“พลาสติก” เป็นวัสดุที่มนุษย์ขึ้นมาใช้ประโยชน์จนกลายเป็นส่วนหนึ่งในชีวิตประจำวัน แต่ความอเนกประสงค์และความทนทานนี้ก็แลกมาซึ่งปัญหาสิ่งแวดล้อมรุนแรง ในแต่ละปีมีการผลิตพลาสติกหลายร้อยล้านตันทั่วโลก ซึ่งส่วนใหญ่มักลงเอยที่หลุมฝังกลบ เตาเผาขยะ หรือรั่วไหลสู่ธรรมชาติและคงอยู่ได้นานหลายศตวรรษ
ปัจจุบันยังไม่มีวิธีกำจัดมลพิษพลาสติกในปัจจุบันยังคงเหลือสิ่งตกค้างไว้อยู่ แต่ล่าสุดนักวิจัยค้นพบวิธีการเปลี่ยนขยะพลาสติกให้กลายเป็น “กรดอะซิติก” ซึ่งเป็นสารเคมีสำคัญในอุตสาหกรรม โดยใช้เพียงพลังงานจากแสงแดด
ดร.อู๋ อี้หมิน ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและเมคาทรอนิกส์ และประธานกลุ่ม Tang Family ด้านวัสดุพลังงานใหม่และความยั่งยืน ระบุว่า “เป้าหมายของเราคือการแก้ปัญหาความท้าทายของมลพิษพลาสติกด้วยการเปลี่ยนขยะไมโครพลาสติกให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงโดยใช้แสงแดด”
“ราผุสีขาว” (White rot fungi) หรือ Phanerochaete chrysosporium มีความสามารถในการย่อยสลายลิกนิน ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ที่แข็งแรงที่สุดชนิดหนึ่งในไม้ เห็ดชนิดนี้ใช้เอนไซม์สร้างสารเคมีที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูงเพื่อทำลายโครงสร้างคาร์บอนที่ซับซ้อนของพลาสติก
ดังนั้น คณะวิจัยสร้างวัสดุสังเคราะห์เลียนแบบกลยุทธ์ธรรมชาตินี้ ซึ่งก็คือ “คาร์บอนไนไตรด์เจือเหล็ก” (Iron-doped carbon nitride) ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำที่สามารถดูดซับแสงที่มองเห็นได้ อะตอมเหล็กแต่ละอะตอมทำหน้าที่เหมือนตำแหน่งที่ใช้งานได้ในเอนไซม์ตามธรรมชาติ เพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดในขณะที่ยังคงรักษาเสถียรภาพ
ภายใต้แสงแดดและในสภาวะที่มีไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ตำแหน่งของเหล็กจะกระตุ้นเปอร์ออกไซด์เพื่อสร้างอนุมูลไฮดรอกซิลที่มีปฏิกิริยาสูง อนุมูลคืออะตอม โมเลกุล หรือไอออนที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่อย่างน้อยหนึ่งตัว ทำให้พวกมันมีปฏิกิริยาทางเคมีสูง
อนุมูลเหล่านี้จะโจมตีโซ่คาร์บอนยาวที่ประกอบเป็นพลาสติก เช่น โพลีเอทิลีน (ใช้ในถุงพลาสติก) โพลีโพรพีลีน (ภาชนะบรรจุอาหาร) PET (ขวดเครื่องดื่ม) และแม้แต่ PVC (ท่อและบรรจุภัณฑ์) โดยพอลิเมอร์จะถูกออกซิไดซ์และแตกตัวเป็นโมเลกุลขนาดเล็กขึ้นเรื่อย ๆ จนในที่สุดกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์
แทนที่จะปล่อยให้ก๊าซเหล่านี้ระเหยออกไป ตัวเร่งปฏิกิริยานี้จะทำหน้าที่ที่สอง โดย จะใช้แสงแดดในการรีดิวซ์คาร์บอนไดออกไซด์ให้กลายเป็นกรดอะซิติก กล่าวอีกนัยหนึ่ง คาร์บอนในขยะพลาสติกจะถูกออกซิไดซ์ก่อน แล้วจึงประกอบใหม่เป็นโมเลกุลใหม่
โดยพื้นฐานแล้ว วิธีการนี้จะย่อยสลายพลาสติกและเปลี่ยนคาร์บอนที่ได้ให้เป็นสารเคมีพื้นฐานในระบบเดียว ซึ่งแตกต่างจากเทคโนโลยีการรีไซเคิลที่มีอยู่ส่วนใหญ่
นอกจากกรดอะซิติกจะเป็นส่วนประกอบของน้ำส้มสายชูแล้ว มันยังเป็นวัตถุดิบสำคัญในอุตสาหกรรม ที่ใช้ผลิตกาว สารเคลือบ ตัวทำละลาย เส้นใยสังเคราะห์ และยา ซึ่งทั่วโลกต้องการกรดอะซิติกทั่วโลกมีสูงถึงหลายล้านตันต่อปี คิดเป็นมูลค่าการตลาดหลายพันล้านดอลลาร์
ปัจจุบัน กรดอะซิติกส่วนใหญ่ผลิตผ่านกระบวนการที่ใช้พลังงานสูงและก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ภายใต้อุณหภูมิสูง การเปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นกรดอะซิติกจึงเป็นการผลิตแบบเศรษฐกิจหมุนเวียน โดยไม่ต้องสกัดคาร์บอนใหม่แต่ใช้คาร์บอนที่มีอยู่แล้วในวัสดุที่ถูกทิ้ง
จากการทดสอบในห้องปฏิบัติการ ระบบนี้สามารถผลิตกรดอะซิติกในอัตราที่น่าพอใจเมื่อเทียบกับวิธีการอื่น ๆ และเมื่อเพิ่มการใช้แสงภายในถังปฏิกรณ์ อัตราการผลิตก็เพิ่มขึ้นอย่างมาก ที่สำคัญคือปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิห้องและความดันปกติ ซึ่งต่างจากวิธีรีไซเคิลทางเคมีแบบอื่นที่ต้องให้ความร้อนสูงถึงหลายร้อยองศาเซลเซียส
ทีมวิจัยยังได้ทดสอบกับขยะพลาสติกในโลกแห่งความเป็นจริงที่มีการผสมและปนเปื้อน พบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถจัดการกับพลาสติกหลัก ๆ ได้หลายชนิด โดยเฉพาะ PVC ที่ให้ผลลัพธ์ดีเป็นพิเศษ เนื่องจากคลอรีนที่ปล่อยออกมาช่วยเร่งการย่อยสลาย นอกจากนี้ตัวเร่งปฏิกิริยายังมีความเสถียรสูงและสามารถนำกลับมาใช้ซ้ำได้โดยไม่เสื่อมสภาพ
ดร.อู๋ เน้นย้ำว่าวิธีการนี้ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ที่อุดมสมบูรณ์และฟรีในการกำจัดมลพิษพลาสติก โดยไม่ปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มเติมเข้าสู่ชั้นบรรยากาศ เนื่องจากปฏิกิริยาเกิดขึ้นในน้ำ จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการจัดการกับไมโครพลาสติกในระบบนิเวศทางน้ำโดยตรง แทนที่จะเป็นการกรองออกเพียงอย่างเดียว
ด้านรอย เบราเวอร์ ผู้อำนวยการบริหารของ Water Institute และผู้ร่วมวิจัย ให้ความเห็นว่า “ทั้งในมุมมองทางธุรกิจและสังคม ผลประโยชน์ทางการเงินและเศรษฐกิจที่เกี่ยวข้องกับนวัตกรรมนี้ดูมีความหวังอย่างมาก” แม้นวัตกรรมนี้จะมีต้นทุน แต่ก็ถือว่าคุ้มค่าเมื่อเทียบกับผลผลิตที่ได้ ซึ่งเป็นสารเคมีที่มีมูลค่าควบคู่ไปและสามารถทำความสะอาดขยะได้ด้วย
อย่างไรก็ตาม ยังมีความท้าทายในการนำไปใช้จริง เช่น การพึ่งพาไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่ต้องหาวิธีจัดหาอย่างยั่งยืนในระดับอุตสาหกรรม รวมถึงปัจจัยด้านวิศวกรรมอย่างการส่องผ่านของแสงในระบบขนาดใหญ่และการออกแบบถังปฏิกรณ์ สารเติมแต่งในพลาสติกเชิงพาณิชย์ เช่น สารคงตัวหรือเม็ดสี ก็อาจส่งผลต่อผลลัพธ์ของปฏิกิริยาได้เช่นกัน
แม้ว่าเทคโนโลยีนี้จะยังอยู่ในขั้นการทดลอง แต่คณะนักวิจัยเชื่อมั่นว่าจะสามารถขยายขนาดได้ผ่านความก้าวหน้าทางวิศวกรรมวัสดุและการผลิต งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงพลังของตัวเร่งปฏิกิริยาอะตอมเดี่ยวและการออกแบบที่เลียนแบบชีวภาพในการสร้างการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ซับซ้อนภายใต้เงื่อนไขที่ไม่รุนแรง
ดร.อู๋ และทีมงานเห็นพ้องว่าปัญหาพลาสติกไม่สามารถแก้ได้ด้วยเทคโนโลยีเพียงอย่างเดียว แต่ต้องอาศัยการลดการใช้พลาสติกที่ไม่จำเป็นและการปรับปรุงระบบรีไซเคิลควบคู่กันไป การเปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นสารเคมีที่มีประโยชน์จึงเป็นกลยุทธ์เสริม ที่เปลี่ยนสถานะพลาสติกจากภาระทางสิ่งแวดล้อมให้เป็นทรัพยากรคาร์บอนที่มีค่า
หากสามารถนำไปใช้ในระดับใหญ่ได้สำเร็จ บรรจุภัณฑ์ที่ถูกทิ้งในวันนี้อาจกลายเป็นวัตถุดิบในอุตสาหกรรมของวันพรุ่งนี้ นวัตกรรมนี้ถือเป็นก้าวสำคัญสู่เศรษฐกิจหมุนเวียนที่ยั่งยืน ซึ่งความสำเร็จจะเปลี่ยนจุดจบของขยะให้กลายเป็นจุดเริ่มต้นของเรื่องราวบทใหม่
ที่มา: Interesting Engineering, The Conversation, The Week, ZME Science