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

( MENAFN- The Conversation ) يعد البلاستيك واحدًا من أكثر المواد المتانة التي صنعها البشر على الإطلاق. لقد جعلته هذه المتانة لا غنى عنه في الطب، وتغليف الأغذية، والنقل. لكن الأمر لم يخلق فقط مشكلة بيئية بارزة من المشكلات التي واجهناها.

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

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

حرقه يطلق أبخرة وسمومًا ضارة. وغالبًا ما يؤدي التدوير الميكانيكي إلى خفض تصنيف البلاستيك إلى منتجات أقل قيمة، بينما يتطلب التدوير الكيميائي عادةً 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 - المكوّن الرئيسي للخل، وهو أيضًا مادة كيميائية صناعية مهمة.

بدلًا من التعامل مع البلاستيك على أنه مجرد نفايات، يُظهر بحثنا أنه يمكن تحويله إلى شيء مفيد ضمن ظروف معتدلة.

تعلم من فطر يتعفن الخشب

جاءت إلهام بحثنا من الطبيعة. فطر التبييض الأبيض (Phanerochaete chrysosporium) مشهور بقدرته على تكسير اللِّغنين، وهو أحد أصعب البوليمرات الموجودة في الخشب. ويقوم بذلك باستخدام إنزيمات تولّد أنواعًا كيميائية شديدة التفاعل قادرة على تفكيك البنى المعقدة للكربون.

تساءلنا عما إذا كان بإمكان مادة صناعية أن تقلّد هذه الاستراتيجية.

المحفز الذي صممناه هو نيتريد كربون مُطعّم بالحديد، وهو أشباه موصلات يمتص الضوء المرئي. ثم ثبّتَا ذرات الحديد المفردة، مُنشئين ما يسميه العلماء محفزًا من ذرة واحدة.

بدلًا من تكوين جسيمات نانوية، فإن كل ذرة حديد تكون معزولة ومُضمنة داخل بنية نيتريد الكربون. هذا الدقة الذرية أمر بالغ الأهمية. إذ تتصرف كل ذرة حديد كما لو كانت موقعًا فعّالًا في إنزيم طبيعي، مما يعظّم الكفاءة مع الحفاظ على الثبات.

تفاعل من خطوتين يعمل بالطاقة من الضوء

يعمل النظام عبر سلسلة مترابطة من التفاعلات المدفوعة بالضوء.

تحت ضوء الشمس ووبوجود فوق أكسيد الهيدروجين، تُفعِّل المواقع الخاصة بالحديد فوق أكسيد الهيدروجين لتوليد جذور هيدروكسيل شديدة التفاعل. الجذر هو ذرة أو جزيء أو أيون لديه على الأقل إلكترون غير مزدوج واحد. وهذا يجعلها شديدة التفاعل كيميائيًا.

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

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

بدلًا من السماح لهذا CO2 بالهروب، يقوم المحفز نفسه بعمل ثانٍ: إذ يستخدم ضوء الشمس لتقليل CO2 إلى حمض الأسيتيك. وبعبارة أخرى، يتم أولًا أكسدة الكربون في نفايات البلاستيك ثم إعادة تجميعه في جزيء جديد وقيّم.

بشكل أساسي، تعمل هذه المقاربة على تفكيك البلاستيك وتحويل الكربون الناتج إلى مادة كيميائية سلعية في نظام واحد. وهذا ما يميزها عن أغلب تقنيات التدوير القائمة حاليًا.

لماذا حمض الأسيتيك؟

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

يمتد الطلب العالمي إلى ملايين الأطنان كل عام، ما يمثل سوقًا بعشرات المليارات من الدولارات.

حاليًا، يتم إنتاج معظم حمض الأسيتيك عبر عمليات تستهلك طاقة مكثفة تُسمى عملية كربونلة الميثانول، حيث يتم تفاعل الميثانول مع أول أكسيد الكربون عند درجات حرارة مرتفعة.

يتيح تحويل نفايات البلاستيك إلى حمض الأسيتيك مسارًا دائريًا محتملًا: بدلًا من استخراج كربون جديد، نعيد استخدام الكربون الموجود بالفعل في المواد المُهملة.

في تجاربنا، أنتج النظام حمض الأسيتيك بمعدلات كانت مواتية بشكل مماثل لطرائق تحويل البلاستيك المدفوعة بالضوء الأخرى المبلغ عنها. وعندما عززنا استخدام الضوء داخل المفاعل، زادت سرعة الإنتاج بشكل كبير.

ومن المهم أن التفاعل عمل عند درجة حرارة الغرفة وعند الضغط الجوي العادي. وهذا يتناقض مع العديد من طرق التدوير الكيميائي التي تتطلب تسخين البلاستيك إلى عدة مئات من درجات مئوية.

التعامل مع البلاستيك على أرض الواقع

تتركز الدراسات المختبرية غالبًا على أنواع بلاستيك نقية ومفردة. لكن تدفقات النفايات الحقيقية تكون مختلطة ومُلوّثة. لذلك اختبرنا البلاستيكات الشائعة المختلفة بشكل فردي، وكذلك الخلطات.

كان بإمكان محفزنا تحويل عدة أنواع رئيسية من البلاستيك السلعي. ومن المثير للاهتمام أن PVC أظهر أداءً قويًا بشكل خاص. نعتقد أن الكلور المنطلق أثناء تفككه قد يولد جذورًا تفاعلية إضافية، مما يسرّع عملية التحلل.

ظلت ذرات الحديد متفرقة على المستوى الذري بعد الاستخدام المتكرر، مما يشير إلى ثبات جيد. وهذه نقطة مهمة لأن تدهور المحفز أو تسرب المعادن يمكن أن يقوضا كليهما الأداء والسلامة البيئية.

يعتمد النظام على فوق أكسيد الهيدروجين المُضاف، والذي يُستهلك أثناء التفاعل. وفي حين يتحلل فوق أكسيد الهيدروجين إلى ماء وأكسجين ويُعد غير ضار نسبيًا، ستحتاج الأعمال المستقبلية إلى معالجة كيفية توفيره بشكل مستدام على نطاق واسع.

من الفكرة إلى التطبيق

يطرح توسيع نطاق أي عملية كيميائية جديدة تحديات. إذ تؤثر نفاذية الضوء، وتصميم المفاعل، وتفاوت أنواع نفايات البلاستيك الداخلة على الكفاءة. ويمكن أيضًا أن تؤثر الإضافات في البلاستيكات التجارية - مثل المثبتات والأصباغ والملدنات - على نتائج التفاعل.

ولاستكشاف قابلية التنفيذ، أجرينا تقييمًا أوليًا للجدوى الاقتصادية والتكنولوجية. وهذه طريقة لتحليل الفوائد الاقتصادية المحتملة لعملية صناعية أو منتج.

وعلى الرغم من الحاجة إلى مزيد من التحسينات، تشير تحليلاتنا إلى أن ربط تنظيف النفايات بإنتاج مادة كيميائية قيّمة قد يساعد على تعويض التكاليف - خصوصًا عند أخذ الفوائد البيئية في الحسبان.

وبشكل أوسع، تُظهر هذه الأعمال قوة محفزات ذرة واحدة وتصميم مُستوحى من الطبيعة. فمن خلال تقليد الطريقة التي تتحكم بها الإنزيمات في التفاعل عند مراكز معدنية دقيقة، يمكننا تحقيق تحولات كيميائية معقدة تحت ظروف معتدلة باستخدام ضوء الشمس كمصدر للطاقة.

إعادة التفكير في دورة حياة البلاستيك

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

إن تحويل نفايات البلاستيك إلى مواد كيميائية مفيدة يوفر استراتيجية مُكمِّلة. إذ يُعيد صياغة مكانة البلاستيك ليس فقط بوصفه عبئًا بيئيًا، بل أيضًا كمورد من الكربون.

إذا استطعنا تسخير ضوء الشمس لدفع هذه التحولات بكفاءة وعلى نطاق واسع، فقد تصبح عبوات الأمس المُهملة وقود تغذية الصناعة في الغد.

والتحدي الآن هو ترجمة التقدم الذي حققناه في المختبر إلى أنظمة متينة وقابلة للتوسع. وإذا نجح ذلك، فسيُعد خطوة باتجاه اقتصاد أكثر دائرية - حيث لا تكون النفايات نهاية القصة، بل بداية قصة جديدة.

MENAFN11032026000199003603ID1110848949