化学者たちはプラスチックを埋め立て地に流さないためにリサイクルを再考している

この材料は有用な新製品にリサイクルすることが非常に難しいため、多くのプラスチックが埋め立て地に送られています。

アブドゥル・ラヒーム・モハメド/EyeEm/ゲッティイメージズ

マリア・テミング著

2021年1月27日午前10時19分

リサイクルすると気持ちいいですね。ソーダボトル、ビニール袋、ヨーグルトカップを残りのゴミから律儀に分別すると、ある種の達成感が得られます。青いゴミ箱に多くのプラスチックを入れれば入れるほど、埋め立て地や海から遠ざけることができますよね?

間違っている。プラスチックの洗浄と分別をどれほど注意深く行っていても、ほとんどのプラスチックは最終的にゴミの山に捨てられます。

柔軟な食品パッケージを利用しましょう。これらのフィルムには、さまざまなプラスチックの層がいくつか含まれています。各プラスチックは個別にリサイクルする必要があるため、これらのフィルムはリサイクルできません。食料品の袋やシュリンクラップは薄すぎるため、ベルトコンベア上で他の素材と絡まりやすくなります。ヨーグルトカップやその他のアイテムに使用されているポリプロピレンも、通常はリサイクルされません。ごちゃ混ぜのポリプロピレンをリサイクルすると、黒く臭いプラスチックが生成され、使用するメーカーはほとんどありません。

米国で一般的にリサイクルされるプラスチックは 2 種類のみです。1 つはプラスチックのソーダボトル、ポリエチレンテレフタレート、または PET です。そして、ミルクジャグや洗剤の容器に使われているプラスチック、つまり高密度ポリエチレン（HDPE）です。これらのプラスチックを合わせても、世界のプラスチックゴミの約4分の1しか占めていない、と研究者らは2017年にScience Advancesで報告した。そして、それらのプラスチックがリサイクルされても、あまり良いことはありません。プラスチックを溶かしてリサイクルすると粘稠度が変化するため、頑丈な最終製品を作るにはボトルの PET を新しいプラスチックと混合する必要があります。多色の HDPE ピースを混ぜてリサイクルすると、公園のベンチやゴミ箱など、色などの特性があまり重要ではない製品の製造にのみ適した濃い色のプラスチックが作成されます。

ピッツバーグ大学の化学エンジニア、エリック・ベックマン氏は、プラスチックをメーカーが使いたいものにリサイクルするのが難しいことが、世界にこれほど多くのプラスチック廃棄物が散乱している大きな理由だと語る。米国環境保護庁によると、2018年だけで米国は2,700万トンのプラスチックを埋め立て、リサイクルしたのはわずか300万トンだった。リサイクル率の低さは米国だけの問題ではありません。世界中で廃棄されているプラスチック63億トンのうち、リサイクルされているのはわずか約9パーセントです。さらに 12 パーセントが焼失し、ほぼ 80 パーセントが土地または水路に堆積しました。

米国でリサイクルされるプラスチックの量は過去数十年間で増加しましたが、そのレベルは埋め立て地に送られるプラスチックの量に比べればまだ微々たるものです。

エベレストの頂上からマリアナ海溝の底まで至る所にプラスチックが集まっているため、捨てられるプラスチックの量を減らすことが急務となっている(SN: 1/16/21、p. 5)。プラスチックを生分解性材料に置き換えることを提案する人もいますが、それらの代替品は一般にプラスチックほど強度が高くなく、製造コストも安価ではありません (SN: 6/22/19、p. 18)。現実的には、プラスチックがすぐになくなるわけではないため、この厄介なプラスチックを隅々まで理解している化学者たちは、リサイクルを容易にし、より多くの用途に役立つ高品質の材料に変えるために取り組んでいます。

「単一の技術が答えになるということはありません」と、新しいリサイクル技術の研究に資金を提供しているニューヨーク州ウェストヘンリエッタのREMADE研究所のシニアプロジェクトマネージャー、エド・ダニエルズは言う。一部のプロジェクトは業界に参入しようとしています。他のものはまだ有望な実験室での実験にすぎません。しかし、誰もがリサイクル箱に行き着いたプラスチックが新しい製品として第二、第三の人生を歩むことができる未来を設計することに焦点を当てています。

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プラスチックのリサイクルにおける最大のボトルネックの 1 つは、すべての材料を個別に処理する必要があることです。「ほとんどのプラスチックは油と水のようなものです」とコーネル大学の化学者ジェフリー・コーツは言う。ただ混ざりません。たとえば、ポリエチレン製の洗剤入れとそのポリプロピレン製キャップを考えてみましょう。「これらを溶かして、私がそれからボトルを作り、それを絞ると、基本的に側面が割れてしまいます」とコーツ氏は言う。「めちゃくちゃ脆い。まったく価値がない。」

そのため、プラスチックリサイクル可能物の最初の目的地は、人と機械が分別を行う材料回収施設となります。分離されたプラスチックは洗浄、細断、溶解、再成形されます。このシステムは、ソーダボトルやミルクジャグなどの単純なアイテムに適しています。しかし、デオドラント容器のようなアイテムはそうではなく、ボトル、クランク、キャップがすべて異なる種類のプラスチックで作られている可能性があります。さまざまなプラスチックの層が複数層含まれている食品包装フィルムは、分解するのが特に困難です。毎年、これらの多層フィルムが世界中で 1 億トン生産されています。ウィスコンシン大学マディソン校の化学技術者ジョージ・フーバー氏によると、これらのプラスチックは廃棄されると埋め立て地に送られるという。

この問題に取り組むために、Huber らはプラスチックの複雑な混合物に対処する戦略を考案しました。このプロセスでは、一連の液体溶剤を使用して、製品から個々のプラスチック成分を溶解します。重要なのは、一度に 1 種類のプラスチックのみを溶解する適切な溶剤を選択することだと、フーバー氏は言います。

研究チームは、ポリエチレンとPETを含む包装フィルムと、食品の鮮度を保つエチレンビニルアルコール（EVOH）製のプラスチック酸素バリアでこの技術をテストした。

フィルムをトルエン溶媒中で撹拌すると、まずポリエチレン層が溶解した。残ったEVOH-PETフィルムをDMSOと呼ばれる溶剤に浸すとEVOHが剥がれました。その後、研究者らは残りの PET フィルムを引き抜き、「貧溶媒」化学物質を混合することで別の溶媒から他の 2 つのプラスチックを回収しました。これらの化学物質により、液体中に分散していたプラスチック分子が固まって固体の塊となり、取り出すことができました。

このプロセスにより、元のフィルムから実質的にすべてのプラスチックが回収されたと、研究者らは昨年11月の『Science Advance』誌で報告した。ポリエチレン、PET、EVOH ビーズを混ぜ合わせてテストしたところ、溶剤洗浄により各材料の 95 パーセント以上が回収されました。これは、これらの溶剤が包装フィルムよりもかさばる品目からプラスチック部品を剥がすのに使用できることを示唆しています。したがって、理論的には、回収施設はこの技術を使用して、マルチプラスチック消臭剤容器やさまざまな形状やサイズのその他の製品を分解することができます。

Huberらは次に、発泡スチロール中のポリスチレンなど、より多くの種類のプラスチックを溶解する溶剤を探す計画を立てている。しかし、この戦略を現実世界のリサイクル可能なプラスチックの複雑な組み合わせすべてを効率的に分類するには、さらに多くの作業が必要です。

多くのプラスチック製品には、リサイクルを象徴する三角形の中に数字が記載されています。しかし、米国で広くリサイクルされているのは、1 (ポリエチレンテレフタレート) または 2 (高密度ポリエチレン) のプラスチックだけです。残りは通常、埋め立て地に送られます。

ペット水とソフトドリンクのボトル、サラダドーム、クッキートレイ、サラダドレッシング、ピーナッツバターの容器

HDPE牛乳とジュースのボトル、フリーザーバッグ、シャンプーと洗剤のボトル

PVC化粧品容器、市販のラップ

LDPEスクイーズボトル、ラップ、ゴミ袋

PP電子レンジ皿、アイスクリーム容器、ヨーグルト容器、洗剤ボトルキャップ

PSCDケース、プラスチック使い捨てカップ、プラスチックカトラリー、ビデオケース

EPS発泡ポリスチレン製ホットドリンクカップ、持ち帰り用食品トレイ、壊れやすい品物用の保護パッケージ

他のウォータークーラーボトル、フレキシブルフィルム、マルチマテリアルパッケージ

多層フィルムやその他のプラスチック混合物をそのままリサイクルできる化学的ショートカットもあるかもしれません。相溶化剤と呼ばれる添加剤は、溶けたさまざまなプラスチックの混合を助け、分別されていない材料を 1 つとして扱うことができます。しかし、あらゆる種類のプラスチックを混合できる万能の相溶化剤は存在しません。また、既存の相溶化剤はあまり強力ではないため、広く使用されていません。また、プラスチック混合物に多量の相溶化剤を添加すると高価になります。

生存率を高めるために、コーツらはポリエチレンとポリプロピレン用の非常に強力な相溶化剤を開発した。これら 2 つのプラスチックを合わせると、世界のプラスチックの半分以上を占めます。新しい相溶化剤分子には、ポリプロピレンの 2 つのセグメントが点在する 2 つのポリエチレンのセグメントが含まれています。これらの交互のセグメントは、混合物中の同じ種類のプラスチック分子に引っ掛かり、ポリエチレンとポリプロピレンを結び付けます。あたかもポリエチレンがレゴで作られ、ポリプロピレンがデュプロで作られているかのようで、研究者たちは両方のタイプのブロックに適合するコネクタを備えた特別な積み木を作りました。

コーツらは、相溶化剤分子ごとに 1 つではなく 2 つのポリエチレンと 2 つのポリプロピレンのコネクタを持つことで、この相溶化剤が以前のバージョンよりも強力になったと、2017 年に Science 誌で報告しました。新しい相溶化剤の最初のテストには、ポリエチレンとポリプロピレンのストリップを溶接することが含まれていました。通常、2 つの素材は簡単に剥がれてしまいます。しかし、間に相溶化剤の層があるため、引き離すと相溶化剤のシールではなく、プラスチックのストリップが壊れてしまいました。

2番目のテストでは、研究者らはポリエチレンとポリプロピレンの溶融ブレンドに相溶化剤を混合しました。たった 1% の相溶化剤を使用するだけで、丈夫な新しいプラスチックが作成されました。

「これらは非常に強力な添加剤です」とコーツ氏は言う。これら 2 つのプラスチックを結合させるには、他の相溶化剤を最大 10% の濃度で添加する必要がありました。この新しい相溶化剤は現在、ニューヨーク州イサカに拠点を置くコーツ社の新興企業、インターミックスパフォーマンスマテリアルズの基盤となっています。

たとえすべてのプラスチックゴミが簡単にリサイクルできたとしても、それでも世界のプラスチック問題は解決しないでしょう。現在のリサイクルの仕組みには、リサイクル材料の利用を大きく制限する大きな問題がいくつかあります。

まず、再生プラスチックは、元のプラスチックに独特の外観と感触を与えていた染料、難燃剤、その他の添加剤をすべて継承しています。カリフォルニア大学サンタバーバラ校の化学者スザンナ・スコット氏は、「こうしたすべての最後に実際に回収されるプラスチックは、実際には非常に複雑な混合物である」と語る。ランダムな特性を組み合わせたプラスチックを使用して、何か新しいものを作ることができるメーカーはほとんどありません。

さらに、リサイクルによりプラスチック分子の化学結合の一部が切断され、材料の強度と一貫性に影響が生じます。プラスチックを溶かして再成形することは、電子レンジでピザを再加熱するようなものです。基本的には、入れたものをそのまま取り出しますが、それほど美味しくはありません。そのため、プラスチックが埋め立てられるまでにリサイクルできる回数が制限されます。

両方の問題の解決策は、ケミカルリサイクルと呼ばれる新しい種類のリサイクルプロセスにある可能性があります。このプロセスでは、純粋な新しいプラスチックを無限に作ることができます。ケミカルリサイクルではプラスチックを分子レベルで分解します。

プラスチックを構成する分子はポリマーと呼ばれ、より小さなモノマーから構成されています。熱と化学薬品を使用すると、ポリマーをモノマーに分解し、それらの構成要素を染料やその他の汚染物質から分離し、モノマーをつなぎ合わせて新品同様のプラスチックに戻すことができます。

ピッツバーグ大学のベックマン氏は、「ケミカルリサイクルが本格的に力として台頭し始めたのは、おそらくここ3、4年のうちだろう」と語る。しかし、ほとんどのケミカルリサイクル技術は、商業利用するには高価すぎるか、エネルギーを大量に消費します。「ゴールデンタイムにはまだ間に合いません」と彼は言う。

プラスチックが異なれば、必要な化学リサイクルプロセスも異なり、一部のプラスチックは他のプラスチックよりも簡単に分解されます。「最も進んでいるのはPETです」とベックマン氏は言う。「そのポリマーはたまたま分解しやすいんです。」フランスのCarbios社など、いくつかの企業がPETを化学的にリサイクルする方法を開発している。

カルビオスは、PET を分解するために微生物によって生成される酵素をテストしています。同社の研究者らは、昨年4月にNature誌でそのような酵素の1つに関する研究について説明した。微生物は通常、葉枝堆肥クチナーゼと呼ばれる酵素を使用して、植物の葉のワックス状のコーティングを分解します。しかし、クチナーゼは、PET をそのモノマーであるエチレングリコールとテレフタル酸に分解することにも優れています。

微生物によって自然に生成される酵素は、ポリエチレンテレフタレート、つまり PET (青線) の約 50 パーセントを分解しました。この酵素を微調整すると、プラスチックの 80% 以上が分解されました (黒い点線)。酵素の量を PET 1 グラムあたり 1 ミリグラムから 3 ミリグラムに増やすと、酵素の効率がさらに向上し、PET の約 90 パーセントが分解されました。

「酵素は分子ハサミのようなものです」とカルビオスの最高科学責任者であるアラン・マーティ氏は言う。しかし、プラスチックではなく植物を分解するように進化したため、完璧ではありません。酵素が PET をより効果的に切断できるようにするために、「酵素の活性部位と呼ばれるものを再設計しました」とマーティ氏は言います。これには、PET ドッキング部位にあるアミノ酸の一部を他のアミノ酸と交換することが含まれていました。

研究者らがペットボトルの着色プラスチックフレークに変異型酵素をテストしたところ、PET1グラム当たり酵素3ミリグラムを塗布したところ、プラスチックの約90パーセントが約10時間で分解された。元の酵素は約 50 パーセントで最大値に達していました。そのプロセスで生成されたテレフタル酸モノマーを使用して、研究者らは元のボトルと同じくらい強度のある新しいプラスチックボトルを作成しました。

カルビオスは現在、フランスのリヨン近郊に工場を建設中で、今年後半にPETの化学リサイクルを開始する予定だ。

しかし、ポリエチレンやポリプロピレンなどの他のプラスチックは、ケミカルリサイクルによって分解するのがはるかに困難です。たとえば、ポリエチレンの分子を分解するには、摂氏 400 度を超える温度が必要です。このような高温では、化学は混乱します。プラスチック分子はランダムに分解し、燃料として燃焼できるものの、新しい材料の製造には使用できない複雑な化合物の混合物を生成します。

カリフォルニア大学サンタバーバラ校の化学者であるスコットは、より穏やかな条件下で、より制御された方法でこれらの頑丈なプラスチックを部分的に分解して、他の種類の有用な分子を作ることを提案しています。彼女と同僚は最近、ポリエチレンをアルキル芳香族化合物に変換する方法を思いつきました。アルキル芳香族化合物は、シャンプー、洗剤、その他の製品の生分解性成分として使用できます。このプロセスでは、白金ナノ粒子を含む触媒粉末とともに、280℃に設定された反応チャンバー内にポリエチレンを配置します。

ポリエチレンは長い分子であり、水素原子が炭素主鎖に結合しており、その長さは炭素原子数千にも及ぶ場合があります。スコット氏によると、プラチナは炭素と水素の結合を切断するのが得意だという。「これを行うと、反応器内で水素が生成され、白金触媒はその水素を利用して（分子骨格内の）炭素-炭素結合を破壊することができます。つまり、実際に鎖を細かく切り刻んでしまうのです。」

この反応は 280℃ という比較的穏やかな温度で起こるため、規則正しく起こり、長いポリエチレン分子が炭素数約 30 の短い鎖に切断されます。これらのフラグメントは、アルキル芳香族化合物に特徴的な六角形の環構造に配置されます。

反応室内で 24 時間経過すると、「生成物のほとんどは液体になり、液体のほとんどはアルキル芳香族になります」とスコット氏は言います。実験では、低密度ポリエチレン袋内のプラスチックの約 69 パーセントが液体に変換されました。高密度ポリエチレンのボトルキャップの約55パーセントが変形した。このプロセスでは炭化水素ガスも生成され、リサイクル工場で反応を実行するための熱の生成に使用できる可能性があるとスコット氏は言う。

今のところ、これは単なる実験室でのデモであり、多くの新しいリサイクル戦略と同様に、商業化まではまだ遠いです。そして、リサイクルパイプラインを一度アップグレードしただけでは、増え続けるプラスチックゴミの山を世界から取り除くことはできません。「この課題に対処するには一連のテクノロジーが必要になります」と REMADE Institute のダニエルズ氏は言います。しかし、プラスチックをリサイクルしやすくすることに焦点を当てているのか、プラスチックをより有用な材料に変換することに焦点を当てているのかにかかわらず、新しいテクノロジーはそれぞれ役立つ可能性があります。

現在製造されているプラスチックは、複数回使用できるように設計されていません。プラスチックを、特に新品同様の素材にリサイクルすることが非常に難しいのはそのためです。しかし、研究者たちは振り出しに戻って、「次世代の材料はどのようなものなのか? 決して埋め立て地に行かなくて済むように材料を具体的に設計するにはどうすればよいのか?」と自問しています。ピッツバーグ大学の化学技術者エリック・ベックマンは言う。「化学者たちは、命令に従ってバラバラになるポリマーを設計できるかどうかに注目しています。」

ポリ(ジケトエナミン)用のPDKと呼ばれる次世代ポリマーの開発は、2019年にNature Chemistryに報告された。現在使用されているプラスチックのどれもです」と、研究の共著者でカリフォルニア州ローレンス・バークレー国立研究所の化学者ブレット・ヘルムズ氏は言う。プラスチックを pH 1 または 2 の酸性溶液に浸すだけで、モノマー構成要素間の結合を破壊するのに十分です。

「材料は通常、それほど低い pH に遭遇することはありません。したがって、PDK を酢に入れてもポリマーが分解し始めるわけではありません」とヘルムズ氏は言います。しかし、リサイクルが容易になる可能性があります。 PDK モノマーは、元の状態の新しいプラスチックを何度でも製造するために使用できます。

ポリエチレンテレフタレート (PET) やポリエチレンなどの広く普及しているプラスチックは製造コストが非常に安いため、ブレイクアウトポリマーが市場に参入するのは難しいだろうとベックマン氏は言います。したがって、今のところ、本質的にリサイクル可能なプラスチックは単なる学術的な好奇心です。しかし、もしかしたら、今から数十年後には、最初からリサイクルできるように作られたプラスチックが、世界のプラスチック廃棄物問題の解決に役立つかもしれません。 — マリア・テミング

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この記事のバージョンは、Science News の 2021 年 1 月 30 日号に掲載されます。

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以前はサイエンスニュースで物理科学のスタッフライターを務めていたマリアテミングは、現在はサイエンスニュースエクスプロアーズの副編集長です。彼女は物理学と英語で学士号を取得し、サイエンスライティングで修士号を取得しています。

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