Fizik-Kimya-Matematik
Dr. Mahir E. Ocak
17/03/2021 - 09:19

Plastiklerin Kimyasal Geri Dönüşümü

Princeton Üniversitesinde çalışan bir grup kimyacı, kimyasal yöntemlerle verimli bir biçimde geri dönüştürülebilen plastikler üretmeyi başardı.

Gün geçtikçe artan plastik kirliliğini azaltmanın yollarından biri, daha fazla atığı geri dönüştürmek. Ancak çeşitli ham maddelerden ve katkı maddelerinden üretilen binlerce farklı türdeki plastiğin bugün başarılı bir biçimde geri dönüştürülebildiği söylenemez.

Bugün plastikleri geri dönüştürmek için yaygın olarak mekanik yöntemler kullanılıyor. Plastikler önce ezilerek küçük parçalara bölünüyor, daha sonra eritilip yeniden kalıba dökülüyor. Bu yöntemin zayıf tarafı her zaman uygulanmasının mümkün olmaması. Plastikler polimer yapısında malzemelerdir; tekrar eden birimlerin (monomerlerin) zincir biçiminde art arda eklenmesiyle oluşurlar. Mekanik yöntemlerle geri dönüşümse polimer zincirlerinin kırılıp kısalmasına neden olur. Bu yüzden bir plastik mekanik yöntemlerle tekrar tekrar geri dönüştürülemez.

Günümüzde mekanik yöntemlere alternatif olarak biyolojik ve kimyasal yöntemler üzerine çalışmalar yapılıyor. Yakın geçmişte çeşitli türde plastikleri doğaya zararsız kimyasal maddelere dönüştüren mikroorganizmalar keşfedildi. Ayrıca gelecekte plastikleri geri dönüştürebilecek başka tür mikroorganizmalar laboratuvar ortamında da üretilebilir. Plastiklerin kimyasal yollarla geri dönüşümünde ise polimer zincirleri önce kimyasal yöntemlerle monomerlere parçalanır, daha sonra bu monomerler yeniden plastik üretiminde kullanılır. 

Plastiklerin kimyasal geri dönüşümü üzerine geçmişte de çalışmalar yapılmıştı. Ancak hem geri dönüştürülebilen plastikler pahalı ve az üretilen türdendi hem de geri dönüşüm süreci birkaç aşamalı ve karmaşıktı. Princeton Üniversitesinden Paul Chirik ve öğrencileri ise hem yaygın olarak kullanılan bir ham maddeden yeni plastikler üretmeyi hem de bu plastikleri kolay uygulanabilir, basit bir kimyasal yöntemle geri dönüştürmeyi başardılar.

Araştırmacılar plastik üretiminde ham madde olarak bütadien kullanıyorlar. Kimyasal formülü C4H6 olan bu molekül, araba lastiklerinden ayakkabılara pek çok üründeki plastiklerin üretiminde yaygın olarak kullanılıyor. 

Polimerleşme sırasında genellikle monomerlerin iki ucundaki karbon atomları birbirine bağlanır. Araştırmacıların ürettiği plastiklerde ise polimerleşme daha sıra dışı bir biçimde gerçekleşiyor. Dört karbon atomu içeren bütadien molekülleri art arda eklenirken bir moleküldeki birinci ve ikinci karbon atomları, bir diğer moleküldeki üçüncü ve dördüncü karbon atomlarıyla bağ kuruyor. Böylece kare biçimli birimlerin defalarca tekrar ettiği polimer zincirleri ortaya çıkıyor. 

Bütadien molekülleri (üstte) ve üretilen polimerlerin yapısı (altta). Görsel: Jonathan Darmon

Üretilen plastiklerin en önemli özelliği, kimyasal olarak yeniden bütadiene parçalanmalarının görece kolay olması. Kimyacılar bir tepkimenin gerçekleşme sürecini bir tepeyi aşmaya benzetirler. Tepkimenin gerçekleşmesi için önce ham maddelerin yeterli miktarda enerji alarak tepeyi tırmanması ve bir ara ürün oluşturması gerekir. Eğer ara ürün zirveden tepenin diğer tarafına düşerse son ürünler ortaya çıkar. Tepkimenin ters yönde gerçekleşmesi içinse ürünlerin tepeyi tırmanıp aşması ve yeniden ham maddeleri oluşturması gerekir. Örneğin bir malzemenin yanmaya başlaması için öncelikle dışarıdan enerji alarak tepeyi tırmanması gerekir. Malzemenin yanmaya başlaması için gerekli enerji miktarı (aktivasyon enerjisi) ne kadar düşükse malzeme o kadar yanıcıdır. 

Söz konusu plastiklerin kimyasal olarak geri dönüşümü olduğundaysa ürünlerin tepeyi tırmanması zordur. Çünkü plastikler genellikle düşük miktarda enerjiye sahiptir ve dolayısıyla tepeyi tırmanmak için yüksek miktarda enerjiye ihtiyaçları vardır. Bu durum polimer zincirlerini monomerlere parçalamayı zor ve pahalı hâle getirir. Araştırmacıların ürettiği plastiklerin parçalanması için gerekli enerji miktarı ise hayli düşük. Bu sayede basit kimyasal yöntemlerle kolaylıkla geri dönüştürülebiliyorlar.

Araştırmacılar ürettikleri plastiklerin farklı koşullar altında nasıl performans göstereceğini henüz bilmediklerini, gelecekte bu konuda çalışmalar yapmayı planladıklarını söylüyorlar.

Araştırma ile ilgili detaylı bilgiye Nature Chemistry’de yayımlanan makaleden ulaşabilirsiniz.

Fizik-Kimya-Matematik

Denklemin meşhuru mu olur demeyin, bazen çok basit gibi görünen bir eşitliğin etkisi çok büyük veya ve uygulama alanları çok geniş olabilir. Meşhur denklemlere geçmeden önce denklem” kavramı üzerinde duralım.

Bu yazıda Dünya’nın kendi ekseni etrafındaki dönüşü sonucunda oluşan, kendisi zayıf olsa da büyük ölçekli atmosfer hareketlerine yol açan Coriolis kuvvetini ve nasıl ortaya çıktığını anlamaya çalışacağız.