Get best of the week

Bersihkan lautan: dekomposisi plastik melalui sinar matahari



Salah satu penemuan paling signifikan bagi masyarakat modern adalah plastik, mis. polimer sintetis. Murahnya, kemudahan pembuatan dan variabilitas penampilan dan sifat fisik memungkinkan plastik menyebar di seluruh dunia dengan kecepatan luar biasa. Ada banyak jenis plastik, tetapi semuanya hadir pada tingkat tertentu dalam hidup kita setiap detik, baik kita inginkan atau tidak: alat tulis, onderdil mobil, peralatan rumah tangga, peralatan medis, mainan, kemasan bahan makanan dan barang-barang rumah tangga, dll. Secara alami, distribusi luas dari bahan mukjizat ini mengarah pada pembentukan sejumlah besar sampah plastik, yang tidak tergesa-gesa terurai, yang mengarah ke bencana lingkungan baik di darat maupun di air. Untuk mengatasi masalah ini,Para ilmuwan dari Cornell University (AS) selama 15 tahun terakhir telah mengembangkan jenis plastik baru yang akan memenuhi semua persyaratan komersial, tetapi dengan paparan sinar ultraviolet yang lama akan terurai dengan cukup cepat. Terdiri dari apakah polimer baru itu, bagaimana radiasi UV menguraikannya, dan dapatkah penemuan ini menyelamatkan Lautan Dunia dari mati lemas plastik? Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini menunggu kita dalam laporan para ilmuwan. Pergilah.

Dasar studi


Kita telah membahas sebuah studi di mana para ilmuwan menghitung jumlah puing-puing plastik di lautan berdasarkan data di pulau-pulau terpencil dan tidak berpenghuni.

Namun demikian, tidak akan berlebihan untuk mengingatkan diri kita sendiri bahwa dalam beberapa tahun terakhir produksi plastik telah melebihi 350-400 juta ton per tahun (menurut berbagai perkiraan). Pada saat yang sama, bagian yang agak mengesankan dari sampah plastik ada di perairan lautan. Para peneliti mengingatkan kita tentang tempat sampah Pasifik yang besar - kumpulan sampah di Samudra Pasifik utara, yang luasnya sekitar 1,6 juta km 2. Pulau sampah ini memiliki 79 ribu ton plastik. Seseorang mungkin menyarankan "menangkap" pulau ini dan mengirim sampah untuk didaur ulang, tetapi itu jauh dari satu-satunya. Secara khusus, tempat sampah ini hanya menempati sebagian kecil dari sekitar 4-12 juta ton sampah di lautan dan lautan di sekitar planet ini. Sementara kita akan menangkap satu pulau sampah, yang baru, atau bahkan dua, akan memiliki waktu untuk terbentuk. Belum lagi kerumitan pembersihan seperti itu, karena kondisi cuaca.

Prinsip "bersih di mana mereka tidak membuang sampah sembarangan" belum dapat disebut sebagai ciri khas spesies kita. Oleh karena itu, para ilmuwan memutuskan untuk membuat bahan dari mana sampah tidak akan bertahan selama dari plastik biasa (kantong plastik biasa terurai di tanah selama sekitar 100 tahun).

Para peneliti mencatat bahwa sekitar 52% dari puing-puing di lautan adalah jaring ikan plastik dan peralatan lainnya (data dari 2015). Barang-barang ini tidak hanya berkontribusi pada peningkatan akumulasi sampah, tetapi juga menyebabkan kematian kehidupan laut.

Untuk meyakinkan industri perikanan untuk menggunakan sesuatu yang lebih aman daripada plastik, tugas itu tidak mungkin. Jaring plastik murah, tidak sayang kehilangannya di laut (dari sudut pandang ekonomi), mereka dapat dengan mudah dan cepat diproduksi, yang berarti plastik akan digunakan di masa depan.


Skema nomor 1: cara ideal untuk menguraikan plastik.

Jika Anda tidak dapat meyakinkan, maka Anda dapat memodifikasi materi yang ada sehingga tahan lama dan praktis, tetapi terurai jauh lebih cepat (diagram di atas).

Pemimpin di antara polimer dalam industri perikanan adalah polipropilen isotaktik (IPP dari polipropilen isotaktik ), polietilen densitas tinggi (HDPE dari polietilen densitas tinggi ), dan poliamida.

Polipropilen isotaktik adalah salah satu jenis polipropilen dalam struktur molekul (dua lainnya adalah syndiotactic dan atactic). Isotactic memiliki kepadatan tinggi (910 kg / m 3 ), titik lebur tinggi (hingga 170 ° C) dan ketahanan tinggi terhadap berbagai bahan kimia. Dengan kata lain, jenis plastik ini sangat tahan, yang merupakan berita buruk bagi lingkungan.

Polietilen densitas tinggi juga memiliki kekuatan spesifik tinggi dengan kepadatan sekitar 970 kg / m 3. Indikator ini sedikit berbeda dari polietilen biasa, tetapi HDPE memiliki ikatan antar molekul yang lebih padat, yang membuatnya lebih kuat. Titik lebur HDPE adalah 120 ° C.

Poliamida adalah plastik dengan gugus amida –CONH− di rantai utamanya. Suplemen ini membuatnya sangat tahan lama, tangguh, kental dan tahan terhadap faktor eksternal. Titik lebur dan densitas tergantung pada jenis poliamida tertentu, bervariasi dalam kisaran dari 178 ° C dan 1 010 kg / m 3 hingga 220 ° C dan 1 084 kg / m 3 .

Salah satu metode untuk mempercepat dekomposisi plastik adalah memasukkan setiap dopan (aditif) ke dalam komposisi mereka. Namun, kelemahan dari teknik ini adalah probabilitas inisiasi yang tinggi, yaitu rantai reaksi kimia sekunder yang tidak diinginkan.

Mempercepat penguraian plastik dengan meningkatkan sensitivitasnya terhadap sinar ultraviolet bukanlah ide baru. Perkembangan serupa telah terjadi sejak 50-an abad terakhir. Hasilnya adalah plastik (kopolimer etilen monoksida) yang digunakan dalam pembuatan kemasan minuman. Namun, bahan tersebut tidak berbeda dalam kekuatan tinggi yang dibutuhkan dalam memancing. Namun, gagasan untuk menggunakan UV memiliki potensi besar.

Para ilmuwan telah sampai pada kesimpulan bahwa isotactic poly (propylene oxide) atau iPPO idealnya dapat sesuai dengan peran dasar plastik baru, karena secara struktural sangat mirip dengan iPP biasa. Tingkat kebijaksanaan yang lebih tinggi (rantai stereokimia berulang identik) dalam iPP meningkatkan kristalinitasnya, yang mengarah pada peningkatan kekuatan mekanik.

Akibatnya, kewajaran tinggi juga dapat dicapai dalam PPO dengan meningkatkan kekuatan. Selain itu, keberadaan ikatan eter akan memberikan sensitivitas terhadap degradasi fotokimia akibat radiasi UV.

Produksi Komersial aPPO menggunakan katalis sianida logam ganda dalam kombinasi dengan agen transfer rantai alkohol (CTA) untuk menghasilkan polimer dengan berat molekul rendah dengan dispersi rendah (Đ). Namun, mempertahankan kontrol seperti itu atas struktur dan pada saat yang sama mendapatkan kebijaksanaan tinggi merupakan masalah untuk sintesis iPPO.

Oleh karena itu, para ilmuwan memutuskan untuk menggunakan katalis enansioselektif yang secara selektif mempolimerisasi satu enansiomer sambil secara bersamaan melarutkan epoksida yang kurang reaktif. Akibatnya, beberapa katalis stereoselektif Co dan Cr tingkat tinggi diperoleh.stereoselektivitas * (hingga> 99%).
Stereoselektivitas * - ketika selama berlangsungnya reaksi kimia, pembentukan satu stereoisomer terjadi di atas yang lain.
Poli (propilena oksida) isotaktik yang sangat tinggi dapat disintesis dari enansiomer * propilena oksida dengan polimerisasi transfer rantai ( A dalam Skema 2).


Skema 2: sintesis iPPO.
Enantiomer * - sepasang stereoisomer, yang merupakan gambar cermin satu sama lain, tidak kompatibel di ruang angkasa.

Stereoisomer adalah senyawa kimia yang memiliki struktur yang sama, tetapi berbeda dalam pengaturan spasial atom.
Untuk jenis sintesis ini, diperlukan katalis yang menyediakan pengayaan timbal balik, serta enansiomonomer, yang secara praktis membuatnya mustahil untuk produksi dalam skala besar.

Polimerisasi transfer rantai enansioselektif juga dapat menghasilkan polimer yang sangat isotaktik, di mana kebijaksanaan ditentukan semata-mata oleh selektivitas katalis ( B dalam Skema 2).

Polimerisasi isoselektif rantai menyediakan arsitektur polimer unik di mana kedua monomer ( C dalam Skema 2) termasuk dalam konfigurasi blok stereo * (SB, mis., Polimer blok stereoregular).
Polimer stereereegeguler * - polimer dalam makromolekul yang terdapat atom karbon asimetris.
Terlepas dari beragam pilihan sintesis iPPO, sedikit yang diketahui tentang sifat mekanis bahan ini. Oleh karena itu, para ilmuwan memutuskan untuk mensintesis berbagai varian iPPO yang sangat isotaktik dan mempelajari kekuatan mekanik dan fotodegradasinya.

Hasil penelitian


Dalam bentuk enansiomer dan rasemik, kompleks 1 digunakan untuk mempolimerisasi PO enansiomer dan rasemat untuk membuat setiap konfigurasi iPPO stereoregular (Tabel 1).


Tabel No. 1: sintesis berbagai konfigurasi stereoregular iPPO sangat isotaktik menggunakan 1 dan 1,6-hexanediol.

Enantio-diperkaya (S) -iPPO diperoleh dari (S) -1 dan (ras) -PO di hadapan 1,6-hexanediol (1,6-HD) sebagai CTA. Bentuk enansiomernya disintesis dari (S) -PO menggunakan (ras) -1 dalam kondisi reaksi yang sama. Enantiomeric ®-iPPO diperoleh dengan cara yang sama menggunakan ®-PO. Akhirnya, mencampurkan enantiomeric (S) - dan ®-iPPO dalam larutan dengan jumlah yang sama memberikan-isPactic (rac) -iPPO. Seperti yang diharapkan, semua bentuk iPPO yang disintesis memiliki nilai Mn (berat molekul) dan Đ (dispersi) yang serupa.


Gambar # 1

Setiap bentuk stereoregular dari iPPO dikenakan perpanjangan uniaksial, diikuti oleh penghapusan PO non-reaktif dan dimethoxyethane (DME).

Setiap bahan menunjukkan reaksi elastis ke puncak tajam dalam hasil, diikuti oleh daerah datar, dan kemudian peningkatan stres sampai gagal.

Seperti yang diharapkan, enantiomeric (S) - dan ®-iPPO memiliki profil tarik yang sama dengan modulus elastis ~ 290 MPa, kekuatan luluh ~ 12 MPa, dan kekuatan tarik (UTS) 75 MPa ( 1A ).

Terlepas dari kenyataan bahwa pengayaan enansiomer (dengan lebih dari satu enantiomer) (S) -iPPO memiliki kesalahan yang tidak signifikan karena inklusi ®-PO yang tidak signifikan, respons elastisnya sebanding dengan murni enansiomer (hanya satu enantiomer) (S) -iPPO di deformasi besar ( 1B) Ini memiliki modulus elastisitas sedikit berkurang dan kekuatan luluh masing-masing 248 dan 11 MPa. Varian (ras) -iPPO dan (SB) -iPPO menunjukkan tingkat penurunan kekuatan terendah (4 dan 10 MPa, masing-masing) di bawah tekanan ( 1C ).

Kekuatan yang lebih rendah (SB) -iPPO mungkin karena isotacticity yang rendah. Namun, struktur triad isotaktiknya (mm) mirip dengan yang diperkaya secara enansiomer (S) -iPPO, yang menunjukkan kekuatan tarik yang sama dengan iPPO murni enansiomer.


Triad isotaktik (mm) dari molekul polypropylene. Fraksi massa triad isotaktik (mm) adalah ukuran kuantitatif umum penilaian kebijaksanaan.

Kandungan triad mm lebih rendah yang diamati pada (SB) -iPPO adalah karakteristik struktur mikro bloknya. Tetapi untuk enansiomer yang diperkaya (S) -iPPO, ini adalah karena inklusi acak dari enansiomer yang kurang disukai.

(SB) -iPPO mempertahankan perkiraan kekuatan luluh semua bentuk iPPO lainnya, namun perilaku tariknya menyimpang selama pengerasan regangan. Dengan perpanjangan uniaksial terus menerus, rantai polimer semi-kristal sering dibangun kembali setelah deformasi ireversibel, yang mengarah ke kristalisasi, atau disebut pengerasan mekanis. Ditemukan bahwa proses inilah yang mengarah pada penurunan kekuatan tarik (SB) -iPPO.

Para ilmuwan mencatat bahwa dalam banyak polimer, fluktuasi tegangan (regangan) diamati, yang biasanya melekat pada logam. Sebelumnya, agak sulit untuk menentukan penyebab getaran tersebut, namun, ada teori bahwa ini disebabkan oleh pembentukan retakan mikro dan rongga dalam struktur polimer.


Image No. 2

Studi sebelumnya tentang fluktuasi tegangan menunjukkan ketergantungannya pada suhu, laju regangan, dan sifat material. Namun, karena titik leleh yang relatif rendah dari iPPO (68 ° C), ketergantungan suhu dari getaran dalam pekerjaan ini tidak dipelajari. Sebagai gantinya, ketergantungan dari laju regangan getaran dipelajari dalam kisaran regangan dari 0,10% hingga 1000% (grafik di atas).

Peningkatan tingkat regangan di atas 100% menyebabkan pelemahan dan hilangnya respons dentate (ditunjukkan oleh garis putus-putus), tetapi juga penurunan kekuatan tarik.

Untuk menentukan nilai tertinggi dari kekuatan tarik iPPO, berbagai varian diperkaya secara enansiomer (S) -iPPO disintesis. Polimer disintesis dengan berat molekul mulai dari 49 hingga 206 kDa. Setiap sampel menunjukkan perkiraan kebijaksanaan dan kekuatan luluh yang sama (sekitar 12 MPa).


Gambar No. 3

Peningkatan berat molekul di atas 100 kDa menyebabkan sedikit peningkatan ketegangan. Terjadinya kehilangan kekuatan tarik juga terdeteksi ketika berat molekul menurun di bawah 104 kDa.

Setelah menentukan nilai batas kekuatan ultimate untuk iPPO, para ilmuwan melakukan analisis komparatif polimer ini dengan plastik yang tersedia secara komersial (iPP, HDPE, dan nilon-6.6).


Gambar No. 4

iPPO menunjukkan kekuatan luluh yang relatif rendah, tetapi kekuatan tarik lebih tinggi dari polimer komersial (grafik di atas).

IPPO yang diteliti cukup kuat, yang sangat penting bagi industri perikanan. Masih untuk memeriksa seberapa rentan terhadap sinar matahari. Secara alami, intensitas cahaya bervariasi tergantung pada musim, kondisi cuaca, dan waktu, tetapi untuk tujuan eksperimental, diputuskan untuk menggunakan radiasi konstan, tetapi kurang intens daripada di kondisi alam.

Sampel terpapar radiasi UV (365 nm) selama 30 hari pada intensitas 250 μW / cm 2 . Dekomposisi dievaluasi dengan kromatografi permeasi gel (GPC) untuk menghitung perubahan berat molekul polimer.


Gambar No. 5

Sampel mulai membusuk setelah 3 hari, sebagaimana dibuktikan dengan penurunan berat molekul 9 kDa (grafik di atas, spidol biru). Setelah 15 hari, berat molekul telah kehilangan 29 kDa. Hasil akhir percobaan (setelah 30 hari) menunjukkan bahwa berat molekul polimer menurun dari 93 kDa menjadi 21 kDa.

Secara paralel, dekomposisi polimer yang sama dievaluasi, tetapi tanpa radiasi UV (grafik di atas, spidol merah). Seperti yang diharapkan, setelah 30 hari penuh, berat molekul tidak berubah, yang menunjukkan tidak adanya degradasi bahan.

Dalam hal ini, mekanisme utama penguraian dapat dianggap sebagai autooksidasi. Antioksidan dengan berat molekul rendah sering digunakan sebagai penstabil radikal dalam poliester komersial dan poliuretan. Memanipulasi aditif ini akan memungkinkan Anda untuk mengontrol kehidupan polimer.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian, saya sarankan Anda membaca laporan para ilmuwan .

Epilog


Dalam karya ini, para ilmuwan dapat mengembangkan polimer baru yang menunjukkan karakteristik yang sebanding dengan polimer komersial, tetapi dapat terurai di bawah pengaruh sinar matahari. Tentu saja, di masa depan direncanakan untuk melakukan beberapa studi lagi untuk mendapatkan kontrol penuh atas proses dekomposisi, karena tidak ada yang membutuhkan jaring ikan yang terurai sejak hari pertama penggunaan.

Jumlah plastik yang digunakan dapat dikurangi, tetapi ini dapat menyebabkan masalah lain, baik dalam ekonomi dan lingkungan. Para ilmuwan percaya bahwa masalahnya harus dipertimbangkan dari sudut yang berbeda - jika Anda tidak bisa menolak plastik, maka Anda perlu mengubahnya agar penggunaan plastik tidak membahayakan lingkungan.

Namun, perlu dicatat bahwa kehadiran penelitian semacam ini tidak berarti bahwa Anda bisa ceroboh dalam hal limbah plastik, penyortirannya, dll. Tidak mungkin untuk mengandalkan para ilmuwan, berpikir bahwa mereka semua akan "menyelesaikan". Memang, penciptaan super-plastik baru masih jauh, dan pulau-pulau sampah di lautan masih mengambang. Karena itu, setiap orang harus, sejauh mungkin, berkontribusi pada penyebab umum pelestarian lingkungan. Jika kita tidak dapat memperbaiki kerusakan lingkungan yang disebabkan oleh generasi sebelumnya, maka setidaknya kita seharusnya tidak memperburuknya.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan. :)

Sedikit iklan :)


Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda VPS berbasis cloud untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?

More articles:


All Articles