İklim Değişikliğini Yavaşlatmak İçin CO2’den Geri Dönüştürülebilir Plastikler Nasıl Yapılır?
Bilim insanları plastik türevli olan giysi, şilte, ayakkabı ve daha fazlasını geri dönüştürülebilir yapmak için sera gazını manipüle ediyor.
Sabah oldu ve kısmen sera gazından yapılmış rahat bir köpük şilte üzerinde uyanıyorsunuz. Fabrika emisyonlarından alınan karbondioksit içeren bir tişört ve spor ayakkabı giyiyorsunuz. İyi bir koşudan sonra, bir bardak kahve için durur ve zararsız organik malzemelere tamamen biyolojik olarak parçalanacağından emin olarak plastik bardağı suçsuzca çöpe atarsınız. Evde, birçok yaşam sürmüş bir şişeden şampuan sıkarsınız, sonra baca gazı emisyonlarından yapılmış bir elbiseye girersiniz. Sabah rutininizin Dünya’nın atmosferini ufacık bir karbon temizleyicisi yaptığını bilerek gülümseyerek işe başlıyorsunuz.
Rüya gibi mi geliyor? Bu ürünler zaten dünya çapında satılmaktadır. Ve diğerleri geliştiriliyor. Bunlar, atmosfere CO2 ve diğer ısı tutucu gazlar gönderen yüzyıllardır süren insan faaliyetinin neden olduğu hasarı azaltmak için akademi ve endüstri tarafından artan bir çabanın parçasıdır.
Eyleme geçme ihtiyacı son derece acildir. Birleşmiş Milletler Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli veya IPCC, 2022 raporunda, yükselen sıcaklıkların zaten gezegende geri dönüşü olmayan hasarlara yol açtığını ve insan ölümlerini ve hastalıkları artırdığını belirtti. Bu arada, yayılan CO2 miktarı artmaya devam ediyor. ABD Enerji Bilgi İdaresi geçen yıl, mevcut politika ve büyüme trendleri devam ederse, yıllık küresel CO2 emisyonlarının 2020’de yaklaşık 34 milyar metrik tondan 2050’ye kadar yaklaşık 43 milyar tona çıkabileceğini tahmin etmişti.
Karbon yakalama ve depolama veya CCS, iklim değişikliğini hafifletmek için IPCC tarafından uzun süredir “önemli” potansiyele sahip olarak belirtilen bir stratejidir. 1970’lerden beri var olan bir teknoloji olan CCS, CO2’yi bacalardan veya ortam havasından hapseder ve kalıcı tecrit için yeraltına pompalar. Global CCS Enstitüsü’ne göre, bugün dünya çapında 27 CCS tesisi faaliyet gösteriyor 12’si Amerika Birleşik Devletleri’nde yılda yaklaşık 36 milyon ton karbon depoluyor. 2021 Altyapı Yatırım ve İş Yasası, dört ek ABD doğrudan yakalama tesisi için 3,5 milyar dolarlık finansman içeriyor.
Ancak sadece depolamak yerine, yakalanan karbon bir şeyler yapmak için kullanılabilir. Bu yıl ilk kez IPCC, atmosferik karbonu azaltmak için seçenekler listesine karbon yakalama ve kullanımını veya CCU’yu ekledi. CCU, CO2’yi yakalar ve bunu çimento, jet yakıtı gibi karbon içeren ürünlere ve plastik yapımında kullanılan hammaddelere dahil eder. IPCC tahminlerine göre, geliştirme ve ticarileştirmenin henüz erken aşamalarında olan CCU, 2050’de yıllık sera gazı emisyonlarını 20 milyar ton azaltabilir bugün dünyanın küresel emisyonlarının yarısından fazlası.
İngiltere’deki Sheffield Üniversitesi’nden kimyager ve küresel CCU uzmanı Peter Styring, böyle bir tanınmanın, daha köklü kuzeni CCS’nin gölgesinden çıkmak için mücadele eden bir hareket için büyük bir zafer olduğunu söylüyor. CCU ile ilgili birçok şirket ortaya çıkıyor ve birbirleriyle ve dünyanın dört bir yanındaki hükümetlerle iş birliği yapıyor, diye ekliyor.
Makine mühendisi Volker Sick, Nisan ayında Brüksel’de bir CCU konferansında yaptığı açıklamada, CCU’nun potansiyelinin hem hacmi hem de parasal potansiyeli açısından “muazzam” olduğunu söyledi. Ann Arbor’daki Michigan Üniversitesi’nden Sick, CCU’yu ana akım bir iklim çözümü olarak destekleyen Küresel CO2 Girişimi’ni yönetiyor. “Yapması güzel ama iğneyi hareket ettirmeyen bir şeyden bahsetmiyoruz” diye ekledi. “İğneyi birçok yönden hareket ettiriyor.”
Plastik İçinde Yıkayın
Plastikler fosil yakıtlardan yapılıyor ve üretimleri artıyor. Araştırmacılar, plastik yapmak için zaten yerin üstünde olan karbonu kullanarak işleri farklı bir şekilde yapmayı umuyorlar.
Plastik üretiminde küresel büyüme, 1980-2050
Plastik Paradoksu
Ürünlerde karbondioksit kullanımı yeni değil. CO2 soda yapmak, gıdaları donmuş halde tutmak (kuru buz olarak) ve amonyağı gübre için üreye dönüştürmek için kullanılır. Yeni olan, iklim değişikliğini yavaşlatmak için bir strateji olarak CO2 içeren ürünler üretmeye odaklanılmasıdır. Boston merkezli bir pazar araştırma firması olan Lux Research’e göre, bugünün 2 milyar dolar olduğu tahmin edilen CCU pazarı, 2040 yılına kadar 550 milyar dolara yükselebilir. Bu pazarın çoğu, özelliklerini iyileştirebilen ve atmosferik karbonu azaltabilen çimentoya ve endüstrinin büyük karbon ayak izini azaltabilen jet yakıtına CO2 eklenmesiyle yönlendiriliyor. CO2’den plastiğe bugün niş bir pazar, ancak bu alan aynı anda iki krizle savaşmayı hedefliyor: iklim değişikliği ve plastik kirliliği.
Plastikler, eski organizmaların kalıntılarının oluşturduğu bir hidrokarbon karışımı olan fosil yakıtlardan yapılır. Çoğu plastik, ham petrolün rafine edilmesiyle üretilir ve daha sonra çatlama adı verilen bir işlemle daha küçük moleküllere ayrılır. Monomerler olarak bilinen bu daha küçük moleküller, polimerlerin yapı taşlarıdır. Etilen, propilen, stiren ve diğerleri gibi monomerler, polietilen (deterjan şişeleri, oyuncaklar, sert borular), polipropilen (su şişeleri, bagaj, araba parçaları) ve polistiren (plastik çatal bıçak takımı, CD kutuları, strafor) gibi plastikleri oluşturmak üzere birbirine bağlanır.
Ancak fosil yakıtlardan plastik yapmak bir karbon felaketidir. Merkezi Cenevre ve Washington, DC’de bulunan kâr amacı gütmeyen bir hukuk firması olan Uluslararası Çevre Hukuku Merkezi’ne göre, plastik yaşam döngüsündeki her adım çıkarma, nakliye, üretim ve bertaraf çoğunlukla CO2 olmak üzere büyük miktarlarda sera gazı yayar. 2019’da 850 milyon tondan fazla sera gazı küresel iklim hedeflerini tehdit etmek için yeterli.
Ve rakamlar çok daha kötüye gitmek üzere. Paris merkezli hükümetler arası Uluslararası Enerji Ajansı’nın 2018 tarihli bir raporu, plastiklere yönelik küresel talebin 2020’de yaklaşık 400 milyon tondan 2050’ye kadar yaklaşık 600 milyona çıkacağını öngördü. Gelecekteki talebin gelişmekte olan ülkelerde yoğunlaşması ve küresel geri dönüşümü büyük ölçüde geride bırakması bekleniyor.
Plastikler, fosil yakıt kullanımından çöplüklerde ve okyanuslarda birikmelerine kadar çevre için ciddi bir krizdir. Ama biz plastiğe bağımlı bir toplumuz ve bize verdiği her şey; cep telefonları, bilgisayarlar, rahat Crocslar, (Plastik sarılı) pastalar, plastik ambalaj içerisindeki gıdaları alıp yemenin bir yolu var mı?
Evet, Hasta diyor. Önce, petrol kuyularının kapatılmasını savunuyor. Ardından, yerüstü karbonundan plastikler yapın. Bugün, yüzde 20 ila 40’ın üzerinde CO2’den yapılmış ürünler var. Son olarak, kaynak kullanımını azaltan, ürünleri yeniden kullanan ve ardından bunları diğer yeni ürünlere dönüştüren döngüsel bir ekonomi inşa edin diyor.
Sick, “Yer üstü karbon bütçesine katkıda bulunmamak için yalnızca fosil karbonu bir kaynak olarak ortadan kaldırmakla kalmıyor, aynı zamanda bu süreçte plastikleri nasıl ürettiğimizi de yeniden düşünebiliriz ” diyor. Özellikle “değiştirilmeleri gerekmeyecek şekilde çok, çok uzun yaşamak üzere” tasarlanmalarını öneriyor.
Ancak ince havadan plastik yaratmak kolay değil. CO2’nin atmosferden veya bacalardan, örneğin özel ekipman kullanılarak çıkarılması gerekir. Genellikle sıvı forma sıkıştırılması ve genellikle boru hatları yoluyla taşınması gerekir. Son olarak, havadaki karbon miktarını azaltma genel hedefine ulaşmak için, CO2’yi plastiklerin yapı taşlarına dönüştüren kimyasal reaksiyon, mümkün olduğunca az ekstra enerji ile yürütülmelidir. Karbondioksit molekülüyle uğraşırken enerji kullanımını düşük tutmak özel bir zorluktur.
CO 2’nin Anatomisi
Bir karbondioksit molekülündeki karbon (siyah) ve oksijen atomları (kırmızı) arasındaki güçlü çift bağları kırmak için çok fazla enerji gerekir. Enerjiden tasarruf etmek için araştırmacılar kimyasal ve biyo-esinli katalizörlerle deneyler yapıyorlar.
Kırılması Zor Bir Bağ
Karbondioksitin bu kadar güçlü bir sera gazı olmasının bir nedeni var. İnanılmaz derecede kararlıdır ve atmosferde 300 ila 1000 yıl arasında kalabilir. Bu kararlılık, CO2’nin parçalanmasını ve diğer kimyasallara eklenmesini zorlaştırır. Reaksiyon için genellikle çok fazla enerji gerekir.
Minneapolis’teki Minnesota Üniversitesi’nden kimyager Ian Tonks, “Bu, CO2’nin temel enerji sorunudur” diyor. “CO2’yi plastiklere sabitlemek için enerji gereklidir. Bu enerjiyi yaratıcı yollarla bulmaya çalışıyoruz.”
Katalizörler olası bir cevap sunar. Bu maddeler kimyasal reaksiyonun hızını artırabilir ve böylece enerji ihtiyacını azaltabilir. CO2’den plastik alanındaki bilim insanları, on yıldan fazla bir süredir oda sıcaklığına ve basıncına yakın çalışabilen katalizörleri ve yeni bir kimyasal kimlik oluşturmak için CO2’yi koaksiyel olarak araştırdılar. Bu çabalar iki geniş kategoriye ayrılır: kimyasal ve biyolojik dönüşüm.
İlk Denemeler
İlk deneyler, reaksiyonu kolaylaştırmak için epoksitler gibi oldukça reaktif monomerlere CO2 eklemeye odaklandı. Epoksitler, bir oksijen atomu ve iki karbon atomundan oluşan üç üyeli halkalardır. Gerilim altındaki bir yay gibi, kolayca açılabilirler. 2000’li yılların başında, Almanya’daki Aachen Üniversitesi’nden endüstriyel kimyager Christoph Gürtler ve kimyager Walter Leitner, polipropilen oksitin epoksit halkasını kırmalarına ve onu CO2 ile birleştirmelerine izin veren bir çinko katalizörü buldular. Reaksiyonun ardından, CO2, polipropilen molekülüne kalıcı olarak birleştirildi ve artık gaz biçiminde değildi bu, tüm CO2’den plastiğe tepkimeler için doğru olan bir şey. Çalışmaları, ilk ticari CO2’den biriyle sonuçlandı. Ürünler yüzde 20 yakalanan CO2 içeren bir poliüretan köpük. Bugün Gürtler’in çalıştığı Alman şirketi Covestro, şilteler, araba iç mekanları, bina yalıtımı ve spor zemin kaplamalarında yılda 5.000 ton ürün satıyor.
Daha yakın tarihli araştırmalar, CO2 bazlı plastiklerin çeşitliliğini genişletmek için diğer monomerlere odaklandı. Bütadien, giysiler, halılar, yapıştırıcılar ve diğer ürünler için polyester yapmak için kullanılabilen bir hidrokarbon monomeridir.
2020’de Ohio’daki Akron Üniversitesi’nden kimyager James Eagan, bütadien ve CO2’yi Stanford Üniversitesi’nde geliştirilen bir dizi katalizörle karıştırdı. Eagan, karbon negatif olan bir polyester yaratmayı umuyordu, yani CO2 eklemek yerine atmosferden uzaklaştırma konusunda net bir etkiye sahip. Bir şişenin içeriğini analiz ettiğinde, daha da iyi bir şey yarattığını keşfetti: yüksek pH’lı suda organik maddelere dönüşen %29 CO2’den yapılmış bir polyester.
Eagan, “Kimya yemek pişirmek gibidir” diyor. “Çikolata parçaları, un, yumurta, tereyağı alıp karıştırdık ve kurabiye almak yerine fırını açtık ve bir de tepsi bulduk.”
Eagan’ın icadı, makinelerin genellikle ambalajlarda, soda şişesi etiketlerinde ve diğer ürünlerde kullanılan bozunmayan yapıştırıcılardan yapışabildiği geri dönüşüm endüstrisinde hemen uygulamalara sahiptir. Kolayca parçalanan bir yapıştırıcı, geri dönüşüm tesislerinin verimliliğini artırabilir.
Eagan tarafından dost bir rakip olarak tanımlanan Tonks, Eagan’ın patentli sürecini bir adım daha ileri götürdü. Tonks, Eagan’ın ürününü bir reaksiyona daha sokarak, polimeri yeniden kullanılabilir CO2’ye tamamen bozunabilir hale getirdi dairesel bir karbon ekonomisi hedefi. Tonks, bu yıl çeşitli biyolojik olarak parçalanabilen plastikler üretmek için LoopCO2 adlı bir firma kurdu.
Mikrobiyal Yardım
Araştırmacılar ayrıca, karbondioksiti elbise kumaşı da dahil olmak üzere faydalı malzemelere dönüştürmek için mikroorganizmalardan yararlandı. Gezegenin yaşayan en eski mikroorganizmalarından bazıları, Dünya atmosferinin karbondioksit açısından zengin olduğu bir zamanda ortaya çıktı. Asetojenler ve metanojenler olarak bilinen mikroorganizmalar, CO2 ve karbon monoksiti organik moleküllere dönüştürmek için enzim katalizörlerini kullanan basit metabolik yollar geliştirdiler. Atmosferde CO, CO2 oluşturmak için oksijen ile reaksiyona girecektir. Son on yılda araştırmacılar, mikroorganizmaların bu gazları atmosferden uzaklaştırma ve onları faydalı ürünlere dönüştürme potansiyeli üzerinde çalıştılar.
Skokie, Illinois merkezli LanzaTech, CO2 ve CO emisyonlarını etanol dahil çeşitli endüstriyel kimyasallara metabolize etmek için asetojenik bakteri Clostridium autoethanogenum’u kullanır. Geçen yıl, giyim şirketi Zara, LanzaTech’in polyester kumaşını bir dizi elbise için kullanmaya başladı.
Bu ürünleri oluşturmak için kullanılan etanol, LanzaTech’in Çin’deki iki ticari tesisinden geliyor; çelik fabrikalarından kaynaklanan ana emisyon olan atık CO’yu etanole dönüştüren ilk tesis. Etanol, polyester olmak için iki aşamadan daha geçer. LanzaTech, Pekin yakınlarındaki ve kuzey-orta Çin’deki çelik fabrikalarıyla ortaklık kurarak LanzaTech’in mikrop dolu biyoreaktörüne karbon monoksit besledi.
Çelik üretimi, yapılan her bir ton çelik için neredeyse iki ton CO2 yayar. Buna karşılık, bir yaşam döngüsü değerlendirme çalışması, LanzaTech’in etanol üretim sürecinin, fosil yakıtlardan yapılan etanol ile karşılaştırıldığında sera gazı emisyonlarını yaklaşık %80 oranında azalttığını buldu.
Şubat ayında, LanzaTech, Northwestern Üniversitesi, Evanston, Illinois ve diğerleri Nature Biotechnology’de , diğer iki fosil yakıt bazlı endüstriyel kimyasal olan aseton ve izopropanol üretmek için Clostridium bakterisini genetik olarak değiştirdiklerini bildirdiler. Şirket CEO’su Jennifer Holmgren, tek atık ürünün kompost veya hayvan yemi olarak kullanılabilen ölü bakteriler olduğunu söylüyor.
Diğer araştırmacılar canlı mikroorganizmaları atlıyor ve sadece onların katalizörlerini kullanıyorlar. On yıldan fazla bir süre önce, Piscataway, NJ’deki Rutgers Üniversitesi’nden kimyager Charles Dismukes, atmosferik karbonu kullanmanın bir yolu olarak asetojenleri ve metanojenleri araştırmaya başladı. Genellikle enerji gerektiren bir reaksiyon olan CO2’den karbon yapı taşları yaparken enerji salma yetenekleri ilgisini çekti. O ve ekibi, enerji açığa çıkaran karbon reaksiyonundan sorumlu olan bakterinin nikel fosfit katalizörlerine odaklandı.
Dismukes ve meslektaşları, yalnızca CO2, su ve elektrik kullanarak oda sıcaklığında ve basıncında monomerler yapabilen altı elektrokatalizör geliştirdiler. Nikel fosfit katalizörlerinin enerji salma yolu, şu anda teknik direktör olan Dismukes’in eski bir öğrencisi olan Karin Calvinho, “reaksiyonu çalıştırmak için gereken voltajı düşürür, bu da sürecin enerji tüketimini düşürür ve karbon ayak izini iyileştirir” diyor. RenewCO2’de yeni kurulan Dismukes ekibi 2018’de kuruldu.
Renew CO2, monoetilen glikol de dahil olmak üzere monomerlerini karbon ayak izlerini azaltmak isteyen şirketlere satmayı planlıyor. Grup, laboratuvara getirilen CO2’yi kullanarak konsept çalışmalarını kanıtladı. Gelecekte şirket, biyokütleden, endüstriyel emisyonlardan veya doğrudan hava yakalamadan CO2 elde etmeyi planlıyor.
Bakteri İşi
LanzaTech, karbondioksiti etanole ve plastikler ve diğer ürünler için diğer yapı taşlarına dönüştürmek için bakterileri genetik olarak değiştirir. Renew CO2, aynı şeyi yapmak için bakterilerden ilham alan nikel bazlı katalizörler kullanır yeni şeyler yapmak için çok az enerji kullanarak CO2’yi parçalayın.
Biyolojik dönüşüm ile karbon yakalama:
Değişimin Önündeki Engeller
Yine de araştırmacılar ve şirketler, karbon yakalama ve yeniden kullanımı ölçeklendirmede zorluklarla karşı karşıya. CCU’nun varlığından önce yazılan yönetmeliklerin dilinde bazı engeller gizlenmektedir. Bir örnek, ABD Çevre Koruma Ajansı’nın biyoyakıt üreten şirketlere vergi kredisi sağlama programıdır. Program, mısır ve şeker kamışı gibi bitki bazlı yakıtlara yöneliktir. LanzaTech’in jet yakıtı yapma yaklaşımı krediye uygun değil çünkü bakteriler bitki değil.
Diğer engeller daha temeldir. Styring, 2021’de dünya çapında 440 milyar doları aşan uzun süredir devam eden fosil yakıt sübvansiyonları uygulamasına işaret ediyor. Uluslararası Enerji Ajansı’na göre, petrol ve gaz endüstrisine verilen küresel hükümet sübvansiyonları fosil yakıt fiyatlarını yapay olarak düşük tutarak yenilenebilir enerji kaynaklarının rekabet etmesini zorlaştırıyor. Styring, bu sübvansiyonları yenilenebilir kaynaklara kaydırmayı savunuyor.
“Karbonu geri dönüştürdüğümüz ve döngüsel bir ekonomi yarattığımız ilkesi üzerinde çalışmaya çalışıyoruz” diyor. “Ancak mevcut mevzuat, doğrusal bir ekonomiyi sürdürmek için kuruldu.”
Dünyayı karbon temizleyici yapan mutlu sabah rutini teorik olarak mümkündür. Henüz dünyanın işleyişi böyle değil. Yer üstündeki karbon miktarının sınırlı olduğu ve hiç bitmeyen bir kullanım ve yeniden kullanım döngüsünde kontrol edildiği bu döngüsel ekonomiye ulaşmak, birden fazla cephede değişiklik gerektirecektir. Hükümet politikası ve yatırımı, kurumsal uygulamalar, teknolojik gelişme ve insan davranışının gezegenin çıkarları doğrultusunda mükemmel ve hızlı bir şekilde hizalanması gerekecektir.
Bu arada araştırmacılar karbondioksit molekülü üzerinde çalışmalarını sürdürüyor.
Akron’daki kimyager Eagan, “En kötü senaryoyu planlamaya çalışıyorum” diyor. “Emisyonları azaltmak için hiçbir zaman mevzuat mevcut değilse, kapitalist sistemimizde yenilenebilir ve sorumlu bir şekilde değer üretmek için nasıl çalışırız? Günün sonunda yeni kimyaya ihtiyacımız olacak.”
Karbon Matematiği Yapmak
Şirketler karbon ayak izlerini azaltmaya çalışırken, birçoğu ürünlerinin tam karbon maliyetini ölçmek için yaşam döngüsü değerlendirmeleri yapıyor.
Yazan: İlknur YEŞİLYURT
Referanslar
R. Rapagnani, et al. CO2 ve bütadienden ayarlanabilir ve geri dönüştürülebilir polyesterler. Doğa Kimyası Vol. 14 Ağustos 2022, s. 877.
L. Espinosa, et al. Karbon Dioksit ve Bütadien’den Parçalanabilir Polimer Yapılar. ACS Makro Harfleri. Cilt 10, 3 Ekim 2021, s. 1254.
K. Calvinho, et al. 10 mV kadar düşük aşırı potansiyellerde nikel fosfitler üzerinde C3 ve C4 oksihidrokarbonlara seçici CO2 indirgemesi. Enerji ve Çevre Bilimi. Cilt 11, 2018, s. 2550.
F. Liew, et al. Seçici alkol üretimi için Clostridium autoethanogenum’un metabolik mühendisliği. Metabolic Engineerin g. Cilt 40, Mart 2017, s. 104.
J. Langanke, et al. Poliüretan üretimi için sürdürülebilir hammadde olarak karbondioksit (CO2). Green Chemistry , Sayı 16 (4), Mart 2014, s. 1865.
Ann Leslie Davis. How to make recyclable plastics from CO2 to slow climate change? Science News, 9 Eylül 2022.
Bir yanıt bırakın