًا مختلفة من البلاستيك الشائع كل واحد على حدة، وكذلك الخلطات.

تمكّن محفزنا من تحويل عدة أنواع رئيسية من البلاستيك السلعي (commodity plastics). ومن المثير للاهتمام أن PVC أظهر أداءً قويًا بشكل خاص. نعتقد أن الكلور المنطلق أثناء تفككه قد يولد جذورًا تفاعلية إضافية، مما يسرّع عملية التدهور.

ظلّت ذرات الحديد موزعة على مستوى الذرة بعد الاستخدام المتكرر، ما يشير إلى ثبات جيد. وهذه نقطة مهمة لأن تدهور المحفز أو تسرب المعادن يمكن أن يقوض كلًا من الأداء والسلامة البيئية.

تعتمد المنظومة على إضافة بيروكسيد الهيدروجين، وهو ما يتم استهلاكه أثناء التفاعل. وفي حين يتحلل بيروكسيد الهيدروجين إلى ماء وأكسجين ويُعتبر نسبيًا غير ضار، فسوف تحتاج الأعمال المستقبلية إلى معالجة كيفية توفيره بشكل مستدام على نطاق واسع.

من الفكرة إلى التطبيق

يواجه توسيع نطاق أي عملية كيميائية جديدة تحديات. فاختراق الضوء وتصميم المفاعل وتفاوت أنواع نفايات البلاستيك الداخلة كلها تؤثر على الكفاءة. كما يمكن أن تؤثر الإضافات في البلاستيك التجاري - مثل المثبتات والأصباغ والملدنات - على نتائج التفاعل.

وللاستكشاف من حيث الجدوى، أجرينا تقييمًا أوليًا للتقنية والاقتصاد (techno-economic assessment). هذه طريقة لتحليل الفوائد الاقتصادية المحتملة لعملية صناعية أو منتج.

ومع أنه يلزم إجراء تحسينات إضافية، تشير تحليلاتنا إلى أن ربط تنظيف النفايات بإنتاج مادة كيميائية قيّمة قد يساعد في تعويض التكاليف - خصوصًا عند أخذ الفوائد البيئية في الاعتبار.

وبشكل أوسع، تُظهر هذه الأعمال قوة المحفزات أحادية الذرة والتصميم المُستلهم من الأحياء. فمن خلال تقليد الطريقة التي تتحكم بها الإنزيمات في التفاعل عند مراكز معدنية محددة بدقة، يمكننا تحقيق تحولات كيميائية معقدة في ظل ظروف معتدلة باستخدام ضوء الشمس كمصدر للطاقة.

إعادة التفكير في دورة حياة البلاستيك

لن تُحل مشكلة تلوث البلاستيك عبر تقنية واحدة فقط. إن تقليل استخدام البلاستيك غير الضروري وتحسين تصميم المنتجات وتعزيز أنظمة إعادة التدوير كلها أمور ضرورية.

إن تحويل نفايات البلاستيك إلى مواد كيميائية مفيدة يوفّر استراتيجية تكاملية. فهو يعيد صياغة البلاستيك ليس فقط كعبء بيئي، بل أيضًا كمصدر للكربون.

إذا تمكنا من تسخير ضوء الشمس لدفع هذه التحولات بكفاءة وعلى نطاق واسع، فقد تصبح عبوات اليوم التي تم التخلص منها وقود تغذية الصناعات في الغد.

التحدي الآن هو تحويل تقدمنا في المختبر إلى أنظمة متينة وقابلة للتوسع. وإذا نجح ذلك، فسيكون خطوة نحو اقتصاد أكثر دائرية - حيث لا تكون النفايات نهاية القصة، بل بداية قصة جديدة.

MENAFN11032026000199003603ID1110848949