Als Student an der Zhejiang-Universität im Osten Chinas unternahm Greg Liu mit einigen seiner Klassenkameraden eine von der Universität gesponserte Reise, um eine Vielzahl chemischer Industrien in der Region zu besichtigen.
Die Tour bot Studenten, die einen Abschluss im Chemieingenieurwesen anstrebten, die Möglichkeit, mehr über die Herstellungs- und Produktionsprozesse von Chemikalien im damaligen China zu erfahren. An diesem Tag erkannte Liu genau, was er beruflich machen wollte: Wege finden, die Umweltverschmutzung durch die Branche zu verringern oder zu stoppen.
„Mir wurde klar, dass dies nicht der nachhaltige Weg unserer Zukunft sein würde. Umweltverschmutzung war überall: Wasser, Boden, Straße, was auch immer. Die Arbeitsbedingungen der Arbeiter waren unerträglich. Ich wollte nicht in einer solchen Umgebung sein.“ , noch unsere zukünftigen Generationen“, sagte Liu. „Das brachte mich im Grunde zu dem Gedanken: ‚OK, ich muss einen höheren Abschluss anstreben, um die Art und Weise, wie wir in der chemischen Industrie arbeiten, zu ändern.‘“
Liu kam später in die Vereinigten Staaten und promovierte an der University of Wisconsin-Madison. Sein Eifer, sein Wissen im Chemieingenieurwesen zu nutzen, um eine nachhaltigere Welt zu schaffen, hat dazu geführt, dass er einen revolutionären Weg entwickelt hat, um mit einem der wohl drängendsten Probleme der Welt umzugehen – der Plastikverschmutzung.
Ein langes, fünf oder sechs Jahre dauerndes Forschungsprojekt führte schließlich zu einem Durchbruch: Liu, Professor an der Fakultät für Chemie der Virginia Tech am College of Science, und sein Team aus Studenten und Doktoranden fanden einen Weg, bestimmte Kunststoffe in Seifen umzuwandeln , Reinigungsmittel, Schmiermittel und andere Produkte.
Liu hat einen Artikel über den Prozess und seine Machbarkeit und Kommerzialisierung geschrieben, der in veröffentlicht wurde Nachhaltigkeit in der Natur.
Vereinfacht ausgedrückt bestand Lius System aus zwei Schritten. Dabei kam zunächst die Thermolyse zum Einsatz, also der Abbau einer Substanz – in diesem Fall Kunststoff – durch den Einsatz von Hitze. Kunststoff, der in einen von Lius Team gebauten Reaktor gegeben und auf 650 bis 750 Grad Fahrenheit erhitzt wurde, zerfiel in chemische Verbindungen und hinterließ eine Mischung aus Öl, Gas und restlichen Feststoffen.
Der Schlüssel zu diesem ersten Schritt bestand darin, die Polypropylen- und Polyethylenmoleküle, aus denen Kunststoff besteht, innerhalb eines bestimmten Kohlenstoffbereichs aufzuspalten, und Liu und seinem Team gelang dies.
Die zurückgebliebenen Feststoffe waren minimal und das Gas konnte aufgefangen und als Brennstoff verwendet werden. Das Öl war hier jedoch das Produkt von größtem Interesse.
Während seiner ForschungLiu war in der Lage, das Öl in Moleküle zu funktionalisieren oder seine Chemie zu ändern, um sie in Seifen, Reinigungsmittel, Schmiermittel und andere Produkte umzuwandeln.
„Diese Materialien sind stabil“, sagte Liu und hielt ein Fläschchen Seife hoch. „Ich würde sagen, dieses Fläschchen Seife steht schon seit einem Jahr in meinem Büro.
Der Prozess, der weniger als einen Tag dauerte, führte zu einer nahezu Null-Luftverschmutzung und lieferte damit Hinweise auf eine dringend benötigte Lösung für ein globales Problem. Laut der Website der Vereinten Nationen produziert die Welt jedes Jahr 430 Millionen Tonnen Plastik, wobei jeden Tag das Äquivalent von 2.000 Müllwagen voller Plastik in Ozeanen, Flüssen und Seen entsorgt wird.
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Plastikverschmutzung führt zu einem verstärkten Ersticken der Meerestiere, zur Schädigung von Böden, zur Vergiftung des Grundwassers und ist die Ursache für negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Darüber hinaus werden bei der Produktion Treibhausgasemissionen in die Luft abgegeben.
Die Vereinten Nationen gehen davon aus, dass sich die Plastikverschmutzung bis 2060 verdreifachen wird, wenn keine Maßnahmen ergriffen werden. Laut der Website der Vereinten Nationen werden leider weniger als 9 % des Plastiks tatsächlich recycelt – obwohl es dafür einen Grund gibt, so Amanda Morris, Leiterin der Chemieabteilung der Virginia Tech.
„Wir stellen langlebige Kunststoffe unter dem Gesichtspunkt her, dass viele von ihnen eine Flüssigkeit enthalten müssen, die nicht aus einer Flasche austreten soll. Es müssen also relativ starke Materialien sein“, sagte Morris.
„Die Bindungen, die das Polymer zusammenhalten und uns diese Festigkeit verleihen und uns die Eigenschaften der Flaschen verleihen, die wir verwenden, sind auch wirklich schwer zu brechen, und deshalb versucht man nur, Wege zu finden, dies auf energieeffiziente Weise zu tun.“ Sie erhalten ein sauberes Produkt.
„Die andere Sache ist, dass diese Polymere in viele verschiedene Dinge zerfallen können. Gibt es Möglichkeiten, wie wir daraus ein bestimmtes Produkt herstellen können, das dann tatsächlich wieder weiterverwendet werden könnte? Ich denke, das sind einige der Dinge, mit denen wir zu kämpfen hatten.“ .“
Liu und sein Team haben einen Weg gefunden, diese Bindungen aufzubrechen, aber jetzt kommt möglicherweise der schwierige Teil: das System zu vergrößern und zu einem kontinuierlichen System zu machen, und, was noch wichtiger ist, es kosteneffizient zu machen.
Sein Schicksal trifft viele Forscher. Sie finden oft Lösungen für Probleme, aber diese Lösungen können mit hohen Kosten verbunden sein, was oft dazu führt, dass die Lösungen auf der Strecke bleiben. Liu sagte, die Industrie habe Interesse an einer Ausweitung dieses Prozesses bekundet, aber alle Anstrengungen, Energie und Investitionen müssten zu Rentabilität führen.
Liu sagte, er bitte die Community um Hilfe, um ein Geschäftsmodell zu testen. Dazu gehört die Sicherung des Kapitals, das für den Bau eines Reaktors benötigt wird, der in seinem Labor kontinuierlich läuft, oder vielleicht die Gründung eines privaten externen Start-up-Unternehmens, um den Hochlauf seines Prozesses zu testen. Ja, aus wenigen Plastikstücken lässt sich Seife herstellen, aber lassen sich aus Tonnen von Plastik gewinnbringend Seifen und Waschmittel herstellen?
„Es wird von unserer Seite eine große Nachfrage geben, den Prozess weiter zu entlasten“, sagte Liu. „Wir müssen das Risiko reduzieren, damit sie [businesses] können darin einen echten Wert erkennen und es möglicherweise übernehmen.
„Meine Schätzung liegt im Hunderttausende-Dollar-Bereich, um dies zu testen. Das Gute daran ist, dass wir in diesem Labor derzeit talentierte Studenten und Postdocs ausbilden. Sie werden diejenigen sein, die diesen Prozess möglicherweise in Zukunft weiterführen können.“ „Aber wir brauchen definitiv mehr Ressourcen, insbesondere Geld, um Reaktoren zu bauen und zu testen.“
Abgesehen von den Back-End-Herausforderungen bleibt Morris hinsichtlich der Ergebnisse von Liu und ihrer zukünftigen Auswirkungen optimistisch. Sie begrüßt Gelegenheiten, seine Bemühungen zur Lösung des Kunststoffproblems bekannt zu machen und die Bemühungen der Chemieabteilung zur Bewältigung dieser Herausforderung im Rahmen der Global Distinction-Ambitionen der Virginia Tech zu diskutieren.
„Ich denke, dass es immer von großem Nutzen ist, wenn wir unsere Wissenschaft einer breiteren Öffentlichkeit, einschließlich unseren Alumni und Freunden, zugänglich machen können“, sagte Morris. „Es ist für sie von Vorteil zu sehen, welchen Einfluss wir nicht nur als Hokies haben, sondern auch, den sie durch weitere Investitionen in die Virginia Tech-Mission erzielen können.“
„Das Ziel besteht eigentlich darin, Gregs Technologie zu nutzen, Modifikationen auf der Grundlage dessen vorzunehmen, was wir grundsätzlich über den Prozess verstehen, und ihn dann noch energieeffizienter und vorteilhafter für die Industrie zu machen. Die andere Sache ist, dass Gregs Technologie für einige Polymerklassen gilt.“ [with a recycle code of 2, 4, and 5]können wir das also auf andere Polymerklassen anwenden? Gibt es Möglichkeiten, die Reichweite der Technologie zu erhöhen? Das hat mich auch begeistert.
Liu sieht sich nicht als Pionier, obwohl er in diesem Fall tatsächlich ein Pionier bei der Umwandlung von Plastikmüll in Seife ist. Stattdessen sieht er sich als jemand, der einen kleinen Teil zur Lösung eines globalen Problems beiträgt, das den Fleiß aller erfordert. Er sagte, er begrüße eine stärkere Beteiligung der wissenschaftlichen und industriellen Gemeinschaft.
Mit anderen Worten: Die Wissenschaft braucht mehr Zusammenarbeit bei diesem Problem. Ohne sie steht zu viel auf dem Spiel.
„Es reicht nicht mehr aus zu sagen: ‚Oh, ich kann im Labor mit meiner coolen Chemie spielen und daraus auf magische Weise etwas erzeugen, und dann bin ich gut genug‘“, sagte Liu. „Das ist sicherlich cool, aber die wirkliche Lösung für das drängende Problem der Plastikkrise ist das nicht.“
„Ich hoffe, dass wir irgendwann eine Lösung finden, und ich hoffe, dass Plastik kein Problem mehr ist, über das man sich Sorgen machen muss. Ich hoffe, dass sich die Gesellschaft mit der Zeit um all diese Abfallstoffe kümmert. Wir können daraus nützliche Chemikalien und Materialien herstellen.“ Ich glaube, wir können den Kreislauf von Kohlenstoff und Kunststoffen schließen, aber es wird eine Weile dauern, bis wir es schaffen.
Weitere Informationen:
Nuwayo Eric Munyaneza et al., Kettenlängenkontrollierbares Upcycling von Polyolefinen zu Sulfatwaschmitteln, Nachhaltigkeit in der Natur (2024). DOI: 10.1038/s41893-024-01464-x