جامعة برلين التقنية تطور عملية تحفيز جديدة لاستعادة 99% من نفايات السيليكون

طورت جامعة برلين التقنية (Technische Universität Berlin) عملية تحفيز جديدة يمكنها تفكيك نفايات السيليكون بالكامل. تشمل العناصر الشائعة مثل السكاكين السيليكونية في الأوعية المختلطة، والأختام المقاومة للتسرب في أكواب السفر، والمصاصة الناعمة التي تهدئ الأطفال، عيباً خفياً: إنها دائمة. يمكن للسيليكون مقاومة الحرارة والماء والتحلل الكيميائي. لذلك، غالباً ما يعني التخلص من هذه النفايات إرسالها إلى مكبات النفايات أو محارق النفايات. حتى الآن، كان تحقيق الاستعادة المغلقة كيميائياً مهمة شاقة.

أفادت جامعة برلين التقنية أنه بعد سنوات من البحث، وجدوا طريقاً للمضي قدماً. تحت قيادة البروفيسور مارتن أوسترايش (Martin Oestreich)، طور فريق البحث عملية تحفيز تقوم بتفكيك البوليمرات السيليكونية إلى وحداتها الأصلية عالية القيمة: ثنائي ميثيل ثنائي كلور السيليكون. يوضح البحث استراتيجية لتحقيق معدل استعادة يصل إلى 99% من العناصر الشائعة مثل صواني المافن وزجاجات الأطفال. قال أوسترايش: "نجاحنا يثبت أن البحث الأساسي يمكن أن يؤتي ثماره في تطبيقات محددة لم يتم التفكير فيها من قبل."

نجاح العملية التحفيزية الجديدة

لقد أجرينا أبحاثاً على أيونات السيليكون لمدة 15 عاماً، وفي السنوات الخمس الأخيرة فقط حددنا فجأة أن استعادة السيليكون هي التطبيق الرئيسي لهذه الأبحاث."

حل مشكلة تفكيك السيليكون، وقد قدم هذا الاكتشاف حلاً بسيطاً لمشكلة كيميائية معقدة. لصنع سيليكون جديد من الصفر، يحتاج المصنعون أولاً إلى استخراج السيليكون الخام من رمل الكوارتز في أفران قوسية عند درجات حرارة مرتفعة جداً. هذه عملية ضخمة ومرهقة للطاقة. بمجرد تشكيلها، تكون روابط السيليكون أكسجين مثل الغراء الجزيئي الفائق. يتطلب كسرها طاقة هائلة أو دقة تحفيزية غير مسبوقة. قضى فريق أوسترايش 15 عاماً في دراسة أيونات السيليكون (أيونات السيليكون الموجبة) قبل أن يدركوا قيمتها المحتملة في إدارة النفايات. وفقاً للورقة البحثية، تم تطوير استراتيجية جديدة لتفكيك أيونات السيليكون لتحقيق إعادة تدوير مستدام لمواد السيليكون الكيميائية الخاملة (السيليكون).

عند اقترانها مع ثلاثي كلوريد الفوسفور (triphosgene) - وهو مادة صلبة قابلة للإدارة - تقوم أيونات السيليكون بإزالة أيون كلور واحد، مما ينتج مادة فائقة التفاعل تُعرف بأيون الكربونيل الكلوري (COCl+). تقطع هذه الجزيئات السلاسل السيليكونية. عند كسر الروابط، يتسرب الأكسجين بشكل نظيف إلى الهواء على شكل غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2)، مما يمنع عكس التفاعل. تتم العملية بأكملها في ظروف معتدلة عند 80 درجة مئوية، مما يتطلب طاقة ضئيلة مقارنة بإنتاج المواد الخام.

آفاق سوق نفايات السيليكون

تزداد أزمة نفايات السيليكون حدة. أظهرت الاختبارات على صواني المافن والأغطية آفاقاً جيدة. في ظروف معتدلة عند 80 درجة مئوية (176 درجة فهرنهايت)، استعاد هذا العملية منخفضة الطاقة ما يصل إلى 99% من ثنائي ميثيل ثنائي كلور السيليكون من عنصر واحد خلال 24 ساعة. حتى عند تطبيقها على نفايات السيليكون المختلطة، لا تزال الطريقة تحافظ على معدل استعادة يبلغ 86%. ينمو سوق منتجات السيليكون باستمرار. من المتوقع أن يصل حجم السوق إلى حوالي 19.55 مليار دولار بحلول عام 2025، ومن المتوقع أن يصل إلى 37.7 مليار دولار أو أكثر بحلول عام 2035.

تستخدم طرق الاستعادة التقليدية المعالجة الميكانيكية أو التحلل الكيميائي إلى سيليكون أكسجين دائري صغير. على الرغم من أن هذه المركبات المستعادة يمكن أن تشكل منتجات سيليكون جديدة، إلا أن المواد الناتجة غالباً ما تكون ذات جودة أقل من السيليكون الخام. تجعل العملية الجديدة المفصلة من الممكن استعادة نفايات السيليكون، وتحويل المواد البلاستيكية غير القابلة للاسترداد إلى مكونات صناعية مفيدة. قدم الباحثون طلب براءة اختراع، ووجهوا انتباههم نحو التوسع التجاري، وهم حالياً يبحثون عن بدائل غير سامة لمركبات الكلور، ويصممون مرحلة تنقية لإزالة الشوائب الدقيقة.

تم نشر نتائج البحث في 28 أكتوبر في مجلة Nature.

التأثيرات المحتملة للعملية التحفيزية الجديدة على البيئة

كانت مشكلة استعادة نفايات السيليكون تحدياً في مجال حماية البيئة، حيث أن الطرق التقليدية غير فعالة وتستهلك طاقة عالية. لا تعمل العملية التحفيزية الجديدة من جامعة برلين التقنية على استعادة السيليكون بكفاءة فحسب، بل تتم أيضاً في ظروف منخفضة الطاقة، مما له أهمية كبيرة في تقليل العبء البيئي. مع نمو سوق منتجات السيليكون، سيساعد الإمكانات التجارية لهذه التقنية في دفع التنمية المستدامة وتقديم حلول جديدة لإدارة النفايات.