Novi polietilen – za lakše recikliranje

Kemijska formula plastične vrećice, ili – da kažem kemijski korektno – polietilena, ako nije najduža, onda je sigurno najdosadnija kemijska formula. Umjesto da slovkamo nešto poput ha-dva-o ili ha-dva-es-o-četiri, sada trebamo reći ce-ha-dva, i to ponoviti nekoliko tisuća puta, već prema vrsti i mehaničkim svojstvima polimera o kojem govorimo.

Ta jednostavna no duga formula polimera etilena (etena), (CH2)n, ima dalekosežne posljedice kako za kemiju tako i za biologiju, točnije za ekologiju (zaštitu okoliša). Polietilen (PE) nije drugo doli zasićeni ugljikovodik, alkan, no vrlo velike molekulske mase.

U kemijskom se smislu ne razlikuje od metana, etana, propana, butana ili pentana. Ili, da dam primjer malo većih molekula, polietilen je samo vrsta parafina: između njega i parafina ista je razlika kao između parafina i parafinskog ulja. No, tu je i problem. „Parafin“ je riječ koja znači tvar s malim afinitetom (lat. parum = malo + affinis = u rodu po svojti, tazbini), iz čega proizlazi da je parafin, pa stoga i polietilen, kemijski vrlo postojana tvar. To je dobro, ali i nije. Nije dobro kad polietilen treba reciklirati.

No sada je monotoniji došao kraj. Formula polietilena više se ne čita „CH2, CH2, CH2…“, nego se tu i tamo kaže „CO“. Tu promjenu možemo zahvaliti petorici njemačkih kemičara sa Sveučilišta u Konstanzu koji su objavili svoje rezultate u časopisu Science pod naslovom „Polyethylene materials with in-chain ketones from nonalternating catalytic copolymerization“. Oni su dakle kopolimerizirali ketone s etenom (catalytic copolymerization), ali ne na uobičajeni način, da su polimerizirali eten zajedno s nekim ketonom, nego tako da su ketone izravno ugradili u polietilenski lanac (polyethylene materials with in-chain ketones).

Da budem malo jasniji i konkretniji: novi su materijal dobili tako da su preko katalizatora prevodili smjesu etena i ugljikova monoksida. Iskušali su sedam katalizatora, svih na bazi nikla, od kojih se pokazao najboljim onaj što ga vidite na slici: za atom nikla vezan je atoma kisika te atomi dušika, fosfora i ugljika. Uz tlak 5 bara i temperaturu100 oC dobili su novi polimer, keto-PE. Polietilen s karbonilnim (ketonskim) skupinama nije se po mehaničkim svojstvima bitno razlikovao od izvornog polimera, PE. A to su upravo htjeli postići.

Namjera modificiranja polimera nije naime bilo poboljšavanje njegovih mehaničkih svojstava ili pojeftinjenje proizvodnje. Namjera je bila učiniti ga razgradivim.

Problem s umjetnim polimerima, a posebice s polietilenom je da se teško reciklira. Unatoč svem sakupljanju vrećica i bočica, ostaje tužna činjenica da se u svijetu reciklira samo 9 % plastičnog otpada. Razlog tome nije samo u tome što sakupljanje platičnog otpada nije dobro organizirano. Veći je razlog neuspjehu što se polimeri teško recikliraju. Polimeri se ne mogu, poput kovina, naprosto pretaliti, jer svako taljenje polimera izaziva kemijske promjene koje opet dovode do pada kvalitete. Najbolji način zbrinjavanja plastičnog otpada je da se preradi u drugi kemijski proizvod, najbolje u monomer od kojeg je nastao.

I upravo su to njemački kemičari postigli. Djelovanjem ultraljubičastog zračenja, keto-PE se raspada. Prema proračunima autora spomenutog rada, njihov bi se novi polimer potpuno raspao nakon pet mjeseci stajanja na suncu. No, raspao u što?

To još ne znaju točno reći. Djelovanjem ultraljubičastog zračenja keto-PE se raspada na ketone niže molekulske mase, ali pritom nastaju i esteri. Još ih nisu uspjeli identificirati, što je razumljivo budući da je riječ o složenoj smjesi svega i svačega. Sastav smjese ovisi naime i o sastavu i o strukturi polimera. Polimeri su sadržavali 0,6 – 1,0 %  karbonilnih skupina (na 100 – 200 skupina CH2 dolazi jedna skupina CO), a usto su one bile različito raspoređene unutar molekule.

No led je probijen: od velikih se molekula mogu dobiti male. Nove bi se, male molekule mogle odvajati (najbolje frakcijskom destilacijom) ili bi se raspadnom smjesom mogle hraniti bakterije i drugi mikrobi. Esteri se, uz pretpostavku da imaju dovoljno male molekule, moglu koristiti kao gorivo za dizelske motore. Što će od svega toga biti, vidjet ćemo – još mnogo rada stoji pred kemičarima da bi se tehnologija ketoniranog polietilena do kraja razvila i u praksi primijenila.  

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te, naravno, Bug online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.