地球上で最も扱いにくいプラスチックのリサイクルが少し簡単になりました

ポリエチレンは世界で最も一般的に使用されているプラ​​スチックの 1 つで、ボトルや包装フィルムに使用されていますが、最も分解が難しいプラスチックの 1 つでもあります。ポリエチレン自体が完全に分解するには何百年もかかります。ポリエチレンのゴミが埋立地を塞ぎ、海岸や海をゴミで埋め立てているため、科学者たちはこの問題の解決に取り組んでいます。

ポリエチレンを分解する上での大きな障害は、その分子構造の特性である。ポリエチレンには反応しない炭素鎖が含まれている。これは共有結合で、原子を非常に強く結びつけているため、引き離すには大きな力とエネルギーが必要となる。しかし、科学者たちはポリエチレンを分解する解決策を見つけるために努力してきた。木曜日にサイエンス誌に掲載された新しい研究では、ポリエチレンを将来の化学反応に使いやすい化学物質であるプロピレンに効果的に変換する方法が提案されている。

ポリエチレンを使用可能なポリマーに変えることでプラスチックの価値が高まり、廃棄に代わる選択肢が生まれると、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の化学教授で、同様の技術を使って同じ目的を達成した別の新しい研究の著者でもあるスザンナ・スコット氏は説明する。火曜日に発表されたそのプレプリント研究で、スコット氏と共著者らは、ポリエチレン鎖から水素を取り除き、切断しやすい反応性結合を作る手法についても説明した。

ポリエチレンは 1930 年代から存在していましたが、科学者がこのプラスチックを改良して、より硬く、より硬く、より耐熱性を高めるまでには 20 年かかりました。現在では、ポリエチレンの炭素-炭素結合および炭素-水素結合はほぼ破壊不可能であり、ペットボトルからケーブル絶縁体まで、さまざまな材料の製造に役立っています。しかし、同じ化学結合により、高いエネルギー コストをかけずに分解することが困難になっています。

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ポリエチレンの炭素-炭素単結合を破壊するには、通常、酸素なしで、または触媒を使用して水素を加えるなど、特殊な条件下で高温で加熱する必要があります。しかし、どちらの方法でも、反応しない結合を完全に除去することはできません。カリフォルニア大学バークレー校の化学教授であり、サイエンス誌の研究論文の主任著者であるジョン・ハートウィグ氏は、各原子ペアの間に反応性の高い結合を導入することで、これらの炭素鎖を分割する方法を模索しました。

二重結合として知られるこの結合は、原子間で 2 対の電子が共有されることによって生じます。二重結合は単結合よりも強いですが、安定性が低いため、切断されやすくなります。スコットのチームと同様に、彼らは、より小さな炭素鎖から水素を順次除去し、非常に小さな反応性物質の断片を作りました。二重結合が切断されると、科学者たちは、反応性結合も持つ生成物を残し、断片を再利用できるようになりました。次に、彼らは小さな断片を異なる配置で結合させ、別のポリマーであるプロピレンを作りました。

この反応で生成された最終生成物の約 80 パーセントはプロピレンでした。「他の方法では、ニッチな用途にしか使用できない可能性のある製品の混合物が作られました」とハートウィグ氏は説明します。プロピレンの需要が非常に高いため、プロピレンを主成分にすることが重要であると彼は言います。プロピレンは、消毒用アルコールやポリエステルの製造プロセスで使用される、他の多くの化学物質の重要な構成要素です。

このプロピレンの収率は「非常に興味深い」と、この研究には関わっていないカリフォルニア大学サンタバーバラ校のグリーン化学教授マフディ・アブ・オマール氏は言う。なぜなら、最終生成物では、3つの炭素原子のうち2つが廃棄物から来ているからだ。

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新しいプレプリント研究では、スコット氏と同僚の手法で94パーセントのプロピレンが生成された。サイエンス誌に掲載された手順と似ているものの、プレプリント研究の手法の方が流れが連続的で、エチレンと呼ばれる有機化学物質の使用量が少ないとスコット氏は言う。これは、エチレンを加えると同時に、生成したプロピレンを除去するためだ。「ポリマーを分解し、断片を戻し、新しい方法で再び組み立ててポリマーを作るというこの方法を、私たちは循環性と呼んでいます」とスコット氏は言う。

これらの研究は、ポリエチレンを分解する過去の取り組みと一致している。2020年の論文では、金属触媒を使用して炭素-炭素二重結合を再分配し、プロセスを加速できる有機反応のモデルが提案された。

ポリエチレン自体は無毒ですが、他の分子と相互作用して有毒となり、プラスチックの表面を汚染する可能性があります。さらに、ポリエチレンが環境中で分解されると、動物がマイクロプラスチックと呼ばれるポリマーの小さな破片を摂取する可能性があり、それが土壌に吸収される可能性もあります。マイクロプラスチックの生態学的影響はまだ正確にはわかっていませんが、研究によると、人間がマイクロプラスチックを摂取すると、細胞の損傷、発達毒性、がんのリスク増加につながる可能性があります。

「これは科学的にも社会的にも興味深い課題です」とスコット氏は言う。「私たちは皆、[プラスチックの劣化]が早急に解決しなければならない問題であることを認識しています。研究では通常見られないペースで人々がこの分野全体を前進させていることは、とても刺激的です。」