Get best of the week

Nettoyer les océans: décomposition du plastique par le soleil



L'une des inventions les plus importantes pour la société moderne est le plastique, c'est-à-dire polymères synthétiques. Le faible coût, la facilité de fabrication et la variabilité de l'apparence et des propriétés physiques ont permis au plastique de se répandre dans le monde avec une vitesse incroyable. Il existe de nombreux types de plastiques, mais tous sont présents à un degré ou un autre dans notre vie à chaque seconde, que nous le voulions ou non: papeterie, pièces automobiles, appareils électroménagers, équipements médicaux, jouets, emballage d'épicerie et d'articles ménagers, etc. Naturellement, une si large distribution de ce matériau miracle conduit à la formation d'une énorme quantité de déchets plastiques, qui ne se décompose pas rapidement, conduisant à une catastrophe environnementale sur terre et sur l'eau. Afin de résoudre ce problème,Au cours des 15 dernières années, des scientifiques de l'Université Cornell (États-Unis) ont développé un nouveau type de plastique qui répondra à toutes les exigences commerciales, mais avec une exposition prolongée à la lumière ultraviolette, il se décomposera assez rapidement. En quoi consiste le nouveau polymère, comment le rayonnement UV le décompose-t-il et cette invention peut-elle sauver l'océan mondial de la suffocation plastique? Les réponses à ces questions nous attendent dans le rapport des scientifiques. Aller.

Base d'étude


Nous avons déjà discuté d'une étude dans laquelle les scientifiques ont calculé la quantité de débris plastiques dans les océans sur la base de données sur des îles éloignées et inhabitées.

Néanmoins, il ne sera pas superflu de rappeler que ces dernières années la production de plastique a dépassé 350 à 400 millions de tonnes par an (selon différentes estimations). Dans le même temps, une partie assez impressionnante des déchets plastiques se trouve dans les eaux des océans. Les chercheurs nous rappellent une grande tache d'ordures du Pacifique - une collecte d'ordures dans le nord de l'océan Pacifique, dont la superficie est d'environ 1,6 million de km 2. Cette île aux ordures compte 79 000 tonnes de plastique. Quelqu'un peut suggérer «d'attraper» cette île et d'envoyer des ordures pour le recyclage, mais c'est loin d'être le seul. Plus précisément, cette tache d'ordures n'occupe qu'une petite fraction d'environ 4 à 12 millions de tonnes de déchets dans les océans et les mers autour de la planète. Alors que nous attraperons une île poubelle, une nouvelle, voire deux, aura le temps de se former. Sans parler de la complexité d'un tel nettoyage, en raison des conditions météorologiques.

Le principe de «nettoyer où ils ne jonchent pas» ne peut pas encore être qualifié de caractéristique déterminante de notre espèce. Par conséquent, les scientifiques ont décidé de créer un matériau à partir duquel les déchets ne dureront pas aussi longtemps que du plastique ordinaire (un sac en plastique ordinaire se décompose dans le sol pendant environ 100 ans).

Les chercheurs notent qu'environ 52% des débris dans les océans sont des filets de pêche en plastique et d'autres engins (données de 2015). Ces articles contribuent non seulement à l'augmentation de l'accumulation de déchets, mais entraînent également la mort de la vie marine.

Pour convaincre l'industrie de la pêche d'utiliser quelque chose de plus sûr que le plastique, la tâche est impossible. Les filets en plastique sont bon marché, ce n'est pas dommage de les perdre dans l'océan (d'un point de vue économique), ils peuvent être produits facilement et rapidement, ce qui signifie que le plastique sera utilisé à l'avenir.


Schéma numéro 1: le moyen idéal pour décomposer le plastique.

Si vous ne pouvez pas convaincre, vous pouvez modifier le matériau existant afin qu'il soit tout aussi durable et pratique, mais il se décompose beaucoup plus rapidement (diagramme ci-dessus).

Le leader parmi les polymères de l'industrie de la pêche est le polypropylène isotactique (iPP du polypropylène isotactique ), le polyéthylène haute densité (HDPE du polyéthylène haute densité ) et les polyamides.

Le polypropylène isotactique est l'un des types de polypropylène de structure moléculaire (les deux autres sont syndiotactiques et atactiques). L'isotactique a une densité élevée (910 kg / m 3 ), un point de fusion élevé (jusqu'à 170 ° C) et une résistance élevée à divers produits chimiques. En d'autres termes, ce type de plastique est très résistant, ce qui est une mauvaise nouvelle pour l'environnement.

Le polyéthylène haute densité a également une résistance spécifique élevée à une densité d'environ 970 kg / m 3. Cet indicateur est légèrement différent du polyéthylène ordinaire, mais le HDPE a des liaisons intermoléculaires plus denses, ce qui le rend plus fort. Le point de fusion du HDPE est de 120 ° C.

Le polyamide est un plastique avec des groupes amide –CONH− dans sa chaîne principale. Ce supplément le rend très durable, dur, visqueux et résistant aux facteurs externes. Le point de fusion et la densité dépendent du type particulier de polyamide, variant dans la plage de 178 ° C et 1 010 kg / m 3 à 220 ° C et 1 084 kg / m 3 .

L'une des méthodes pour accélérer la décomposition des plastiques est l'introduction de tout dopant (additif) dans leur composition. Cependant, l'inconvénient de cette technique est la forte probabilité d'initiation, c'est-à-dire chaînes de réactions chimiques secondaires indésirables.

Accélérer la décomposition du plastique en augmentant sa sensibilité à la lumière ultraviolette n'est pas une idée nouvelle. Des développements similaires se produisent depuis les années 50 du siècle dernier. Le résultat a été du plastique (copolymère de monoxyde d'éthylène) utilisé dans la fabrication d'emballages de boissons. Cependant, un tel matériau ne diffère pas par la haute résistance requise pour les articles de pêche. Cependant, l'idée même d'utiliser les UV a un grand potentiel.

Les scientifiques sont parvenus à la conclusion que le poly (oxyde de propylène) isotactique ou iPPO peut idéalement correspondre au rôle de fondation d'un nouveau plastique, car il est structurellement très similaire à l'iPP ordinaire. Un niveau de tact plus élevé (chaînes stéréochimiques répétitives identiques) dans l'iPP augmente sa cristallinité, ce qui entraîne une augmentation de la résistance mécanique.

Par conséquent, une grande tactilité peut également être obtenue en PPO en augmentant la force. De plus, la présence de liaisons éther fournira une sensibilité à la dégradation photochimique due au rayonnement UV.

Production commerciale aPPO utilise des catalyseurs à base de cyanure métallique en combinaison avec des agents de transfert de chaîne alcool (CTA) pour produire des polymères de faible poids moléculaire avec une faible dispersion (Đ). Cependant, le maintien d'un tel contrôle sur la structure et en même temps l'obtention d'un tact élevé est problématique pour la synthèse de iPPO.

Par conséquent, les scientifiques ont décidé d'utiliser des catalyseurs énantiosélectifs qui polymérisent sélectivement un énantiomère tout en dissolvant simultanément un époxyde moins réactif. En conséquence, plusieurs niveaux élevés de catalyseurs stéréosélectifs Co et Cr ont été obtenus.stéréosélectivité * (jusqu'à> 99%).
Stéréosélectivité * - lorsque, au cours d'une réaction chimique, la formation d'un stéréoisomère prévaut sur une autre.
Le poly (oxyde de propylène) hautement isotactique peut être synthétisé à partir d' oxyde de propylène énantiomère * par polymérisation par transfert de chaîne ( A dans le schéma 2).


Schéma 2: synthèse d'iPPO.
Enantiomères * - une paire de stéréoisomères, qui sont des images miroir les uns des autres, non compatibles dans l'espace.

Les stéréoisomères sont des composés chimiques qui ont la même structure, mais diffèrent dans la disposition spatiale des atomes.
Pour ce type de synthèse, un catalyseur est nécessaire qui fournit un enrichissement mutuel, ainsi qu'un énantiomonomère, ce qui rend pratiquement impossible la production à grande échelle.

La polymérisation par transfert de chaîne énantiosélective peut également conduire à un polymère hautement isotactique, où le tact est déterminé uniquement par la sélectivité du catalyseur ( B dans le schéma 2).

La polymérisation isosélective de la chaîne fournit une architecture polymère unique dans laquelle les deux monomères ( C dans le schéma 2) sont inclus dans la configuration de bloc stéréo * (SB, c'est-à-dire polymère séquencé stéréorégulier).
Polymères stéréoréguliers * - polymères dans les macromolécules dont un atome de carbone asymétrique est présent.
Malgré la variété des options de synthèse iPPO, on sait peu de choses sur les propriétés mécaniques de ce matériau. Par conséquent, les scientifiques ont décidé de synthétiser différentes variantes d'iPPO hautement isotactiques et d'étudier sa résistance mécanique et sa photodégradation.

Résultats de recherche


Dans sa forme énantiomérique et racémique, le complexe 1 a été utilisé pour polymériser l'OP énantiomérique et racémique afin de créer chaque configuration iPPO stéréorégulière (tableau 1).


Tableau n ° 1: synthèse de différentes configurations stéréorégulières d'iPPO hautement isotactique à l'aide de 1 et 1,6-hexanediol.

Le (S) -iPPO énantio-enrichi a été obtenu à partir du (S) -1 et du (rac) -PO en présence de 1,6-hexanediol (1,6-HD) comme CTA. Sa forme énantiomérique a été synthétisée à partir de (S) -PO en utilisant (rac) -1 dans des conditions de réaction similaires. Enantiomeric ®-iPPO a été obtenu de la même manière en utilisant ®-PO. Enfin, le mélange de quantités égales d'énantiomères (S) - et de ®-iPPO en solution a donné un (rac) -iPPO hautement isotactique. Comme prévu, toutes les formes synthétisées d'iPPO ont des valeurs similaires de Mn (poids moléculaire) et Đ (dispersion).


Image n ° 1

Chaque forme stéréorégulière d'iPPO a été soumise à un allongement uniaxial, suivi de l'élimination du PO non réactif et du diméthoxyéthane (DME).

Chaque matériau a présenté une réaction élastique à un pic de rendement élevé, suivi d'une région plate, puis d'une augmentation de la contrainte à la rupture.

Comme prévu, les énantiomères (S) - et ®-iPPO ont le même profil de traction avec un module élastique de ~ 290 MPa, une limite d'élasticité de ~ 12 MPa et une résistance à la traction (UTS) de 75 MPa ( 1A ).

Bien que l'énantiomère enrichi (avec plus d'un énantiomère) (S) -iPPO présente des erreurs insignifiantes en raison de l'inclusion insignifiante de ®-PO, sa réponse élastique est comparable à celle énantiomériquement pure (un seul énantiomère) (S) -iPPO à grande déformation ( 1B) Il a un module d'élasticité et une limite d'élasticité légèrement réduits de 248 et 11 MPa, respectivement. Les variantes de (rac) -iPPO et (SB) -iPPO ont montré les taux les plus faibles de diminution de la résistance (4 et 10 MPa, respectivement) sous tension ( 1C ).

Une résistance (SB) -iPPO plus faible peut être due à sa faible isotacticité. Cependant, la structure de ses triades isotactiques (mm) est similaire à celle du (S) -iPPO énantiomériquement enrichi, qui présente la même résistance à la traction que l'iPPO énantiomériquement pur.


Triade isotactique (mm) d'une molécule de polypropylène. La fraction massique des triades isotactiques (mm) est une mesure quantitative générale de l'évaluation tactile.

La teneur en triade mm inférieure observée dans (SB) -iPPO est caractéristique de sa microstructure en bloc. Mais pour le (S) -iPPO enrichi énantiomériquement, cela est dû à l'inclusion aléatoire de l'énantiomère moins préféré.

(SB) -iPPO maintient la limite d'élasticité approximative de toutes les autres formes d'iPPO, cependant, son comportement en traction diverge pendant le durcissement sous contrainte. Avec un allongement uniaxial continu, les chaînes polymères semi-cristallines se reconstruisent souvent après une déformation irréversible, ce qui conduit à une cristallisation, autrement appelée durcissement mécanique. Il a été constaté que c'est ce processus qui conduit à une diminution de la résistance à la traction du (SB) -iPPO.

Les scientifiques notent que dans de nombreux polymères, des fluctuations de contrainte (déformation) sont observées, ce qui est généralement inhérent aux métaux. Auparavant, il était assez difficile de déterminer la cause de ces vibrations, mais il existe une théorie selon laquelle cela est dû à la formation de micro-fissures et de cavités dans la structure du polymère.


Image n ° 2

Des études antérieures sur les fluctuations des contraintes ont montré leur dépendance à la température, à la vitesse de déformation et à la nature du matériau. Cependant, en raison du point de fusion relativement bas de l'iPPO (68 ° C), la dépendance à la température des vibrations dans ce travail n'a pas été étudiée. Au lieu de cela, la dépendance du taux de déformation des vibrations a été étudiée dans la plage de déformation de 0,10% à 1000% (graphique ci-dessus).

Une augmentation de la vitesse de déformation supérieure à 100% a conduit à l'atténuation et à la disparition de la réponse dentée (indiquée par une ligne pointillée), mais également à une diminution de la résistance à la traction.

Pour déterminer la valeur supérieure de la résistance à la traction iPPO, différentes variantes de (S) -iPPO énantiomériquement enrichi ont été synthétisées. Les polymères ont été synthétisés avec des poids moléculaires allant de 49 à 206 kDa. Chaque échantillon a montré le même tact approximatif et la même limite élastique (environ 12 MPa).


Image n ° 3

Une augmentation du poids moléculaire au-dessus de 100 kDa a entraîné une légère amélioration de la tension. L'occurrence d'une perte de résistance à la traction a également été détectée lorsque le poids moléculaire a diminué en dessous de 104 kDa.

Après avoir déterminé la valeur limite de la résistance ultime pour iPPO, les scientifiques ont effectué une analyse comparative de ce polymère avec des plastiques disponibles dans le commerce (iPP, HDPE et nylon-6.6).


L'image n ° 4

iPPO a montré une limite d'élasticité relativement faible, mais la résistance à la traction était supérieure à celle des polymères commerciaux (graphique ci-dessus).

L'iPPO à l'étude est suffisamment solide, ce qui est extrêmement important pour l'industrie de la pêche. Reste à vérifier dans quelle mesure il est sensible au soleil. Naturellement, l'intensité lumineuse varie selon la saison, les conditions météorologiques et l'heure de la journée, mais à des fins expérimentales, il a été décidé d'utiliser un rayonnement constant, mais moins intense qu'il ne le serait dans des conditions naturelles.

L'échantillon a été exposé au rayonnement UV (365 nm) pendant 30 jours à une intensité de 250 μW / cm 2 . La décomposition a été évaluée par chromatographie de perméation de gel (GPC) pour quantifier le changement de poids moléculaire du polymère.


Image n ° 5 L'

échantillon a commencé à se décomposer après 3 jours, comme en témoigne une baisse de poids moléculaire de 9 kDa (graphique ci-dessus, marqueurs bleus). Après 15 jours, le poids moléculaire a déjà perdu 29 kDa. Le résultat final de l'expérience (après 30 jours) a montré que le poids moléculaire du polymère passait de 93 kDa à 21 kDa.

En parallèle, la décomposition du même polymère a été évaluée, mais sans rayonnement UV (graphique ci-dessus, marqueurs rouges). Comme prévu, après 30 jours complets, le poids moléculaire n'a pas changé, ce qui indique l'absence de dégradation du matériau.

Dans ce cas, le principal mécanisme de décomposition peut être considéré comme une auto-oxydation. Les antioxydants de faible poids moléculaire sont souvent utilisés comme stabilisants radicalaires dans les polyesters et les polyuréthanes commerciaux. La manipulation de ces additifs vous permettra de contrôler la durée de vie du polymère.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je recommande de consulter le rapport des scientifiques .

Épilogue


Dans ce travail, les scientifiques ont pu développer un nouveau polymère qui présente des caractéristiques comparables à celles des polymères commerciaux, mais peut se décomposer sous l'influence de la lumière solaire. Bien sûr, à l'avenir, il est prévu de mener plusieurs autres études afin de maîtriser pleinement le processus de décomposition, car personne n'a besoin de filets de pêche qui se décomposent dès le premier jour d'utilisation.

La quantité de plastique utilisée peut être réduite, mais cela peut entraîner d'autres problèmes, à la fois dans l'économie et dans l'environnement. Les scientifiques pensent que le problème doit être considéré sous un angle différent - si vous ne pouvez pas refuser le plastique, vous devez le changer afin que l'utilisation du plastique ne nuise pas à l'environnement.

Cependant, il convient de noter que la présence de ce type de recherche ne signifie pas que vous pouvez être négligent en matière de déchets plastiques, de leur tri, etc. Il est impossible de s'appuyer sur des scientifiques, pensant qu'ils vont tous «se résoudre». En effet, la création d'un nouveau super-plastique est encore loin et les îles d'ordures dans les océans flottent toujours. Par conséquent, chaque personne devrait, dans la mesure du possible, contribuer à la cause commune de la préservation de l'environnement. Si nous ne sommes pas en mesure de corriger les dommages environnementaux causés par les générations précédentes, nous ne devrions au moins pas les aggraver.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars. :)

Un peu de publicité :)


Merci de rester avec nous. Aimez-vous nos articles? Vous voulez voir des matériaux plus intéressants? Soutenez-nous en passant une commande ou en recommandant à vos amis, VPS cloud pour les développeurs à partir de 4,99 $ , un analogue unique de serveurs d'entrée de gamme que nous avons inventé pour vous: Toute la vérité sur VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 cœurs) 10 Go DDR4 480 Go SSD 1 Gbit / s à partir de 19 $ ou comment diviser le serveur? (les options sont disponibles avec RAID1 et RAID10, jusqu'à 24 cœurs et jusqu'à 40 Go de DDR4).

Dell R730xd 2 fois moins cher au centre de données Equinix Tier IV à Amsterdam? Nous avons seulement 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV à partir de 199 $ aux Pays-Bas!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - à partir de 99 $! En savoir plus sur la création d'un bâtiment d'infrastructure. classe c utilisant des serveurs Dell R730xd E5-2650 v4 coûtant 9 000 euros pour un sou?

More articles:


All Articles