p Uma equipe multidisciplinar do Berkeley Lab vem trabalhando há vários anos para desenvolver um plástico revolucionário que, ao contrário dos plásticos tradicionais, pode ser reciclado indefinidamente e não é feito de petróleo. Seu último marco foi o lançamento de uma análise que mostra a viabilidade e os resultados potenciais do lançamento do material exclusivo, chamado poli (dicetoenamina) ou PDK, no mercado em escala industrial. p A equipe descobriu que fazer produtos com PDK reciclado poderia rapidamente se tornar tão barato quanto fazer o mesmo item com novos polímeros de plástico (uma proporção muito pequena de nossos plásticos atuais são reciclados, portanto, a maioria dos produtos é feita de resina plástica "virgem"), ao mesmo tempo que reduz o CO ₂ emissões e requisitos de energia de fabricação. Além disso, os cientistas planejam desenvolver um processo para criar a resina PDK inicial usando material vegetal fermentado por micróbios, o que significa que todo o ciclo de vida de um produto plástico PDK pode ter baixo teor de carbono ou até mesmo ser neutro em carbono.

p Assim que a infraestrutura para produção e reciclagem de PDK em grande escala for desenvolvida, os cientistas imaginam que o PDK poderia substituir os plásticos tradicionais em uma variedade de produtos de consumo, de peças de automóveis a garrafas de água.

p Conversamos com dois líderes de projeto, Brett Helms e Corinne Scown, sobre a inspiração para PDK, deficiências em nossos sistemas de reciclagem atuais, e como este ambicioso projeto é possibilitado por uma combinação diversificada de conhecimentos científicos.

p Brett Helms é um químico e cientista de fabricação que trabalha na Fundição Molecular do Berkeley Lab, uma instalação de usuário do Departamento de Energia dos EUA (DOE). Helms liderou o grupo que inventou o PDK há mais de três anos, como parte de um projeto de Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório (LDRD) focado na criação de uma alternativa plástica altamente funcional.

p Corinne Scown é cientista na área de tecnologias de energia do Berkeley Lab, e vice-presidente para o ciclo de vida, Economia, e Divisão de Agronomia no Joint BioEnergy Institute (JBEI) - um Centro de Pesquisa em Bioenergia do DOE. Scown, um especialista na área de análise técnico-econômica, lidera o projeto e desenvolvimento de processos para produção e reciclagem de PDK em escala industrial. Ao modelar como esses sistemas funcionariam em grande escala, seu trabalho identifica potenciais gargalos e prevê custos e impacto ambiental, ajudando assim os cientistas de materiais a selecionar as tecnologias mais eficientes e sustentáveis ​​desde o estágio inicial.

p Os outros líderes do projeto são Jay Keasling, o CEO da JBEI; e Kristin Persson, Diretor da Fundição Molecular.

p Q. Brett, de onde veio a ideia ou inspiração para o PDK?

p Brett:A maneira como a indústria pratica a reciclagem de polímeros está mudando. Atualmente, a abordagem se baseia na reciclagem mecânica, onde, depois de separar e moer, resíduos de polímero são derretidos em um material homogeneizado cujas características foram degradadas ao longo do caminho. No futuro, espera-se que a reciclagem química desempenhe um papel maior, pois prioriza a recuperação de materiais de alto valor que podem ser reaproveitados na fabricação. Contudo, com a tecnologia atual de reciclagem de produtos químicos, muito poucos polímeros podem ser reciclados de forma eficiente, se medimos a eficiência com base na energia necessária, a quantidade de CO ₂ emitido, ou a quantidade de material puro que recuperamos para a fabricação de resina secundária. Estávamos cientes desses desafios e abordamos o problema dessa perspectiva. Tentamos projetar PDKs como polímeros de próxima geração que requerem apenas pequenas quantidades de energia para serem reciclados quimicamente de volta aos seus monômeros originais com alto rendimento, de modo que o carbono em PDKs pode ser recirculado através de ciclos ilimitados de refazer e reutilizar.

p Q. Corinne, o que te atraiu para este trabalho?

p Corinne:Eu tenho feito um trabalho de análise técnico-econômica e avaliação do ciclo de vida de biocombustíveis há anos e, Acredite ou não, os plásticos não são um grande salto. Há algum tempo exploramos produtos de base biológica, e os biopolímeros já nos interessavam porque sabemos que é fundamental encontrar alternativas renováveis ​​para todos os diferentes produtos que fazemos a partir do barril de petróleo típico, não apenas combustíveis. Brett e Jay me puxaram para dentro quando eles estavam escrevendo a proposta para este projeto específico e eu fiquei chocado com a clareza de visão e a rapidez com que tudo se encaixou. A ideia de um polímero que pode ser reciclado de volta para monômeros de qualidade virgem com entrada de energia mínima resolve muitos problemas de outra forma intratáveis ​​com resíduos de plástico.

p Q. Brett, como você entrou na ciência dos materiais? Sempre houve uma meta de criar materiais ecologicamente corretos, ou você começou com outro objetivo?

p Brett:Eu fiz pesquisa de graduação com Shenda Baker no Harvey Mudd College, onde estudávamos a física de polímeros em interfaces. Em algum ponto, Eu percebi que se eu quisesse estudar polímeros interessantes, Talvez eu precise aprender como fazê-los sozinho. Shenda me apresentou a Craig Hawker, e passei um tempo aprendendo síntese de polímeros com ele e Eva Harth no IBM Almaden Research Center. Sentindo-me mais confiante em minhas habilidades de síntese, Então, fiquei interessado em aprender como projetar funções em polímeros. Isso é o que me levou a UC Berkeley, onde conduzi meu doutorado. com Jean Fréchet, cujo grupo era conhecido por sua criatividade em polímeros funcionais. Eu também aprendi, em meu pós-doutorado com Bert Meijer, na Universidade de Tecnologia de Eindhoven na Holanda, como as interações entre polímeros e outros materiais são centrais para sua função.

p Trabalhar em um Laboratório Nacional realmente abriu meus olhos para a amplitude em que os materiais fazem a diferença em nossas vidas, e cada vez mais na sustentabilidade de nossas escolhas de vida. Eu espero que, em nosso trabalho de repensar a química dos polímeros para a economia circular, oferecemos soluções criativas com as quais todos podem se entusiasmar e aprender, e que as pessoas possam estar motivadas a trabalhar conosco para trazer essas soluções para o mundo, em linha com a nossa missão aqui no Berkeley Lab.

p Q. Corinne, o termo "análise técnico-econômica" é provavelmente novo para muitas pessoas. Como você explica o que você faz quando um não-cientista pergunta?

p Corinne:Análise tecnoeconômica, ou TEA para breve, é um daqueles termos que não eram usados ​​há uma década e é muito mais comum agora. Em um nível básico, TEA envolve projeto de engenharia e análise de fluxo de caixa. O projeto de engenharia e a simulação geralmente são a parte difícil. Você está pegando um resultado legal que alguém obteve no laboratório e tentando descobrir como seria uma instalação em escala comercial, incluindo tudo, desde a recuperação de solventes até a geração de calor e energia até o manuseio de resíduos. Isso geralmente envolve pensar em coisas que os cientistas não consideraram e pode levantar questões interessantes. Por exemplo, TEA mostrou que um dos reagentes na química baseada em descoberta para sintetizar PDK-N virgem, N'-diciclohexilcarbodiimida (DCC) - provou ser muito caro, intensivo em emissões, e resultou na geração de resíduos perigosos do processo. Você poderia dizer que o DCC tinha um alvo depois disso - a equipe de Brett estava empenhada em encontrar uma maneira de reduzir ou eliminar seu uso.

p P. Muitas pessoas ficam confusas sobre a reciclagem de plástico. Por exemplo, o que é reciclável e o que não é? O que acontece com ele depois que você o coloca na lixeira? Você tem algum conselho agora, antes que os PDKs ou outros plásticos realmente recicláveis ​​cheguem ao mercado, para as pessoas que estão tentando estar atentas aos materiais em suas vidas?

p Corinne:Felizmente, a questão da reciclagem de plástico está recebendo muito mais atenção ultimamente e há ótimas notícias que você pode ler ou assistir para obter abordagens surpreendentemente diferenciadas sobre o que é ou não reciclável. Acho que o principal equívoco é que todos nós temos o dever de colocar qualquer coisa que tenha aquele pequeno logotipo de reciclagem na lixeira. Na verdade, isso significa apenas que as instalações com limitações de espaço e capacidade na melhor das situações podem ter que processar mais material que, no final das contas, irá para aterros sanitários. A melhor coisa que você pode fazer é evitar a geração de resíduos em primeiro lugar, quando possivel. Contudo, no fim do dia, temos que ser práticos. Pessoas, eu incluído, quero fazer o que for conveniente. Quando eu tenho um item de plástico que preciso jogar fora, Eu me pergunto algumas perguntas básicas:primeiro, o plástico é rotulado como nº 1 (PET) ou nº 2 (HDPE)? Em segundo lugar, é tridimensional (não plano)? Se a resposta a qualquer uma dessas perguntas for "não, "Eu coloco no lixo. A grande maioria dos fardos mistos # 3-7 acabam indo para aterros sanitários, e se você tentar reciclar coisas planas - como filme plástico e envelopes de plástico - elas têm uma boa chance de acabar como um contaminante em papéis de alto valor ou fardos de papelão. Se os fardos de fibra estiverem muito contaminados, eles podem não ser aceitos. Então, "wishcycling, "como eles chamam, pode ter algumas consequências negativas muito reais.

p Brett:A pandemia mudou nossa compreensão sobre a quantidade de plástico que usamos e como seria difícil reduzi-la. Trabalhando mais em casa, vemos exatamente quanto lixo geramos, ao passo que quando estávamos em movimento, viajando entre muitos lugares, nosso lixo diário era espalhado em lixeiras que outras pessoas esvaziavam. Ausência de qualquer tipo de regulamentação sobre o uso de plásticos e responsabilidade do produtor em fim de vida, o impacto mais forte que podemos ter poderia ser através do aproveitamento de nosso poder de compra, comprando produtos que são feitos com alto conteúdo pós-consumo ou materiais de origem biológica, ou são feitos de polímeros altamente recicláveis ​​como o PET. De forma similar, poderíamos fazer escolhas para não comprar produtos que seriam difíceis de reciclar, por exemplo, os feitos de misturas de diversos tipos de plásticos. Fazer escolhas informadas é difícil, como Corinne mencionou. Há muito "desejo" que acontece com o melhor de nós. É fácil ser enganado e pensar que algo é sustentável se tiver um logotipo de reciclagem em algum lugar. Por décadas, nós fomos conduzidos desta forma, e levará tempo para reorientar nosso pensamento com a reutilização sustentável em mente.

p P. Conte-nos sobre um destaque pessoal dos últimos anos!

p Brett:Nunca experimentei nada parecido com a resposta do público ao nosso relatório sobre materiais PDK infinitamente recicláveis. Foi postado online no Dia da Terra em 2019, quando a consciência sobre os impactos do lixo plástico estava se tornando parte de uma consciência coletiva global. Dentro de horas, O Berkeley Lab estava respondendo a consultas da mídia, o que resultou em um compromisso de um ano com eles para trazer clareza ao problema dos plásticos e a necessidade urgente de soluções. Também ficou claro que havia uma comunidade crescente de todo o mundo e de diferentes origens, todos focados em trabalhar juntos.

p Corinne:Para mim, visitar instalações de gestão de resíduos foi um verdadeiro destaque, e é algo que perdi durante a pandemia. Nos últimos anos, Estive em uma instalação de recuperação de materiais (MRF), uma instalação de compostagem, e várias instalações de digestão anaeróbica. Há algo de especial em ir lá e ver o equipamento em ação, ver como fica um saco plástico depois de passar por um digestor ou processo de compostagem. No MRF, eles falam sobre empresas que pegam suas novas embalagens e as enviam pelas instalações como um experimento para ver onde elas vão parar. It's a whole different world and most people don't get to see it.

p Q. What excites you most about the future of the collaboration?

p Corinne:This project has been one of the most fun and fulfilling experiences in my career at Berkeley Lab so far. I like the idea of digging into an application that makes sense for PDKs, like automotive parts or electronics, and figuring out how to implement it in practice. It gets into all sorts of interesting infrastructure issues. Cars have a very different end-of-life than consumer electronics, por exemplo. Would we want to let shredder facilities just shred vehicles, recover the metals, and then process the mixed material to recover PDKs, or should we try to pull out parts with PDK for recycling beforehand? What car parts make the most sense for PDK? I don't know the answer to those questions yet, but I want to find out. I have no doubt that Brett, Jay, and Kristin can figure out how to hit the necessary specifications and tune each type of PDK so it depolymerizes at just the right conditions. My favorite thing to do is take those cool results and figure out how they can work at scale.

p Brett:I have learned so much working with this team. This is one of those projects where together, we are greater than the sum of our parts. I'm looking forward to understanding how PDKs might be tailored for specific applications and scaled. That's where our work with Corinne has been very insightful. I also look forward to working with Jay and Kristin on making PDKs from bio-based ingredients. There's a growing interest in highly recyclable bio-based plastics, and Jay and Kristin's efforts have been aimed at providing a competitive edge to both performance and recycling efficiency. The students and postdocs working on this project are endlessly creative and bring life to all of the ideas that come from our discussions.