科学者がこれまでリサイクルできなかったプラスチックをリサイクル

ミシガン大学より 2023 年 1 月 21 日

リサイクル（recycle)は、形状を変えて再度しようする事です。 これは天然資源の保護に役立ち、埋め立て地に送られる廃棄物の量を削減します。 これは、廃棄物による環境への影響を軽減し、持続可能性を促進するためのシンプルかつ効果的な方法です。

PVC (ポリ塩化ビニル) は、米国および世界中で広く使用されているプラ​​スチックであり、使用量では世界で 3 番目に多くランクされています。

これは、チューブ、血液バッグ、マスクなどの病院設備や配管パイプなど、さまざまな日用品に含まれています。 PVC は、窓枠、住宅トリム、羽目板、床材などの建築材料にも使用されます。 さらに、電気配線のコーティングや、シャワーカーテン、テント、タープ、衣類などのさまざまなアイテムにも使用されています。

また、米国でのリサイクル率はゼロパーセントです。

今回、研究の筆頭著者ダニエル・ファニャーニ氏と主任研究員アン・マクニール氏率いるミシガン大学の研究者らは、PVCを使用可能な材料に化学的にリサイクルする方法を発見した。 研究の中で最も幸運だったことは何ですか? 研究者らは、PVC の最も有害な成分の 1 つである可塑剤に含まれるフタル酸エステルを化学反応の媒介として使用する方法を発見しました。 彼らの結果は Nature Chemistry 誌に掲載されています。

"PVC is the kind of plastic that no one wants to deal with because it has its own unique set of problems," said Fagnani, who completed the work as a postdoctoral researcher in the U-M Department of Chemistry. "PVC usually contains a lot of plasticizers, which contaminate everything in the recycling stream and are usually very toxic. It also releases hydrochloric acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">多少の熱を加えると酸性が急激に変化します。」

プラスチックは通常、メカニカルリサイクルと呼ばれるプロセスで溶解し、低品質の材料に再形成することによってリサイクルされます。 しかし、PVC に熱が加わると、可塑剤と呼ばれる主成分の 1 つが材料から非常に簡単に浸出する、とマクニール氏は言います。

その後、それらはリサイクルの流れで他のプラスチックに紛れ込む可能性があります。 さらに、塩酸は熱により PVC から容易に放出されます。 リサイクル装置を腐食させ、皮膚や目に化学火傷を引き起こす可能性があり、リサイクル工場の労働者にとっては理想的ではありません。

さらに、一般的な可塑剤であるフタル酸エステルは非常に有毒な内分泌かく乱物質であり、甲状腺ホルモン、成長ホルモン、人間を含む哺乳類の生殖に関わるホルモンに干渉する可能性があります。

そこで、熱を必要としない PVC をリサイクルする方法を見つけるために、ファニャーニは電気化学の研究を始めました。 その過程で、彼女とチームは、リサイクルの大きな問題の 1 つである可塑剤を PVC の分解方法に使用できることを発見しました。 実際、可塑剤はこの方法の効率を向上させ、電気化学的方法は塩酸の問題を解決します。

「我々が発見したのは、依然として塩酸を放出しているが、その速度ははるかに遅く、より制御されているということだ」とファニャーニ氏は語った。

ファニャーニ氏によれば、PVC は炭化水素骨格を持つポリマーであり、炭素-炭素単結合で構成されています。 1 つおきの炭素基に塩素基が結合しています。 熱活性化下では、塩酸が急速に飛び出し、ポリマーの主鎖に沿って炭素-炭素二重結合が形成されます。

しかし、研究チームは代わりに電気化学を使用してシステムに電子を導入し、システムにマイナスの電荷を与えます。 これにより炭素と塩化物の結合が切断され、マイナスに帯電した塩化物イオンが生成されます。 研究者らは電気化学を利用しているため、電子がシステムに導入される速度を測定することができ、これによって塩酸が生成される速度が制御されます。

この酸は、他の化学反応の試薬として産業で使用できます。 塩化物イオンは、アレーンと呼ばれる小分子を塩素化するためにも使用できます。 これらのアレーンは、医薬品および農業用成分に使用できます。 ポリマーからは材料が残っており、マクニール氏によれば、グループはその用途をまだ探しているという。 ファニャーニ氏は、この研究は科学者が他の困難な材料を化学的にリサイクルすることについてどのように考えるかを示していると述べた。

「プラスチック配合物に含まれる添加剤について戦略的に考えましょう。添加剤の観点から使用中と使用終了について考えてみましょう」とファニャーニ氏は語った。ファニャーニ氏は現在、アシュランド社の研究員である。洗濯洗剤、日焼け止め、シャンプーなどの消費者製品向けの生分解性の特殊添加剤を製造しています。 「現在のグループメンバーは、このプロセスの効率をさらに向上させようと努めています。」

マクニールの研究室は、さまざまな種類のプラスチックを化学的にリサイクルする方法を開発することに重点を置いています。 プラスチックを構成部品に分解すると、産業が生産に組み込むことができる劣化していない材料が生成される可能性があります。

「私たちの生活をさまざまな面で改善してきた驚くべき物質を生み出したのに、同時に廃棄物をどうするか考えなかったほど近視眼的だったのは人類の失敗だ」とマクニール氏は語った。 「米国では、リサイクル率は依然として9％にとどまっており、それはほんの数種類のプラスチックだけです。そして、私たちがリサイクルしているプラ​​スチックでさえ、それはますます低品質のポリマーにつながります。私たちの飲料ボトルは決してリサイクルされません」飲料ボトルは再び織物や公園のベンチになり、最終的には埋め立て地に行きます。」

参考文献: 「廃ポリ(塩化ビニル)を使用して可塑剤媒介電気(脱)塩素化によるクロロアレーンを合成する」、Danielle E. Fagnani、Dukhan Kim、Sofia I. Camarero、Jose F. Alfaro、Anne J. McNeil著、2022年11月14日、自然化学.DOI: 10.1038/s41557-022-01078-w