Get best of the week

تنظيف المحيطات: تحلل البلاستيك من خلال أشعة الشمس



واحدة من أهم الاختراعات للمجتمع الحديث هي البلاستيك ، أي بوليمرات اصطناعية. سمح الرخص وسهولة التصنيع والتنوع في المظهر والخصائص الفيزيائية للبلاستيك بالانتشار حول العالم بسرعة لا تصدق. هناك العديد من أنواع البلاستيك ، ولكن جميعها موجودة إلى درجة أو أخرى في حياتنا كل ثانية ، سواء أردنا ذلك أم لا: القرطاسية ، قطع غيار السيارات ، الأجهزة المنزلية ، المعدات الطبية ، الألعاب ، تغليف البقالة والسلع المنزلية ، إلخ. بطبيعة الحال ، يؤدي هذا التوزيع الواسع لهذه المواد المعجزة إلى تكوين كمية كبيرة من القمامة البلاستيكية ، التي لا تتعجل في التحلل ، مما يؤدي إلى كارثة بيئية على الأرض وعلى الماء. من أجل حل هذه المشكلة ،طور علماء من جامعة كورنيل (الولايات المتحدة الأمريكية) على مدى السنوات الـ 15 الماضية نوعًا جديدًا من البلاستيك يلبي جميع المتطلبات التجارية ، ولكن مع التعرض الطويل للضوء فوق البنفسجي سيتحلل بسرعة كافية. ماذا يتكون البوليمر الجديد ، وكيف تتحلل الأشعة فوق البنفسجية ، وهل يمكن لهذا الاختراع إنقاذ المحيط العالمي من الاختناق البلاستيكي؟ الإجابات على هذه الأسئلة تنتظرنا في تقرير العلماء. اذهب.

أساس الدراسة


لقد ناقشنا بالفعل دراسة قام فيها العلماء بحساب كمية الحطام البلاستيكي في المحيطات بناءً على البيانات الخاصة بالجزر النائية وغير المأهولة.

ومع ذلك ، لن يكون من غير الضروري أن نذكر أنفسنا أنه في السنوات الأخيرة تجاوز إنتاج البلاستيك 350-400 مليون طن سنويًا (وفقًا لتقديرات مختلفة). في الوقت نفسه ، يوجد جزء مثير للإعجاب إلى حد ما من النفايات البلاستيكية في مياه المحيطات. يذكرنا الباحثون بنقطة قمامة كبيرة في المحيط الهادئ - مجموعة من القمامة في شمال المحيط الهادئ ، تبلغ مساحتها حوالي 1.6 مليون كيلومتر مربع. تحتوي جزيرة القمامة على 79 ألف طن من البلاستيك. قد يقترح شخص ما "اصطياد" هذه الجزيرة وإرسال القمامة لإعادة التدوير ، لكنها بعيدة عن الجزيرة الوحيدة. على وجه التحديد ، تحتل بقعة القمامة هذه جزءًا صغيرًا فقط من حوالي 4-12 مليون طن من القمامة في المحيطات والبحار حول الكوكب. بينما سنمسك بجزيرة قمامة واحدة ، فإن جزيرة جديدة ، أو حتى جزيرتين ، سيكون لديها وقت للتشكيل. ناهيك عن تعقيد مثل هذا التنظيف ، بسبب الظروف الجوية.

لا يمكن حتى الآن تسمية مبدأ "النظيفة حيث لا تتخلص من القمامة" السمة المميزة لأنواعنا. لذلك ، قرر العلماء إنشاء مادة لا تدوم القمامة منها طالما البلاستيك العادي (تتحلل الأكياس البلاستيكية العادية في التربة لمدة 100 عام تقريبًا).

لاحظ الباحثون أن ما يقرب من 52 ٪ من الحطام في المحيطات هو شبكات صيد بلاستيكية ومعدات أخرى (بيانات من عام 2015). لا تساهم هذه العناصر في زيادة تراكم القمامة فحسب ، بل تؤدي أيضًا إلى وفاة الحياة البحرية.

لإقناع صناعة الصيد باستخدام شيء أكثر أمانًا من البلاستيك ، فإن المهمة مستحيلة. شبكات البلاستيك رخيصة ، ليس من المؤسف أن نفقدها في المحيط (من وجهة نظر اقتصادية) ، يمكن إنتاجها بسهولة وسرعة ، مما يعني أنه سيتم استخدام البلاستيك في المستقبل.


المخطط رقم 1: الطريقة المثالية لتحلل البلاستيك.

إذا لم تتمكن من الإقناع ، فيمكنك تعديل المادة الموجودة بحيث تكون متينة وعملية بنفس القدر ، ولكنها تتحلل بشكل أسرع (الرسم البياني أعلاه).

الرائد بين البوليمرات في صناعة الصيد هو البولي بروبيلين المتساوي التوتر (iPP من البولي بروبيلين المتساوي التوتر ) والبولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE من البولي إيثيلين عالي الكثافة ) والبولي أميدات.

بولي بروبيلين متساوي التوتر هو أحد أنواع البولي بروبيلين في التركيب الجزيئي (النوعان الآخران متلازمين وغير منتشرين). متساوي التوتر (910 كجم / م 3 ) ، ونقطة انصهار عالية (تصل إلى 170 درجة مئوية) ومقاومة عالية للمواد الكيميائية المختلفة. وبعبارة أخرى ، فإن هذا النوع من البلاستيك مقاوم للغاية ، وهو خبر سيئ للبيئة.

يحتوي البولي إيثيلين عالي الكثافة أيضًا على قوة محددة عالية بكثافة حوالي 970 كجم / م 3. يختلف هذا المؤشر قليلاً عن البولي إيثيلين العادي ، لكن HDPE لديه روابط بين الجزيئات أكثر كثافة ، مما يجعله أقوى. نقطة انصهار HDPE هي 120 درجة مئوية.

البولي أميد عبارة عن بلاستيك به مجموعات أميد –كونهو في سلسلته الرئيسية. هذا المكمل يجعله متينًا جدًا وصعبًا ولزجًا ومقاومًا للعوامل الخارجية. تعتمد نقطة الانصهار والكثافة على نوع معين من البولي أميد ، وتتراوح في النطاق من 178 درجة مئوية و 1010 كجم / م 3 إلى 220 درجة مئوية و 084 كجم / م 3 .

إحدى طرق تسريع تحلل المواد البلاستيكية هي إدخال أي منشطات (إضافات) في تكوينها. ومع ذلك ، فإن عيب هذه التقنية هو الاحتمالية العالية للشروع ، أي سلاسل التفاعلات الكيميائية الثانوية غير المرغوب فيها.

إن تسريع التحلل البلاستيكي عن طريق زيادة حساسيته للأشعة فوق البنفسجية ليست فكرة جديدة. تطورات مماثلة مستمرة منذ الخمسينيات من القرن الماضي. كانت النتيجة بلاستيك (كوبوليمر أول أكسيد الإيثيلين) المستخدم في تصنيع عبوات المشروبات. ومع ذلك ، لا تختلف هذه المواد في القوة العالية المطلوبة في معالجة الصيد. ومع ذلك ، فإن فكرة استخدام الأشعة فوق البنفسجية لها إمكانات كبيرة.

توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن poly isotactic poly (propylene oxide) أو iPPO يمكن أن يتناسب بشكل مثالي مع دور أساس البلاستيك الجديد ، لأنه يشبه إلى حد كبير هيكل iPP العادي. مستوى أعلى من اللباقة (سلاسل متماثلة متطابقة) في IPP يزيد من تبلورها ، مما يؤدي إلى زيادة في القوة الميكانيكية.

ونتيجة لذلك ، يمكن أيضًا تحقيق اللباقة العالية في PPO عن طريق زيادة القوة. علاوة على ذلك ، سيوفر وجود روابط الأثير حساسية للتدهور الكيميائي الضوئي بسبب الأشعة فوق البنفسجية.

يستخدم aPPO للإنتاج التجاري محفزات سيانيد معدنية مزدوجة بالاشتراك مع عوامل نقل سلسلة الكحول (CTAs) لإنتاج بوليمرات منخفضة الوزن الجزيئي مع تشتت منخفض (Đ). ومع ذلك ، فإن الحفاظ على هذه السيطرة على الهيكل وفي نفس الوقت الحصول على براعة عالية يمثل مشكلة في تركيب iPPO.

لذلك ، قرر العلماء استخدام محفزات انتقائية انتقائية تعمل على بلمرة انتقائيًا لمرة واحدة مع إذابة إبوكسايد أقل تفاعلية في نفس الوقت. ونتيجة لذلك ، تم الحصول على عدة مستويات عالية من محفزات Co و stereoselective.الانتقائية المجسمة * (حتى> 99٪).
الانتقائية الفراغية * - عندما يسود تكوين أيزومر مجسّم خلال تفاعل كيميائي على آخر.
يمكن تصنيع بولي عالي التساوي (أكسيد البروبيلين) من أكسيد بروبيلين إينانتيومريك * بواسطة بلمرة نقل السلسلة ( A في المخطط 2).


المخطط 2: توليف iPPO.
Enantiomers * - زوج من الأيزوميرات ، وهي صور معكوسة لبعضها البعض ، غير متوافقة في الفضاء.

الفراغات الفراغية هي مركبات كيميائية لها نفس البنية ، ولكنها تختلف في الترتيب المكاني للذرات.
بالنسبة لهذا النوع من التوليف ، يلزم وجود محفز يوفر الإثراء المتبادل ، بالإضافة إلى enomiomoner ، مما يجعل من المستحيل عمليًا الإنتاج على نطاق واسع.

يمكن أن تؤدي البلمرة المتغيرة الانتقائية للسلسلة أيضًا إلى بوليمر متساوي التوتر للغاية ، حيث يتم تحديد اللباقة فقط من خلال انتقائية المحفز ( B في المخطط 2).

توفر البلمرة الانتقائية للسلسلة بنية بوليمر فريدة يتم فيها تضمين كل من المونومرات ( C في المخطط 2) في تكوين كتلة الاستريو * (SB ، أي بوليمر كتلة مجسمة).
بوليمرات مجسمة * - بوليمرات في الجزيئات الكبيرة التي توجد منها ذرة كربون غير متماثلة.
على الرغم من تنوع خيارات تركيب iPPO ، لا يُعرف الكثير عن الخصائص الميكانيكية لهذه المادة. لذلك ، قرر العلماء تجميع بدائل مختلفة من iPPOs متساوية التوتر ودراسة قوتها الميكانيكية والتحلل الضوئي.

نتائج البحث


في شكله المجهري و الراسيمي ، تم استخدام المعقد 1 لبلمرة PO الطفيلي و الراسي لخلق كل تكوين iPPO المجسم (الجدول 1).


الجدول رقم 1: تخليق مختلف التكوينات المجسمة من iPPO متساوي التوتر باستخدام 1 و 1،6-hexanediol.

تم الحصول على Enantio (S) -iPPO من (S) -1 و (rac) -PO في وجود 1،6-hexanediol (1،6-HD) كـ CTA. تم تصنيع شكله التماثلي من (S) -PO باستخدام (rac) -1 تحت ظروف تفاعل مشابهة. تم الحصول على Enantiomeric ®-iPPO بنفس الطريقة باستخدام ®-PO. وأخيرًا ، أدى خلط كميات متساوية من enantiomeric (S) - و ®-iPPO في المحلول إلى إعطاء isoacticic (rac) -iPPO. كما هو متوقع ، فإن جميع الأشكال المركبة من iPPO لها قيم متشابهة من Mn (الوزن الجزيئي) و Đ (التشتت).


صورة رقم 1 تعرض

كل شكل من أشكال الجسم المجسم من iPPO إلى استطالة أحادية المحور ، متبوعًا بإزالة PO غير المتفاعل و dimethoxyethane (DME).

أظهرت كل مادة رد فعل مرن لذروة حادة في المحصول ، تليها منطقة مسطحة ، ثم زيادة في الضغط على الفشل.

كما هو متوقع ، فإن enantiomeric (S) - و ®-iPPOs لها نفس مظهر الشد مع معامل مرونة ~ 290 ميجا باسكال ، وقوة الخضوع ~ 12 ميجا باسكال ، وقوة الشد (UTS) من 75 ميجا باسكال ( 1A ).

على الرغم من حقيقة أنه يحتوي على أخطاء طفيفة (مع وجود أكثر من enantiomer) (S) -iPPO على الرغم من وجود أخطاء طفيفة في تضمين ®-PO ، فإن استجابته المرنة يمكن مقارنتها مع نقي enantiomerically (واحد فقط enantiomer) (S) -iPPO في تشوه كبير ( 1B) لديها معامل انخفاض طفيف للمرونة وقوة الخضوع 248 و 11 ميجا باسكال ، على التوالي. أظهرت المتغيرات من (rac) -iPPO و (SB) -iPPO أدنى معدلات انخفاض في القوة (4 و 10 ميجا باسكال ، على التوالي) تحت التوتر ( 1C ).

قد تكون القوة الأقل (SB) -iPPO بسبب انخفاض نشاطها. ومع ذلك ، فإن بنية ثلاثيياتها متساوية التوتر (مم) تشبه بنية ثلاثي القطب المخصب بشكل طفيف (S) -iPPO ، الذي يظهر نفس قوة الشد مثل iPPO النقي طفيفًا.


ثالوث متساوي التوتر (مم) لجزيء بولي بروبيلين. الجزء الكتلي من ثالوث متساوي التوتر (مم) هو مقياس كمي عام لتقييم اللباقة.

إن محتوى الثالوث الأدنى مم الملاحظ في (SB) -iPPO هو سمة من سمات البنية المجهرية للكتلة. ولكن بالنسبة لـ IPPO المخصب بشكل طفيف (S) ، فإن هذا يرجع إلى التضمين العشوائي للإنانتيومر الأقل تفضيلاً.

(SB) - يحافظ ipo على قوة الخضوع التقريبية لجميع أشكال iPPO الأخرى ، ومع ذلك ، يختلف سلوك الشد أثناء تصلب الإجهاد. مع الاستطالة أحادية المحور المستمرة ، غالبًا ما يتم إعادة بناء سلاسل البوليمر شبه البلورية بعد التشوه الذي لا رجعة فيه ، مما يؤدي إلى التبلور ، أو ما يسمى بالتصلب الميكانيكي. وقد وجد أن هذه العملية هي التي تؤدي إلى انخفاض قوة الشد لـ (SB) -iPPO.

يلاحظ العلماء أنه في العديد من البوليمرات ، لوحظت تقلبات في الإجهاد (الإجهاد) ، والتي عادة ما تكون متأصلة في المعادن. في السابق ، كان من الصعب تحديد سبب مثل هذه الاهتزازات ، ومع ذلك ، هناك نظرية مفادها أن هذا يرجع إلى تكوين الشقوق الدقيقة والتجاويف في هيكل البوليمر.


الصورة رقم 2

أظهرت دراسات سابقة لتقلبات الضغط اعتمادها على درجة الحرارة ومعدل الإجهاد وطبيعة المادة. ومع ذلك ، نظرًا لنقطة انصهار منخفضة نسبيًا لـ iPPO (68 درجة مئوية) ، لم تتم دراسة الاعتماد على درجة الحرارة للاهتزازات في هذا العمل. بدلاً من ذلك ، تمت دراسة اعتماد معدل سلالة الاهتزازات في نطاق السلالة من 0.10٪ إلى 1000٪ (الرسم البياني أعلاه).

أدت الزيادة في معدل الإجهاد فوق 100 ٪ إلى توهين واختفاء استجابة الأسنان (المشار إليها بخط منقط) ، ولكن أيضًا إلى انخفاض في قوة الشد.

لتحديد القيمة العليا لقوة الشد iPPO ، تم توليف المتغيرات المختلفة لـ IPPO المخصب بشكل طفيف (S) -iPPO. تم تصنيع البوليمرات بأوزان جزيئية تتراوح من 49 إلى 206 كيلو دالتون. أظهرت كل عينة نفس اللباقة وقوة الخضوع (حوالي 12 ميجا باسكال).


الصورة رقم 3

أدت الزيادة في الوزن الجزيئي فوق 100 كيلو دالتون إلى تحسن طفيف في التوتر. كما تم الكشف عن حدوث فقدان لقوة الشد عندما انخفض الوزن الجزيئي إلى ما دون 104 كيلو دالتون.

بعد تحديد القيمة القصوى للقوة النهائية لـ iPPO ، أجرى العلماء تحليلًا مقارنًا لهذا البوليمر باستخدام المواد البلاستيكية المتاحة تجاريًا (iPP و HDPE و nylon-6.6). أظهرت


الصورة رقم 4

iPPO قوة خضوع منخفضة نسبيًا ، ولكن قوة الشد كانت أعلى من البوليمرات التجارية (الرسم البياني أعلاه).

IPPO قيد الدراسة قوي بما فيه الكفاية ، وهو أمر مهم للغاية لصناعة صيد الأسماك. يبقى للتحقق من مدى تعرضها لأشعة الشمس. بطبيعة الحال ، تختلف شدة الضوء حسب الموسم وظروف الطقس والوقت من اليوم ، ولكن للأغراض التجريبية ، تقرر استخدام إشعاع ثابت ، ولكن أقل كثافة مما سيكون عليه في الظروف الطبيعية.

تعرضت العينة للأشعة فوق البنفسجية (365 نانومتر) لمدة 30 يومًا بكثافة 250 μW / سم 2 . تم تقييم التحلل بواسطة كروماتوجرافيا نفاذية الهلام (GPC) لتحديد التغير في الوزن الجزيئي للبوليمر.


الصورة رقم 5

بدأت العينة تتحلل بعد 3 أيام ، كما يتضح من انخفاض الوزن الجزيئي لـ 9 كيلو دالتون (الرسم البياني أعلاه ، علامات زرقاء). بعد 15 يومًا ، فقد الوزن الجزيئي بالفعل 29 كيلو دالتون. أظهرت النتيجة النهائية للتجربة (بعد 30 يومًا) أن الوزن الجزيئي للبوليمر انخفض من 93 كيلو دالتون إلى 21 كيلو دالتون.

في موازاة ذلك ، تم تقييم تحلل نفس البوليمر ، ولكن بدون إشعاع فوق بنفسجي (الرسم البياني أعلاه ، علامات حمراء). كما هو متوقع ، بعد 30 يومًا كاملة ، لم يتغير الوزن الجزيئي ، مما يشير إلى عدم وجود تحلل للمادة.

في هذه الحالة ، يمكن اعتبار الآلية الرئيسية للتحلل الأكسدة التلقائية. غالبًا ما تستخدم مضادات الأكسدة منخفضة الوزن الجزيئي كمثبتات جذرية في البوليستر التجاري والبولي يوريثين. سيسمح لك التحكم في هذه الإضافات بالتحكم في عمر البوليمر.

للحصول على معرفة أكثر تفصيلاً بالفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصيك بالنظر في تقرير العلماء .

الخاتمة


في هذا العمل ، تمكن العلماء من تطوير بوليمر جديد يعرض خصائص مماثلة للبوليمرات التجارية ، ولكن يمكن أن تتحلل تحت تأثير ضوء الشمس. بالطبع ، من المخطط في المستقبل إجراء العديد من الدراسات من أجل السيطرة الكاملة على عملية التحلل ، لأنه لا يحتاج أحد إلى شباك الصيد التي تتحلل من اليوم الأول للاستخدام.

يمكن تقليل كمية البلاستيك المستخدمة ، ولكن هذا يمكن أن يؤدي إلى مشاكل أخرى ، سواء في الاقتصاد أو في البيئة. يعتقد العلماء أن المشكلة يجب أن تؤخذ في الاعتبار من زاوية مختلفة - إذا لم تتمكن من رفض البلاستيك ، فأنت بحاجة إلى تغييرها حتى لا يؤدي استخدام البلاستيك إلى الإضرار بالبيئة.

ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن وجود هذا النوع من الأبحاث لا يعني أنه يمكنك الإهمال في مسألة النفايات البلاستيكية وفرزها وما إلى ذلك. من المستحيل الاعتماد على العلماء ، معتقدين أنهم "سيحلون". في الواقع ، لا يزال إنشاء بلاستيك فائق جديد بعيدًا جدًا ، ولا تزال جزر القمامة في المحيطات عائمة. لذلك ، يجب على كل شخص ، قدر الإمكان ، أن يساهم في القضية المشتركة للحفاظ على البيئة. إذا لم نتمكن من تصحيح الأضرار البيئية التي تسببت بها الأجيال السابقة ، فلا ينبغي لنا على الأقل تفاقمها.

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين وأتمنى لكم أسبوع عمل جيد يا رفاق. :)

القليل من الدعاية :)


أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك ، VPS السحابي للمطورين من $ 4.99 ، وهو نظير فريد من نوعه لخوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة عن VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 نوى) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من $ 19 أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا و 40 جيجابايت DDR4).

Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولار! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الفئة c باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟

More articles:


All Articles