Kimyasal geri dönüşüm, silikon atıklarını %99’a varan verimle yeniden kullanılabilir yapı taşlarına dönüştürür

Silikonlar olağanüstü termal ve kimyasal stabiliteleri nedeniyle endüstride, tıpta ve günlük ürünlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak geçmişte silikonların geri dönüştürülmesini son derece sorunlu hale getiren tam da bu özelliklerdir. TU Berlin Kimya Enstitüsü’ndeki araştırmacılar artık silikon moleküllerinin polimer zincirlerini temel yapı taşlarına ayırmayı başardılar. Ortaya çıkan dimetildiklorosilan molekülü daha sonra yeni silikon bileşiklerinin üretimi için başlangıç ​​malzemesi olarak yeniden kullanılabilir.

Süreç, birkaç kimyasal reaksiyon döngüsünün karmaşık etkileşimine dayanıyor ve araştırmacılar artık bir patent başvurusunda bulundu. Dr. Martin Oestreich liderliğindeki ekip, süreci günlük yaşamda kullanılan çeşitli silikon ürünler üzerinde başarıyla test etti. Yeşil kimya ve döngüsel ekonomi açısından önemi göz önüne alındığında makale dergi tarafından seçildi Doğa hızlı çevrimiçi yayın için. Oestreich ayrıca TU Berlin’de kataliz konusunda uzmanlaşmış UniSysCat Mükemmellik Grubunun bir üyesidir.

Silikon ürünleri pazarı çok büyük: 2025’te toplamı 21 milyar avroyu aştı ve analistler bu rakamın 2033’te 33 milyar avroyu geçeceğini tahmin ediyor. Silikonlar, termal ve kimyasal stabilitelerinin yanı sıra olağanüstü mekanik özelliklerle de öne çıkıyor. Silikon ayrıca oksijenin geçmesine izin verirken suyu da güvenilir bir şekilde iter. Silikonlar, fırın tepsilerinden biberon emziklerine, contalardan tıbbi tüplere kadar pek çok günlük üründe bulunur.

TU Berlin’deki Organik Kimya/Sentez ve Kataliz Grubu başkanı ve üniversitenin UniSysCat Mükemmellik Kümesi üyesi olan Einstein profesörü Oestreich, “Sağlam özellikleri, kullanılmış silikonun geri dönüşümünü çok zorlaştırıyor” diyor. “Şimdiye kadar atık silikon çoğunlukla yakılıyor veya çöp sahasına gönderiliyordu. Geri dönüşüm sırasında malzeme genellikle mekanik olarak işleniyor veya kimyasal olarak daha küçük, halka şeklindeki siloksanlara parçalanıyor ve bunlar daha sonra yeni silikonlar üretmek için kullanılabiliyor. Ancak bunlar genellikle orijinallerinden daha düşük kalitede.”

Silikon üretimi son derece enerji yoğun bir iştir, bu nedenle geri dönüşüm çok mantıklıdır

Bir yandan, çöplüklere atılan silikonların çevreye ve insan sağlığına zararlı olabileceğine dair artan kanıtlar, bunların tamamen geri dönüştürülmesini takip edilmeye değer bir hedef haline getiriyor. Öte yandan silikon üretmek çok büyük miktarda enerji gerektirir. Örneğin, ihtiyaç duyulan elementel silikonun 2.000 santigrat derece sıcaklıktaki kuvars kumundan çıkarılması gerekiyor. Bu silikon kullanılarak, silikon kimyasının temel yapı taşı olan dimetildiklorosilan daha sonra özel bir işlemle üretilir.

Oestreich, “Bu molekül, içerdiği klorun yerini oksijen alarak uzun zincirler oluşturacak şekilde bir araya getirilebilir” diye açıklıyor. Karbon kimyasından farklı olarak, ortaya çıkan polimerlerin (Si–O–Si–O–Si) “omurgasını” oluşturanlar karbon atomları değil, silikon (Si) ve oksijen (O) arasındaki bağlardır. Zincir uzunluğu değiştirilebilir ve farklı silikonların özelliklerini belirlemek için zincirlerin kenarlarına çeşitli başka moleküller eklenebilir.

Silikon zincirlerini kırmanın anahtarı: katalizör olarak sililyum iyonu ve fosgen

İdeal bir geri dönüşüm süreci, ömrünü tamamlamış silikonlardan farklı özelliklere sahip yeni silikonlar üretme yeteneğini içerir. Oestreich, “Bunu başarmak için baz molekül dimetildiklorosilanın geri dönüşüm sürecinin son ürünü olması gerekir” diyor. Bunun için silikonlardaki Si-O-Si zincirlerinin tamamen kırılması gerekir. “Silikon-oksijen bağlarını kırmak son derece zordur. Silikonu bu kadar dayanıklı bir malzeme yapan da budur.”

Araştırmacılar bunu öncelikle iki molekül kullanarak yapmayı başardılar: katalizör olarak bir “sililyum iyonu” ve gaz fosgen. Sililyum iyonları, pozitif yüklü bir silikon atomu içeren kimyasal bileşiklerdir. Sililyum iyonu, birkaç reaksiyon döngüsünün karmaşık etkileşimi yoluyla bir klorür iyonunu (Cl⁻) fosgenden (COCl₂) uzaklaştırır. Geriye COCl⁺ bileşiği kalıyor. Oestreich, “Bu molekül daha sonra silikon-oksijen bağını kırabilecek kimyasal yeteneğe sahip” diyor.

Prosesin bir diğer avantajı, kırılan Si-O-Si zincirlerindeki oksijenin hemen karbondioksit (CO₂) olarak kaçmasıdır. “Oksijen böylece stabil bir bileşiğe bağlanıyor ve hemen gaz halinde salınıyor. Bu, onun artık diğer reaksiyonlar için mevcut olmadığı anlamına geliyor.”

Fosgen zehirlidir ancak endüstride büyük miktarlarda kullanılır.

Fosgen zehirli bir gazdır. Bu, araştırmacıların neden onu doğrudan kullanmadıklarını, bunun yerine yalnızca reaksiyon döngüsü sırasında fosgeni serbest bırakan, daha kolay yönetilebilir katı trifosgeni seçtiklerini açıklıyor. Bu dönüşüm aynı zamanda ikili bir işlevi yerine getiren sililyum iyonu tarafından da katalize edilir.

“Ancak kimya endüstrisinde fosgenin kullanımı hiç de alışılmadık bir durum değil. Örneğin, köpük ve yalıtım malzemeleri yapımında kullanılan poliüretanlar için temel başlangıç ​​malzemeleri fosgen kullanılarak üretiliyor” diye açıklıyor Oestreich. Buna rağmen araştırma grubu halihazırda fosgene alternatifler bulmaya çalışıyor. Ayrıca geri dönüşüm sırasında geri kazanılan dimetildiklorosilandan en küçük fosgen izlerini bile ortadan kaldıracak süreçler geliştirmeyi planlıyorlar.

Günlük ürünlerle yapılan testlerde geri dönüşüm verimi çok yüksektir

80 derecelik sıcaklıklarda reaksiyon koşulları orta düzeydedir ve işlem önemli miktarda enerji girişi olmadan gerçekleştirilebilir. Araştırmacılar bunu zaten silikon kek kalıpları, biberon emzikleri, silikon kapaklar ve diğer silikon ürünler üzerinde test etti. Sonuçlar ümit verici oldu: Bazı ürünler için, 24 saat sonra geri kazanılan dimetildiklorosilanın verimi %99’a kadar çıktı. Çeşitli kullanılmış silikon ürünlerinin bir karışımı, %86’lık bir geri kazanım oranı sağladı.

Temel araştırma işe yaradı; patent başvurusu yapıldı

Oestreich, “Başarımız, temel araştırmaların daha önce kimsenin düşünmediği çok spesifik uygulamalarda eninde sonunda karşılığını alabileceğinin kanıtıdır” diyor. “15 yıldır sililyum iyonları üzerinde araştırma yürütüyoruz ve ancak son beş yılda aniden silikonların geri dönüştürülmesini bu araştırma için önemli bir uygulama olarak belirledik.” Süreç için patent başvurusu yapıldı.