Polimero birziklatu aurreratuen garapena: plastiko-hondakinei bizitza berri bat emanez
CAF-Elhuyar 2020: Egilearen doktore-tesian oinarritutako dibulgazio-artikuluaren saria
Aurten, 100 urte bete dira Hermann Staudingerrek makromolekulen inguruko lehenengo lana argitaratu zuenetik, polimeroen zientziari hasiera eman zionetik. Egun, polimeroek (plastikoak barne) berebiziko garrantzia daukate, arlo ugaritan erabiltzen baitira; are gehiago, hainbat aurrerapen ez lirateke posible izango material horiek gabe. Hala ere, 100. urtemuga betetzen den honetan, erronka handi bati egin behar diote aurre polimeroek: material horiek erabiltzeak eragiten duen hondakin-kantitate handia; horrek kezka handia sortu du gizartean. Erronka hori gainditzeko, oro har polimero gutxiago erabiltzeaz gainera, material horiek birziklatzeko modu berriak ikertu behar ditugu zientzialariok, eta agertzen diren arazo eta oztopoei irtenbidea bilatu. Hori izan da, hain zuzen ere, tesi honen helburua.
Polimeroak: erabilera anitzeko materialak
Gaur egun, polimeroak, eta haien artean plastikoak, arlo ugaritan erabiltzen dira, eta ezinbestekoak dira eguneroko bizitzan. Behin eta berriz errepikatzen diren unitatez osatuta daude polimeroak, eta haien berezitasun nagusia da pisu molekular handiko molekula erraldoiak direla, makromolekulak, alegia. Makromolekula horiek lortzen dira molekula txikiak, hots, monomeroak, elkarren artean erreakzionaraziz. Adibide bat erabiliz erraz uler daiteke: monomeroa klip bat bada, polimeroa klipak elkarren artean lotuz osatzen den kate luzea da (1. irudia). Hainbat polimero-mota daude; berotzean urtu eta hoztean solidotu egiten diren polimeroak dira plastikoak, eta prozesua behin eta berriz errepikatu daiteke.
Polimeroek askotariko material-motak ordezkatu dituzte (esaterako, metala, egurra eta beira), zenbait abantaila dituztelako: merkeak dira, arinak, eta erraz prozesatu daitezke, hau da, erraz ematen zaie forma energia gutxi xahutuz. XX. mendean lehen polimero sintetikoak azaldu zirenetik, hainbat polimero garatu dira, aplikazioen behar guztiak asetzeko. Polimeroek askotariko ezaugarriak izan ditzakete, eta, ondorioz, aplikazio ugaritan erabiltzen dira; batez ere, ontziratzean, medikuntzan edota energia berriztagarrietan (1. irudia).
Plastiko-hondakinen arazoa
Azken urteetan, polimeroen erabilerak eztabaida eta kezka handia sortu du gizartean, hondakin asko sortzen baitute eta ingurumenean barreiatuta amaitzen dutelako. Europar Batasuneko datuen arabera (2. irudia), 2018an, 29,1 milioi tona hondakin plastiko sortu ziren: % 32 birziklatu egin zen, eta % 43 erraustegietara bidali zen, energia berreskuratzeko; % 25, ordea, zabortegietan pilatu zen. Datu horiek argi erakusten dute plastikoak birziklatzea sustatu behar dela, eta, horretarako, guztiz beharrezkoa da materialen birziklapena ikertzea eta aplikazio posibleak bilatzea. Hori izan da, hain zuzen ere, tesi honen helburuetariko bat.
Polietilen tereftalatoa: botiletan jaun eta jabe
Industria guztiak kontuan hartzen badira, ontziratzearena da material gehien birziklatzen duen sektorea. Ontziratzean, hainbat polimero erabiltzen dira; haien artean garrantzitsuenak poliolefinak dira, hau da, polipropilenoa (PP), zenbait polietileno-mota (PE) eta polietilen tereftalatoa (PET). PETa asko erabiltzen da botilak egiteko, ezaugarri mekaniko eta erresistentzia kimiko ona dituelako. Material horrek sektore horretan garrantzi handia izanik eta kontuan hartuz ontzi horien erabilera-bizitza laburra dela, asko garatu da haiek birziklatzeko modua. 3. irudian, PETaren birziklapen-prozesua azaltzen da: botilak jaso eta enpresara eramaten dira; bertan, txikitu, garbitu eta lehortu egiten dira, eta, azkenik, prozesatu egiten dira, xaflak edo hariak lortuz.
Gaur egun, Frantzian, titanio dioxido (TiO2) nanopartikulak gehitu ohi zaizkio PETari, esne-botilak egiteko. Izan ere, titanio dioxidoak erradiazio ultramoretik babesten du edukia (esnea), eta gasak iragaztea oztopatzen du. Baina nanopartikula horiek materiala birziklatzea eragozten dute. Alde batetik, nanopartikulak gehitzean, gardentasuna galtzen da; merkatuan, ordea, PET gardenak du eskari handiena. Bestalde, titanio dioxidoa duen PETak birziklatutako materialaren % 15 baino gutxiago izan behar du; bestela, harilkatze-arazoak sortzen dira (3. irudia). Ondorioz, birziklapen-instalazioetan, banatu egiten da titanio dioxidoa duen PETa, eta horrek prozesua garestitzen du. Kontuan izan behar da, halaber, botilen tapoiak polietilenoz edo polipropilenoz eginak daudela, beraz, birziklatu aurretik, botilen gorputza eta tapoiak banatu egin behar dira, eta horrek ere prozesua garestitzen du.
PET/TiO2-a ezin denez birziklatu, zabortegietara eraman daiteke edo erraustegietara, energia berreskuratzeko; baina aukera horiek ez dira jasangarriak. Ingurumenaren ikuspuntutik aukera jasangarriagoa da botilak tapoi eta guzti birziklatzea, eta material aurreratuak garatzea; hala, birziklatu ezin zitekeen hondakin bat lehengai gisa erabil daiteke, materialari bizitza berri bat emanez.
Botila osoaren birziklapena: PET/PE/TiO2 nahaste-konpositea
Botila osoa tapoi eta guzti birziklatzean, PET/PE/TiO2 nahaste-konpositea lortzen da. Dena batera birziklatzea aukera ekonomikoena bada ere, ezinbestekoa da sistema horren ezaugarriak aztertzea, hainbat aplikazio eman nahi bazaizkio. Lehenik, birziklatutako materialaren antzeko konposizioa duen nahastea prestatu behar da, material komertzialak erabiliz; laborategian prestaturiko nahaste hori erabiliko da ikerketa burutzeko. Birziklatutako materialaren konposizioa zein den jakiteko, zenbait teknika erabili dira, eta datuak Frantziako esne-botila batekin alderatu dira. Behin konposizioa ezagututa, PET, PE eta titanio dioxido komertzialen kantitate egokiak gehitu dira nahasgailuan. Bertan, materiala berotu egin da, urtu eta nahastu dadin.
Behin nahaste-konpositea prestatuta, haren morfologia ikertu behar da, hau da, PETa, PEa eta TiO2-a nola antolatzen diren. Horretarako, mikroskopia elektronikoa erabili da. Hala, ikusi da PET/PE/TiO2 nahaste-konpositeetan PE-tantak PET-matrizean zehar barreiatuak daudela, bi polimero hauek nahasezinak baitira. Titanio dioxidoa, berriz, bi polimero-faseen arteko interfasean kokatzen da (4. irudia). TiO2 nanopartikulek polietileno-tanten tamaina murrizten dute, eta hori onuragarria da, propietate fisikoak hobetuko baitira, batik bat propietate mekanikoak.
Materialak isurtzeko duen gaitasuna ere aztertu da, hots, materialaren erantzun erreologikoa. Ezaugarri hori aztertzeak berebiziko garrantzia dauka, polimeroak berotu eta modu egokian isuri behar direlako, moldea bete dezaten haren forma hartuz. Lan honetan frogatu da materialaren isurtzeko gaitasuna handitu dutela nanopartikulek; beraz, polimeroen prozesaketan energia gutxiago beharko da PET hutsarekin prozesatzean baino.
Azkenik, materialaren bizitza-amaierako zenbait propietate ikertu dira. Besteak beste, zenbait gas eta lurrunen iragazkortasuna neurtu da. Lorturiko emaitzen arabera, PET/PE/TiO2 nahaste-konpositeak hesi-propietate onak ditu, oxigeno eta ur-lurrunarentzat.
Ezaugarri mekanikoei dagokienez, PET/PE/TiO2 nahasteak zurruntasun egokia du; haustura-deformazioari dagokionez, berriz, PET birziklatuak baino deformagarritasun handiagoa du.
Azterketa horien arabera, botila osoa birziklatuz lortzen den materiala ontziratzeko erabili ahal izango litzateke, hesi-propietate zein ezaugarri mekaniko egokiak dituelako. Horretaz gain, autoetako barneko plastikozko panelak zein beste pieza batzuk egiteko ere erabil daiteke, ezaugarri mekaniko egokiak dituelako.
Material birziklatu adimentsuen garapena: Joule efektua
Urrats bat haratago joanez, material adimentsuak garatu dira birziklapen--prozesuan eroaleak diren nanopartikulak gehituz. Material adimentsuak kanpo-estimulu bati erantzuteko gai diren materialak dira, eta ezaugarri fisiko edo kimikoak aldatzen zaizkie. Tesian, Jouleren berotze-efektua erabili da; haren bidez, material erdieroale bati korronte elektriko bat aplikatzean, tenperatura handitu egiten da.
Kasu horretan, ontziratzean asko erabiltzen den beste poliolefina bat aukeratu da, polipropilenoa, hain zuzen ere. Polipropileno (PP) berria zein birziklatua erabili da, eta karbonozko nanotutuak (KNT) gehitu zaizkie, material erdieroaleak lortzeko helburuarekin. 5. irudian, Joule efektua neurtzeko erabilitako sistema azaltzen da. Korronte zuzena aplikatzen duen gailu elektriko bat konektatu da laginarekin, eta tenperatura neurtzeko infragorri bidezko kamera bat erabili da. Laginei tentsio elektriko desberdina aplikatu zaie, eta 5. irudian azaltzen diren emaitzak lortu dira. PP berria eta KNTak dituen kasuan, tenperatura ia 90 °C arte igo daiteke 20 V-eko tentsioa aplikatuz. PP birziklatua eta KNTak dituen kasuan, berriz, tenperaturaren igoera apalagoa da (beherago azaltzen diren arrazoiengatik): 50 V aplikatuz, 40 °C inguruko tenperatura igoera gertatzen da.
Laborategian egindako analisien arabera, PP birziklatuak ezpurutasunak ditu: titanio dioxidoa gehienbat, eta talko eta beste zenbait konposatu ez-organikoren arrastoak. Partikula horiek ez dira eroaleak, eta oztopatu egiten dute nanotutuen arteko eroankortasuna. Hala ere, emaitzek erakusten dute PP birziklatuan ere Joule efektu nabarmena sortzen dela.
Hala, frogatu da material erdieroaleak lortzeko bide egokia dela polipropileno birziklatuari karbonozko nanotutuak gehitzea. Material horiek adimentsuak dira, tentsio elektrikoa ezartzean berotu egiten baitira, eta aplikazio ugari izan ditzakete, hala nola korrontea ezarriz bat batean askatzen den itsasgarri gisa erabiltzea edo manta termikoetan. Beste aplikazio interesgarri bat mintzen garapena da, iragazkortasuna asko aldatzen baita tenperaturarekin, hau da, aldatu egiten da mintz bat zeharkatzen duen gas edo lurrun baten kantitatea. Hori izan da lan honetan ikertu den aplikazioa. Aplikaturiko tentsioaren arabera, mintzaren tenperatura kontrolatu dezakegu. Hala, iragazkortasun-balio desberdinak lortu daitezke aplikatzen den tentsioaren arabera, 5. irudian ikus daiteken bezala. Material hauek hainbat aplikazio izan ditzakete, besteak beste, sentsoreetan edo uraren gatzgabetze-prozesuetan.
Bibliografia
Areizaga, J.; Cortazar, M.; Elorza, J. M.; Iruin, J. J. Poltmeros (Sintesis, Madrid 2002).
Comite Technique pour le Recyclage des Emballages Plastiques (Cotrep) (2015). “Note preliminaire 2. Impact du development du PET opaque blanc sur le recyclage des emballages en PET”.
El-Tantawy, F. (2001). “Joule Heating treatments of conductive butyl rubber/ceramic superconductor composites: A new way for improving the stability and reproducibility?”, European Polymer Journal, 37: 565-574.
Iruin, J. J.; Elortza, J. M. KimikaFisikoMakromolekularra (UEU, 1998).
Plastics Europe (2019). Plastics-The Facts. (Brussels, Belgium).
Roy, D.; Cambre, J.N.; Summerlin, B.S. (2010). “Future perspectives and recent advances in stimuli-responsive materials”, Progress in Polymer Science, 35: 278-301.Idatzi zuk zeuk Gai librean atalean
Gai librean aritzeko, bidali zure artikulua aldizkaria@elhuyar.eus helbidera
Hauek dira Gai librean atalean Idazteko arauak
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
