שם מקור: The Shift Toward Sustainable Polymers

מדע החומרים המודרניים עובר מעבר יסודי כמו חששות סביבתיים reshape סדרי עדיפויות תעשייתיות.תעשיית הפולימרים, תלוי זמן רב על מנתונים פטרוכימיים, עכשיו עומד בפני לחץ גובר על מנת להפחית את טביעת הרגל של פחמן, למזער פסולת, ולעבור אל מעגליות.אחד הדרכים המבטיחות ביותר בטרנספורמציה זו הוא אימוץ של מונומרים המבוססים על בסיס ביולוגי, בנוסף לחומרים ביולוגיים, ולא לנתיבים מסוכנים, אלא גם לסביבה ביולוגית, אלא גם לסביבה פונקציונלית, אלא גם לכימיקלים מסוכנים, אלא גם לסביבה פונקציונלית, אשר מבוססת באופן משמעותי, אלא גם היא רק כדי לחקור את החומרים הביולוגית, אלא גם את החומרים הכימית, אלא גם את החומרים המשתנים, אלא גם את החומרים הכימיים, רק את הסביבה המשתנים, אשר הם רק כדי לספק את החומרים הביולוגית, אלא גם את הסביבה המשתנים, אך ורק את החומרים הביולוגית, אך ורק כדי לחקור את ההשפעות שלהם, אך ורק את החומרים הביולוגית, אך ורק כדי לספק את החומרים הביולוגית, אך ורק את החומרים המשתנים, ורק את החומרים המשתנים, אך ורק כדי לספק את החומרים הביולוגיים פחות, אך ורק את החומרים המשתנים, ורק את החומרים הביולוגיים פחות, ורק את החומרים המשתנים, ורק את החומרים המשתנים, אלא

מה הם מונומרנים המבוססים על הביולוגי וכיצד הם עובדים בהוספת פולימריזציה?

מונומרים המבוססים על הביולוגית הם יחידות מולקולריות קטנות שמקורן ביומסה מתחדשת - צמחים, אצות, שאריות חקלאיות ואפילו תהליכים של תסיסה מיקרוביאלית (בניגוד למקביליהם הזעירים, אשר מסונתזים משמן גס או גז טבעי, מונומרנים המבוססים על ביולוגית נוצרים דרך מסלולים ביולוגיים כגון פוטוסינתזה, תסיסה או המרה אנזים.

בנוסף, מונומרנים אלה עוברים תגובות פילמריות שרשרת שבו אג"ח לא רווי (בעיקר פחמן פחמן כפול אג"ח כפול פחמן פחמן) פתוח וקישור יחד כדי ליצור שרשראות פולימרים ארוכות.המנגנון הוא אותו הדבר אם המנומר הוא מבוסס ביולוגית או קטנוכימי מבוסס - רדיקלי, מטושטש, או יזום יכול לשמש - כך המעבר להזנת מבוססת bio-cookic לא בהכרח דורש יתרון ייצור גדול.

הבדלים מרכזיים ב- Condensation Polymerization

ראוי להבחין פולימריזציה נוספת של פולימריזציה כי פולימרים המבוססים על ביולוגית רבים (כגון פוליסטרים מחומצה גלקטית) מיוצרים למעשה באמצעות הדבקה.עם זאת, המוקד כאן נשאר על תוספת פולימריזציה, הכולל מזהמים חשובים כמו פולימרים פוליתלין (PE), פוליפרופילן (PP), פולינולן כלור (PVC), פולינואל), פוליתרפיקה (מאוחר) וגרסאות ביו-תרגול אלה (MA-תרגול) כמו חומרים bioacteolen) (מחדש) (מחדשניים).

יתרונות סביבתיים של שימוש במונומרים המבוססים על הביולוגית בהוספת פולימריזציה

היתרונות של שינוי ממונומרים המבוססים על מאובנים על בסיס ביו-מבוססים על פני ממדים סביבתיים מרובים. להלן בדיקה מפורטת של היתרונות המשמעותיים ביותר.

הורדת טביעת רגל פחמן ו-Greenhouse Gas Emissions

דו תחמוצת הפחמן המשוחררת כאשר פולימרים המבוססים על ביולוגית מיוצרים או מחוסנים במידה רבה על ידי CO2 נספגים על ידי הצמחים במהלך הצמיחה שלהם.זה יוצר מחזור פחמן-נפטי, בתנאי הביומסה הוא מקורב בשפע בשפע, ואנרגיה הייצור הוא מתחדשת.חיים מחזוריים (LCAs) הראו כי PLA המיוצר מקרינת גזי החממה מופחתת בכ-50-60% בהשוואה ליעדים כימיים אלה, לעומת 30 מקבילים קריטיים (LC) מ-4%) מ- מזהמים (LCAs) באופן דומה, לעומת 30.

אפשרויות ל-Valdegradability and End-of-Life Options

פולימרים המבוססים על ביו-רפואית - במיוחד פוליסטרים אלphatic כמו PLA, פוליhydroxyalkanoates (PHAs), ופולי (butylene succinate) - הם ביו-דידנטיים בתנאים של ייצוג תעשייתי.זה ניגודים עם תוספת פולימרים קונבנציונליים כגון פוליאתילן, אשר נמשך בסביבה במשך מאות שנים של ביו-דרדנטיות מוגברת של מיקרו-מזרחית, ולכן לא דורשות סביבתית מסוימת, לא חשוב של חומרים כימיים, אבל לא חשוב, אבל לא כולל חומרים כימיים מסוימים, אבל לא חשוב (אך) כי הוא מיקרו-כימיקליים צמיחה, אבל לא דורשות ביולוגית, כי הוא לא דורשות ביולוגית ברמה ביולוגית, כי הוא דורשות, כי הוא דורשות, כי הוא דורשות סביבתית, אשר נמשך כמה מחלות ביולוגיות, אשר נמשך כמה זמן רב-מדומים, אבל לא חשוב; אבל לא כולל מחלות ביולוגיות, אשר נמשך כמה שנים.

צמצם את התלות על דלקי Fosil

תוכנית הסביבה של האו"ם מעריכה כי המגזר הכימי צורכת כ-10% מהייצור העולמי של נפט וגז, בעיקר כמזון מזון.על ידי החלפת מונומרים פטרוכימיים עם חלופות מבוססות ביולוגית, תעשיית פולימרים יכולה להפחית באופן משמעותי את הביקוש שלה לדלקים מאובנים.זה לא רק מוריד פליטות פחמן אלא גם משפר את אבטחת האנרגיה ואת התעשייה נגד תנודתיות המחירים בשווקים הנפט.

המונחים: safer Synthesis Pathways

ייצור מונומר פטרוכימי כרוך לעתים קרובות ביניים מסוכנים, טמפרטורות גבוהות, וזרזים כי הם רעילים או דורשים מתכות כבדות. לעומת זאת, מונומרים המבוססים על ביולוגית רבים מיוצרים על ידי תסיסה או טרנספורמציה כימית קלה, באמצעות מים כמו זרזים ללא רעילים כגון אנזימים. לדוגמה, חומצה איקונית מיוצרת באמצעות התסיסה של גלוקוז, הימנעות משימוש של גלוקוז benzene או תחמוצת שיניים מופחתת הם לעתים קרובות פחות מזון.

מזון מחדש ומחזוריות

מכיוון שמונומרים המבוססים על הביולוגים שמקורם מדי שנה בביומסה מתחדשת – לא מהפיקולוגים הגיאולוגיים הדורשים מיליוני שנים להיווצר – הם מתאימים באופן טבעי למודל כלכלה מעגלית.כאשר בשילוב עם מחזור מכני או כימי, פולימרים המבוססים על הביולוגי ניתן להשתמש בו מחדש פעמים רבות, צמצום הפסולת.בנוסף, הזנות ביומסה כמו שאריות חקלאיות, מזון, פסולת, אצילות לא יכולות להתחרות ישירות עם מזון ללא פגעי (חומרים נוספים).

סוגים של מונומר מבוסס ביולוגית המשמשים תוספת פולימריזציה

מגוון רחב של מונומרים המבוססים על ביולוגית פותחו, כל אחד עם תכונות ויישומים נפרדים.הבאים הם בין הרלוונטיים המסחריים ביותר כיום.

  • (FLT:0) Bio-ethyleneFLT:1 - המיוצר על ידי dehydrating bioethanol עשוי סוכרקני, תירס, או ביומסה תאולוסית.It is Chemically זהה ל ethyleneleneilן פטרוכימי, והוא יכול לשמש ישירות כדי להפוך את bio-PE, bio-PVC, ותוספות מבוססות ethylenelenelenelenelene אחרים בברזיל הוא Braemsk הגדול ביותר.
  • (FLT:0) חומצה לקטקטית (באמצעות צלצול טבעת) נפתח מחדש (FLT:1) - חומצה לקטית מותסת תירס או סוכר beet ולאחר מכן מומרת ללקטד, דימר צילייק העובר תוספת פתוחה טבעת כדי ליצור PLA. PLA משמש נרחב הדפסה 3D, אריזה מגובשת, לחתוך חד פעמי.
  • (FLT:0) חומצה איקוניתFLT:1 - דרבירד מתסיסה פטרייתיתיתית, חומצה איקונית ניתן פולימר באמצעות תוספת (רדי) להניב חומצה פולית (חומצה) ו copolymers המשמשים superabsorbents, מתפזרים, הידרוג'ל רפואי.
  • (FLT:0) חומצה אקרילית (בסיסה בביו) , 1:1 - מסלולים מתחדשים מחומצה גלקטית, גליקול, או חומצה 3hydroxypropionic עכשיו מניב חומצה אקרילית מבוססת ביולוגית לשימוש בפולימרים סופרבסטרבנס (דפרס) וצבעים אקריליים.
  • (FLT:0)1,3- ButadieneFLT:1) - Butadiene מבוסס ביו-דינאמי ניתן להפיק מ-Ethanol באמצעות תהליך Lebedev, המאפשר ייצור של גומי סינתטי מבוסס-ביו (polybutadiene) ו- ABS פלסטיק.
  • (FLT:0)Styrene (בסיסו של ביו) ,IMO-based) , למרות שעדיין בקנה מידה פיילוט, סטיילרן מבוסס ביולוגית מ lignin או microbial תסיסה מציעה מסלול לגומי פוליסטרון מתחדשים וסטיילני-butadiene.

השפעה סביבתית השוואתית: Bio- Based לעומת Fosssil- Based Monomers

הערכה מחזור חיים (LCA) מספקת את המסגרת הקפדנית ביותר עבור השוואת ביצועים סביבתיים.מספר LCAs נערך על פולימרים מבוססי ביו-בסיס.

(FLT:0Case: Bio-PolyethylenephalLT:1) - A 2020 LCA על ידי איגוד הביופלסטיקים האירופי השוואת bio-PE (מסוכר) עם מאובנים-PE מצא כי ביו-PE מפחית פוטנציאל התחממות גלובלית על ידי 30–40% לקילוגרם של פולימר.זה גם משתמשת ב 50-60% פחות אנרגיה לא מתחדשת.

מחקר NREL הראה כי PLA מתחום התירס (כולל הזרקת עובש וסיום של חיים) מפחית את פליטות הפחמן ב- 63% בהשוואה ל- PET ו-52% בהשוואה ל-PS.PLA דורש גם 30–50% פחות אנרגיה מאובן על מחזור החיים שלה.

(ב) [ה]: [ה]: [ה]: [ה], [ה]], [ה]] [ה]]] [ה]]] [ה]]]המחקר ב-[[1924]]:2] ב[[1943]], מצא כי חומצה אקרילית המבוססת ביולוגית מגליצרול מורידה את הביקוש לאנרגיה מצטברת ב-45% והתחממות כדור הארץ, בהשוואה לנתיבים של oxidation קונבנציונליים, עם החיים המערות שיש לשפר.

אלה LCAs להוכיח באופן עקבי כי מתג מונומרים מבוסס ביולוגית מניב יתרונות סביבתיים נטו, במיוחד באקלים השפעה ופענוח משאבים מאובנים. גודל היתרון תלוי בבחירת מזון, פרקטיקות חקלאות וניהול מקצה החיים.

יישומים תעשייתיים ודוגמאות אמיתיות

המעבר למונומרים המבוססים על הביולוגי אינו סקרנות מעבדה; הוא כבר קורה במוצרים מסחריים.

  • (FLT:0)Packaging: FLT:1 חברות גלובליות כמו קוקה קולה, Danone ו-N Nestlé משתמשים ביו-PE (המוחזר מסוכרקני) בכספים ובסרטים שלהם.
  • (FLT:0)3D הדפסה: 1FLT 1 PLA filament הוא החומר הפופולרי ביותר עבור מדפסת 3D שולחן העבודה, המציעה פעימה נמוכה, ריח בטוח, ומידות.
  • (FLT:0) לא ניתן ללוח: FLT:1 , כוסות, וחתכוכים נפוצים כעת במסעדות וברשתות מזון כחלופות לפלסטיקים בשימוש יחיד.
  • (FLT:0) מכשירים רפואיים: FLT:1 PLA ופולי (חומצה גליקולית-קוקקטית) (PLGA) משמשים בפצעים ספוגים, מערכות אספקת תרופות, ופסלים הנדסיים, שבו ביו-דגרדיות היא דרישה פונקציונלית.
  • (FLT:0) מנוע הפנים:FLT:1ir (ב- bio-based polypropylene) משמש בלוחות, לוחות דלת, בד מושב על ידי טויוטה ופורד, צמצום משקל הרכב וטביעת הפחמן.

אתגרים ומגבלות של מונומרים המבוססים על ביולוגית

למרות היתרונות הסביבתיים ברורים, אימוץ נרחב של מונומרים המבוססים על ביולוגית בנוסף לפולימרומיזציה ניצב בפני כמה מכשולים.

אחריות על

מונומרנים המבוססים על ביו-אתילין עולים לעתים קרובות 20–100% יותר מאשר המקבילות שלהם נפט-דרדר.לדוגמה, ביו-אתילן תירס עשוי להיות במחיר של 1.5–2.00 ק"ג לליטרגרם לעומת $ 060–1.00 עבור ethylene מאובנים.

מים וקרקע

מונומרים המבוססים על הדור הראשון מסתמכים על גידולים שגדלו על אדמות ערב, העלאת חששות לגבי תחרות עם ייצור מזון, צריכת מים ואובדן המגוון הביולוגי. הדור השני והשלישי (בזבוז ליגנולוסי, אצות, מונומרים דו-ממדיים) יכולים להפחית את הבעיות הללו, אך הם דורשים טיפול מתקדם וטכנולוגיות המרה כי הם עדיין לא בוגרים מבחינה מסחרית.

ביצועים ונכסים

כמה פולימרים המבוססים על ביולוגית יש יציבות תרמית נמוכה, כוח מכני, או תכונות מחסום בהשוואה לפלסטיקים קונבנציונליים. PLA, למשל, יש טמפרטורת מעבר זכוכית של 55-65 מעלות צלזיוס, מה שהופך אותו בלתי מתאים ליישומים לוהטים. Copolymerization עם תרכובות מבוססות ביולוגית (למשל, עם caprolactone) או תערובת עם פולימרים אחרים יכול לשפר את התכונות האלה, עלות של מחיר גדל ומורכבות.

סוף-חיים Infrastructure

פולימרים המבוססים על ביו-דגרד דורשים מתקני הגשה תעשייתיים כדי להידרדר ביעילות.עירוניות רבות חסרות תשתיות כאלה, מה שמוביל לסילוק לא תקין ביבשה או בחיבוקציה, שם אבדה התועלת הביולוגית.

Recycling Compatibility

פולימרים המבוססים על ביולוגית כמו PLA יכולים לסווג את זרם מחזורי PET הרגיל כי יש להם מראה דומה אבל נקודות התכה שונות.זה הוביל כמה מחזורים לקרוא זרמי איסוף נפרדים.הפיתוח של טכנולוגיות מיון (למשל, קרוב ל- ספקטרום ספקטרום) ושיטות מיחזור כימיות הוא התייחסות לאתגר זה.

עתיד Outlook וחדשנות

העשור הבא יראה התקדמות מהירה במספר תחומים שיכולים להפוך מונומרים מבוססי ביולוגית לבחירה ברירת המחדל עבור פולימרים רבים נוספים.

  • (FLT:0) הזנת חומרים מתקדמים:FLT:1מחקר לתוך ביומסה ליגנולוסית (עץ, תנור תירס, שקasse) וגימור CO2 ישיר באמצעות מיקרובים ממונדסים הוא צמצום הלחץ לשימוש הקרקע.החברה LanzaTech רשמה תהליך שלוכדת צינורות פלדה מגז וממיר אותם לתוך ethanol, אשר ניתן לפסולת ביולוגית.
  • (FLT:0) אנזימים פולימריזציה האנזימיזציה האנזים:1 אנזימים כמו ליפיז ושקניות יכולים לזרז תוספת פולימריזציה במים בתנאים קלים, חיסול של פותרים קשיחים וזרזים. גישה זו "כימיה ירוקה" עדיין בשלבים מוקדמים, אך היא מבטיחה למומחיות פולימרים גבוהה.
  • (FLT:0)Blocking Technology:FLT:1 Chemists מעצבים מונומרים המשלבים עצמות אחוריות מבוססות ביולוגית עם מחזור מובנה, כגון פולימרים כי depolymerize למונומרים בסוף החיים (שיחזור כימי למונומר, או CRM).
  • (FLT:0)AI ו- Machine Learningve: FLT:1 מיפוי של מונומרים מבוססי ביולוגי פוטנציאלי ותנאי התגובה מאיצים גילוי ואופטימיזציה, צמצום הזמן ממעבדה לשוק.

על פי דיווח של חברת ביופלסטיקה מובילה, יכולת הייצור העולמית של פולימרים המבוססים על ביולוגית צפויה לגדול מ-2.4 מיליון טון ב-2023 ל-7.9 מיליון טון עד 2028, המונעת על ידי הביקוש הצרכני, התחייבויות הקיימות התאגידיות והדקת תקנות על פלסטיק לשימוש יחיד.

מסקנה

השימוש במונות המבוססים על הביולוגית בנוסף לפולימריזציה מייצג את אחת האסטרטגיות המוחות והקפיות ביותר לחיסול תעשיית הפלסטיק, על ידי החלפת חומרי מזון מאובן עם מקורות ביולוגיים מתחדשים, יצרנים יכולים להפחית פליטות גזי חממה, להפחית את הפחתת הפרודוקטיביות הרעילה, וליצור משככי חומרים כימיים בעלי יכולת גבוהה יותר עם עלויות, ביצועים, תשתיות, אתגרים ביולוגיים מתמשכים, הם רק מקיפים את תהליך הנדסי: