Nowy proces jest łagodny, przyjazny dla klimatu i co niezwykle istotne skalowalny do komercyjnych strumieni odpadów. W jego wyniku możliwym jest wytwarzanie z odpowiednią wydajnością kwasu benzoesowego, produktu używanego we wszelkiego rodzaju środkach zapachowych oraz konserwantach żywności i innych wszechobecnych produktach. Ponadto proces jest odporny na innego rodzaju dodatki czy też zanieczyszczenia związane ze strumieniem odpadów konsumenckich, w tym brud, barwniki i inne rodzaje tworzyw sztucznych.

Pamiętając, że polistyrenowe tworzywa sztuczne mogą różnić się pomiędzy sobą pod względem formy, zastosowania i tekstury – od lekkiego, przewiewnego styropianu po twarde pudełka na płyty CD i wiele form pośrednich – to wszystkie te produkty mają podobny skład chemiczny – powiedziała Erin Stache, adiunkt na Uniwersytecie Cornell.

„Różnica polega na tym, jak są przetwarzane” — powiedział Stache. „Pianka polistyrenowa lub styropian jest wypełniona powietrzem, jak beza, podczas gdy twarda obudowa na płyty CD to lity polistyren”.

Przełamywanie skomplikowanej struktury

Na poziomie molekularnym polimery (tworzywa sztuczne) składają się z setek małych cząsteczek zwanych monomerami, które tworzą długie łańcuchy molekularne w skomplikowanych procesach, powiedział Stache. Rozkładanie polimeru może być podobnie skomplikowane.

Naukowcy odkryli, że zoptymalizowane warunki wymagają ekspozycji próbki polistyrenu w acetonie wystawionej na światło LED w środowisku bogatym w tlen, przy użyciu katalizatora w postaci chlorku żelaza przez 20 godzin. W zoptymalizowanym procesie PS rozpadł się do 23% kwasu benzoesowego. 

W ubiegłym roku laboratorium Stache'a przeprowadziło kilka eksperymentów degradacji w trakcie ekspozycji w nasłonecznionym oknie stwierdzając jednoznacznie, że w miejscach o silnym całorocznym nasłonecznieniu reakcję można prowadzić na zewnątrz.

„Zaletą używania światła jest to, że można uzyskać znakomitą kontrolę nad procesem chemicznym w oparciu o niektóre katalizatory, które opracowaliśmy, aby okiełznać białe światło. Jeśli możemy wykorzystać światło słoneczne do napędzania tego procesu, to jest to wyjątkowo korzystne” – powiedział Stache, zauważając, że wiele istniejących recyklingu polimerów wymaga podgrzania polimeru do stopienia i przetworzenia, co zwykle wymaga użycia paliwa kopalnego.

Aby przetestować tolerancję procesu na inne materiały zmieszane z odpadami polistyrenu, naukowcy wykorzystali kilka produktów, od materiałów opakowaniowych po pokrywki kubków do kawy. Odkryli, że trzy elementy – biała pokrywka na filiżankę kawy, styropian i przezroczysta pokrywka – ulegały efektywnej degradacji. Stache powiedział, że pokrywka czarnej filiżanki do kawy ulega degradacji mniej wydajnie, prawdopodobnie dlatego, że czarne barwniki hamują przenikanie światła.

„Wyniki te oznaczają, że nasz system może skutecznie rozkładać komercyjne próbki PS, nawet z nierozpuszczalnym dodatkowym materiałem kompozytowym” — powiedział Stache.

Aby zademonstrować skalowalność i potencjalne zastosowanie komercyjne, naukowcy stworzyli zestaw z dwiema pompami i dwiema lampami LED w fotoreaktorze wydrukowanym za pomocą technologii druku 3D. Wydajność procesu rozkładu na dużą skalę była zbliżona do tej w małych partiach.

„Jeśli uda nam się uczynić ten proces jeszcze bardziej wydajnym, możemy pomyśleć o tym, jak go skomercjalizować i wykorzystać do rozwiązania problemu strumieni odpadów” – powiedział Stache. Badania te były częściowo wspierane przez Narodową Fundację Nauki.