アップサイクルの予期せぬ方法: プラスチック廃棄物が石鹸に変わる

Jul 13, 2023

化学科のGuoliang 'Greg' Liu氏は、牛乳パック、食品容器、ビニール袋などのプラスチックを石鹸にリサイクルする新しい方法を発見した。 方法: プラスチック内の長い炭素鎖を加熱し、すぐに冷却します。

2023 年 8 月 10 日

バージニア工科大学の研究者らが率いるチームは、プラスチックを石鹸や洗剤などの製造に使用される界面活性剤として知られる高価値の化学物質にアップサイクルする新しい方法を開発した。

プラスチックと石鹸は、質感、外観、そして最も重要な使用方法に関して、ほとんど共通点がありません。 しかし、この 2 つの間には分子レベルで驚くべき関連性があります。今日世界で最も一般的に使用されているプラ​​スチックの 1 つであるポリエチレンの化学構造は、脂肪酸の化学構造と驚くほど似ています。石鹸。 どちらの材料も長い炭素鎖で構成されていますが、脂肪酸は鎖の末端に追加の原子グループを持っています。

バージニア工科大学化学准教授、Guoliang "Greg" Liu 氏は、この類似性が、ポリエチレンを脂肪酸に変換し、そのプロセスにいくつかの追加手順を加えて石鹸を製造することが可能であることを示唆していると長い間感じていました。 課題は、長いポリエチレン鎖を多くの短い (ただし短すぎない) 鎖に分割する方法と、それを効率的に行う方法でした。 リウ氏は、低価値のプラスチック廃棄物を高価値の有用な商品に変えることができる、新しいアップサイクル手法の可能性があると信じていました。

しばらくこの質問について考えた後、リューさんは暖炉のそばで冬の夜を楽しんでいるときにインスピレーションに打たれました。 彼は火から立ち上る煙を見て、その煙が木材の燃焼中に生成される小さな粒子からどのように構成されているかについて考えました。 安全性と環境上の理由から、プラスチックは決して暖炉で燃やすべきではありませんが、Liu 氏は、安全な実験室環境でポリエチレンを燃やすことができたらどうなるだろうかと考え始めました。 ポリエチレンが不完全燃焼すると、木材を燃やすのと同じように「煙」が発生するのでしょうか？ もし誰かがあの煙を捕らえたら、それは何でできているでしょうか?

「薪は主にセルロースなどのポリマーでできています。 薪の燃焼により、これらのポリマーは短い鎖に分解され、さらに二酸化炭素に完全に酸化される前に小さな気体分子に分解されます」と、化学科のブラックウッドジュニアファカルティ生命科学フェローシップ保持者のリュー氏は述べています。 「合成ポリエチレン分子を同様に分解し、小さな気体分子にまで分解する前にプロセスを停止すれば、短鎖のポリエチレンのような分子が得られるはずです。」

Zhen Xu と Eric Munyaneza の協力により、2 人の博士号が取得されました。 リュー氏の研究室の化学の学生たちは、温度勾配熱分解と呼ばれるプロセスでポリエチレンを加熱できる小さなオーブンのような反応器を作りました。 オーブンは下部でポリマー鎖を切断するのに十分な温度に達し、上部ではそれ以上の分解を停止するのに十分な低い温度まで冷却されます。 熱分解後、煙突からすすを掃除するのと同じように残留物を集めたところ、Liu の予感が正しかったことがわかりました。それは「短鎖ポリエチレン」、より正確にはワックスで構成されていたのです。

これはプラスチックを石けんにアップサイクルする方法を開発するための最初のステップだった、とリュー氏は語った。 ケン化などのいくつかの工程を追加することで、チームはプラスチックから世界初の石鹸を製造しました。 プロセスを継続するために、チームは計算モデリングや経済分析などの専門家の協力を求めました。

これらの専門家の一部は、バージニア工科大学の高分子イノベーション研究所とのつながりを通じてチームに紹介されました。 グループは協力してアップサイクルのプロセスを文書化し、科学コミュニティと共有できる状態になるまで改良しました。 この研究は本日、人気雑誌サイエンスに掲載されました。

「私たちの研究は、新しい触媒や複雑な手順を使用せずにプラスチックをアップサイクルするための新しいルートを示しています。 この研究で、私たちはプラスチックのリサイクルのためのタンデム戦略の可能性を示しました」と論文の筆頭著者である Xu 氏は述べています。 「これにより、人々は将来的にアップサイクル手順のより創造的なデザインを開発できるようになります。」