L’inquinamento da plastica è emerso come uno dei problemi ambientali più urgenti con il crescente uso di plastica monouso. Non essendo biodegradabile, la plastica si accumula nell’ambiente, alterando gli habitat e i processi naturali. Ogni anno, inoltre, milioni di animali selvatici vengono intrappolati dai rifiuti di plastica.
Quando la plastica si frammenta, rilascia composti tossici che contaminano l’ambiente. Inoltre, si disintegra in piccoli pezzi di plastica chiamati microplastiche. Le microplastiche si trovano ormai in tutto il mondo e sono ricollegabili a gravi effetti sulla salute, come disturbi metabolici e danni agli organi.
Il riciclo della plastica riduce la quantità di rifiuti plastici che altrimenti verrebbero abbandonati e preserva le risorse naturali. Tuttavia, attualmente solo il 10% circa della plastica viene riciclato in tutto il mondo. Questa cifra è bassa in parte perché il riciclaggio di alcuni tipi di plastica, come i rifiuti elettronici e i rifiuti marini, è difficile. Anche le reazioni chimiche che scompongono la plastica in componenti più semplici da riutilizzare sono ad alta intensità energetica.
Dall’utilizzo della plastica dei rifiuti elettronici per la coltura delle cellule allo sviluppo di un metodo più ecologico per la scomposizione della plastica, i ricercatori dell’NTU di Singapore stanno risolvendo alcune delle principali sfide che ostacolano il riciclaggio della plastica e stanno facendo passi avanti nella riduzione dell’inquinamento da plastica.
Riutilizzare la plastica dei rifiuti elettronici per far crescere “mini tumori” da analizzare in laboratorio
La plastica costituisce una parte consistente dei rifiuti elettronici (e-waste) e i rapidi progressi tecnologici e l’elevata domanda dei consumatori ne determinano l’uso crescente nell’elettronica. Secondo un rapporto delle Nazioni Unite, la produzione di rifiuti elettronici sta aumentando cinque volte più velocemente rispetto ai dati ufficiali sul tasso di riciclaggio. Nel 2022, i rifiuti elettronici hanno generato 17 milioni di tonnellate di plastica a livello globale.
Le plastiche monouso sono ampiamente utilizzate anche nella ricerca e nelle applicazioni sanitarie, come la coltura cellulare.
L’acrilonitrile butadiene stirene (ABS) è una plastica comunemente utilizzata negli alloggiamenti di dispositivi elettronici come tastiere e computer portatili. Il reimpiego di materie plastiche come l’ABS per applicazioni biomediche di alto valore potrebbe essere una strategia interessante per ridurre efficacemente i rifiuti di plastica.
Gli scienziati dell’NTU hanno sviluppato una matrice sintetica per la coltura delle cellule utilizzando ABS proveniente da tastiere dismesse. La matrice è porosa come una spugna e funziona come una struttura di supporto, fornendo un telaio alle cellule per attaccarsi e crescere.
La matrice realizzata con plastica elettronica riciclata. Crediti: NTU Singapore.
La matrice può coltivare ammassi sferici di cellule, chiamati sferoidi tumorali, che assomigliano a tumori veri e propri. Grazie alla loro forma tridimensionale, questi “mini tumori” rappresentano più accuratamente i tumori rispetto alle colture cellulari convenzionali.
Per fabbricare la matrice, gli scienziati hanno sciolto i frammenti di plastica delle tastiere dismesse in un solvente organico, l’acetone, e hanno versato la soluzione in uno stampo. La matrice ha supportato la crescita di sferoidi di cancro al seno, al colon-retto e alle ossa. Gli sferoidi tumorali avevano proprietà simili a quelli cresciuti con le matrici disponibili in commercio e possono essere utilizzati per applicazioni biomediche come i test sui farmaci.
Sferoide tumorale (verde) che cresce nella matrice. Credito: NTU Singapore.
“La nostra innovazione non solo offre un mezzo pratico per riutilizzare la plastica dei rifiuti elettronici, ma potrebbe anche ridurre l’uso di nuove plastiche nell’industria biomedica”, ha dichiarato il Prof. Dalton Tay della Scuola di Scienza dei Materiali e Ingegneria dell’NTU, che ha guidato la ricerca.
La ricerca è stata riportata in Resources, Conservation & Recycling nel 2024.
Convertire i rifiuti di plastica difficili da riciclare in additivi di idrogeno e carbonio per schiume polimeriche
Mentre alcuni tipi di plastica possono essere riutilizzati in nuovi prodotti, non è altrettanto facile riciclare altri tipi di plastica. La plastica domestica, i rifiuti di imballaggio e i rifiuti marini di plastica recuperati dall’ambiente sono tutti esempi di rifiuti di plastica difficili da riciclare. Il trattamento delle plastiche miste e contaminate presenta inoltre limitati vantaggi economici.
I ricercatori dell’NTU hanno sperimentato l’utilizzo di materie plastiche difficili da riciclare come fonte di materiale solido di carbonio da applicare alle schiume polimeriche. I ricercatori hanno innanzitutto ottenuto gas e olio riscaldando diversi tipi di rifiuti plastici ad alte temperature (600 gradi Celsius) in assenza di ossigeno. Poi il gas e l’olio sono stati riscaldati a oltre 1000 gradi Celsius per scomporre le molecole in carbonio solido e idrogeno. Il carbonio solido può essere aggiunto alla schiuma polimerica per aumentarne la forza e la resistenza all’abrasione per applicazioni di ammortizzazione. La schiuma contenente il carbonio solido sintetizzato derivato dai rifiuti plastici ha mostrato proprietà paragonabili a quelle di altri materiali di rinforzo convenzionali e a base di carbonio disponibili sul mercato. Allo stesso tempo, l’idrogeno prodotto potrebbe essere raccolto e utilizzato come carburante.
Pubblicata nel 2024 sul Journal of Hazardous Materials, la ricerca rappresenta una pietra miliare per trovare un uso per i rifiuti di plastica che in precedenza non potevano essere riciclati.
“Abbiamo sviluppato un approccio fattibile per riutilizzare le plastiche difficili da riciclare, un aspetto importante dell’economia circolare”, ha dichiarato il ricercatore principale, il Prof. Grzegorz Lisak della Scuola di Ingegneria Civile e Ambientale dell’NTU.
Un modo brillante per scomporre la plastica in componenti di valore
Sebbene la plastica possa essere scomposta riscaldandola ad alte temperature, questi processi sono ad alta intensità energetica e generano gas a effetto serra, contribuendo al riscaldamento globale. Per rispondere alla necessità di metodi più ecologici di scomposizione della plastica, gli scienziati dell’NTU hanno sviluppato un processo in grado di riciclare la maggior parte delle materie plastiche in composti chimici utili per l’accumulo di energia. La reazione utilizza diodi a emissione luminosa (LED) e un catalizzatore disponibile in commercio e ha luogo a temperatura ambiente. È in grado di scomporre un’ampia gamma di materie plastiche, tra cui polipropilene, polietilene e polistirene, tutte comunemente utilizzate negli imballaggi e gettate come rifiuti plastici.
Rispetto ai metodi tradizionali di riciclaggio della plastica, il processo richiede molta meno energia. Per prima cosa, la plastica viene sciolta in un solvente organico chiamato diclorometano, che rende le catene polimeriche della plastica più accessibili al fotocatalizzatore. La soluzione viene quindi mescolata con il catalizzatore e fatta fluire attraverso tubi trasparenti sui quali viene fatta brillare la luce dei LED
Set-up sperimentale in cui la plastica disciolta e la soluzione di catalizzatore di vanadio vengono esposte alla luce, scomponendo la plastica in composti utili. Crediti: NTU Singapore.
La luce fornisce l’energia iniziale per rompere i legami carbonio-carbonio in un processo a due fasi con l’aiuto del catalizzatore di vanadio. I legami carbonio-idrogeno della plastica vengono ossidati, il che li rende meno stabili e più reattivi. Successivamente, vengono spezzati i legami carbonio-carbonio. I prodotti finali che ne derivano sono composti come l’acido formico e l’acido benzoico, che possono essere utilizzati per produrre altre sostanze chimiche impiegate nelle celle a combustibile e i vettori organici liquidi di idrogeno (LOHC) – composti organici che possono assorbire e rilasciare idrogeno attraverso reazioni chimiche. I LOHC sono oggetto di studio da parte del settore energetico come mezzo di stoccaggio dell’idrogeno.
Secondo il Prof. Soo Han Sen della Scuola di Chimica, Ingegneria Chimica e Biotecnologia dell’NTU, che ha guidato lo studio, la scoperta non solo fornisce una potenziale risposta al crescente problema dei rifiuti plastici, ma riutilizza anche il carbonio intrappolato in queste materie plastiche invece di rilasciarlo nell’atmosfera come gas serra attraverso l’incenerimento.
Il metodo è stato pubblicato sulla rivista Chem nel 2023.
Riferimenti:
Dr DAPHNE NG
Science Communication Lead, Corporate Communications Office
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