新しい溶剤

2020年11月20日

ジェイソン・デイリー著、ウィスコンシン大学マディソン校

多層プラスチック材料は、特にポリマーを積層することでフィルムに耐熱性や酸素と水分の制御などの特定の特性を与えることができるため、食品や医薬品の包装に広く使用されています。 しかし、その有用性にもかかわらず、常に存在するプラスチックを従来の方法でリサイクルすることは不可能です。

それぞれが最大 12 層のさまざまなポリマーで構成された多層熱可塑性プラスチックが、毎年世界中で約 1 億トン生産されています。 その合計の 40% は製造プロセス自体からの廃棄物であり、ポリマーを分離する方法がなかったため、そのプラスチックのほぼすべてが埋め立て地または焼却炉に行き着きます。

現在、ウィスコンシン大学マディソン校の技術者らは、溶媒を使用してこれらの材料中のポリマーを回収する方法を開拓しました。この技術を彼らは溶媒を対象とした回収および沈殿（STRAP）処理と呼んでいます。 彼らの概念実証は、本日 (2020 年 11 月 20 日) ジャーナル Science Advances に詳しく掲載されています。

ポリマーの溶解度の熱力学計算に基づいた一連の溶媒洗浄を使用することで、ウィスコンシン州マディソン校の化学生物工学教授ジョージ・フーバー氏とリード・ヴァン・レーン氏とその学生たちは、STRAP プロセスを使用して、一般的な層形成材料で構成される市販のプラスチック内のポリマーを分離しました。ポリエチレン、エチレンビニルアルコール、ポリエチレンテレフタレート。

結果？ 分離されたポリマーは、元のフィルムの製造に使用されたものと化学的に類似しているように見えます。

研究チームは現在、回収したポリマーを使って新しいプラスチック材料を作り、このプロセスがリサイクルループを閉じるのに役立つことを実証したいと考えている。 特に、多層プラスチック製造業者は、製造および包装プロセス中に発生するプラスチック廃棄物の 40 パーセントを回収できるようになる可能性があります。

「私たちはこれを 1 つの多層プラスチックで実証しました」と Huber 氏は言います。 「他の多層プラスチックを試す必要があり、この技術を拡張する必要があります。」

多層プラスチックの複雑さが増すにつれて、各ポリマーを溶解できる溶媒を特定することも難しくなります。 そのため、STRAP はプロセスを導くために、Van Lehn が使用した Conductor-like Screening Model for Realistic Solvents (COSMO-RS) と呼ばれる計算アプローチに依存しています。

COSMO-RS は、さまざまな温度で溶媒混合物中のターゲットポリマーの溶解度を計算し、ポリマーを溶解できる可能性のある溶媒の数を絞り込むことができます。 その後、チームは候補溶媒を実験的に探索できます。

「これにより、より複雑なシステムに取り組むことができるようになります。これは、リサイクルの世界に実際に影響を与えようとする場合に必要です」とヴァン・レーン氏は言います。

目標は、最終的に研究者があらゆる種類の多層プラスチックをリサイクルするための溶媒の組み合わせを見つけられるようにする計算システムを開発することです。 同チームはまた、使用する溶剤の環境への影響を調査し、さまざまな溶剤系の有効性、コスト、環境への影響のバランスをより良くとれるグリーン溶剤のデータベースを確立したいと考えている。

このプロジェクトは、UW-Madison の触媒作用に関する専門知識に基づいています。 何十年にもわたって、同大学の化学工学および生物工学の研究者は、木材や農業廃棄物などのバイオマスを有用な化学物質や燃料前駆体に変換する溶媒ベースの反応の先駆者となってきました。 その専門知識の多くは、溶剤ベースのポリマーのリサイクルにも活かされています。

同チームは、フーバー氏が所長を務める新設の廃プラスチックのケミカルアップサイクルに関する複数大学センターを通じて、STRAP処理に関する研究を継続している。 米国エネルギー省が 1,250 万ドルの資金を提供したセンターの研究者は、ポリマーを回収およびリサイクルするためのいくつかの化学経路を研究しています。