ถ้าเรามองไปในชีวิตประจำในโลกยุคใหม่จะพบว่ามีพลาสติกมาเกี่ยวข้องอย่างมาก รู้ไหมว่าพลาสติกเหล่านั้นเกิดมาจากโพลิเมอร์สังเคราะห์ที่มีส่วนประกอบของคาร์บอนเป็นหลัก (โมเลกุลอินทรีย์ขนาดใหญ่ที่ประกอบขึ้นจากหน่วยย่อยซ้ำๆ กันที่เรียกว่า โมเลกุลเดี่ยว (โมโนเมอร์)) โพลิเมอร์ถูกออกแบบให้ทนทานต่อการทำลาย เมื่อมาดูทั่วโลกมีการผลิตพลาสติกมากน้อยแค่ไหน พบว่ามีการผลิตมากกว่า 400 ล้านเมตริกซ์ตันต่อปี ด้วยมากกว่า 8 พันล้านเมตริกซ์ตันถูกผลิตในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา เฉลี่ยแล้วมีการผลิตเพิ่มขึ้น 36% ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมาและมีแนวโน้มที่จะผลิตถึง 700 ล้านเมตริกซ์ตันในปี 2030 (พลาสติกจะถูกผลิตเพื่อทุกคนบนโลกประมาณ 80 กิโลกรัม) ทั่วโลกพลาสติกที่ถูกทิ้ง 20% จะถูกนำกลับมาใช้ใหม่ (น้อยกว่า 10% ในสหรัฐอเมริกา) โดยกระบวนการเชิงกลเป็นหลัก และประมาณ 25% ถูกเผาเพื่อให้ได้พลังงานออกมา มากกว่าครึ่งถูกเก็บในหลุมฝังกลบหรือถูกปล่อยสู่สิ่งแวดล้อม ดังนั้นพลาสติกของเสียเป็นปัญหาต่อสิ่งแวดลอมในระยะยาว ตัวอย่างเช่น ด้วยอัตราของการผลิตและการทิ้งพลาสติกในปัจจุบัน ได้รับการทำนายว่าปริมาณพลาสติกของเสียในมหาสมุทรจะมากกว่าปริมาณของปลาในปี 2050

พลาสติกเป็นแหล่งของสารเคมี เชื้อเพลิง และวัสดุ ถึงแม้การเผาจะกำจัดของเสียและได้พลังงานออกมา แต่ใช้หมดไปแหล่งที่มีประโยชน์และสร้างผลพลอยได้ที่ไม่ต้องการ การนำกลับมาใช้ใหม่ที่อาศัยกระบวนการเชิงกล (mechanical recycling) ซึ่งเกี่ยวกับการตัดเป็นชิ้นๆ การให้ความร้อน และการสร้างขึ้นใหม่ของพลาสติก มีประสิทธิภาพมากกว่าการผลิตพลาสติกจากผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม ใช้พลังงานน้อยกว่าครึ่งเพื่อผลิตพลาสติกใหม่ แต่วิธีนี้ลดคุณค่าของพลาสติก การนำกลับมาใช้ใหม่ที่อาศัยวิธีทางเคมี (chemical recycling) เปลี่ยนโพลิเมอร์เป็นตัวกลางระดับโมเลกุลซึ่งใช้เป็นหน่วยโครงสร้างเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ใหม่ ทำให้พลาสติกที่ถูกทิ้งกลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูง อย่างไรก็ตามวิธีที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน (ตัวอย่างเช่น การใช้อุณหภูมิสูงที่ไม่มีออกซิเจน) ต้องการพลังงานมากและกระบวนอื่นๆ อีกเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ วิธีการใหม่คือ polymer upcycling เป็นการเปลี่ยนโพลิเมอร์เป็นสารเคมี เชื้อเพลิง หรือตัวกลางระดับโมเลกุลและต่อจากนั้นสร้างใหม่ตัวกลางเหล่านั้นเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีมูลค่าสูงภายใต้สภาพที่ไม่รุนแรง

Basic Energy Sciences ภายใต้กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกาจัดการประชุมในหัวข้อ Chemical Upcycling of Polymers ในเดือนเมษายน 2019 เพื่อระบุปัญหาพื้นฐานและการวิจัยที่สามารถเปลี่ยนพลาสติกที่ถูกทิ้งเป็นเชื้อเพลิง สารเคมี และวัสดุที่มีมูลค่าสูงขึ้น จากการประชุมดังกล่าวได้ระบุ 4 งานวิจัยที่ควรให้ความสนใจก่อนเพื่อจัดการปัญหาการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและกระบวนการทางฟิสิกส์ที่ซับซ้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนพลาสติกที่ถูกทิ้งเป็นผลิตภัณฑ์มูลค่าสูง งานวิจัยดังกล่าวได้แก่
1. รู้อย่างละเอียดกลไกการเปลี่ยน สร้างใหม่ และการทำหน้าที่ของโพลิเมอร์
ต้องการตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพการใช้พลังงาน การเปลี่ยนโมเลกุลขนาดใหญ่ และกระบวนการทางเคมีใหม่เพื่อเปลี่ยนสายโพลิเมอร์ในพลาสติกที่ถูกทิ้งเป็นตัวกลางซึ่งสามารถถูกสร้างใหม่เป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ (ตัวอย่างเช่น สารเคมี เชื้อเพลิง หรือโพลิเมอร์ใหม่)

2. เข้าใจและค้นหากระบวนการเปลี่ยนพลาสติกผสมเป็นผลิตภัณฑ์มูลค่าสูง
พัฒนาสารเคมีที่มีประสิทธิภาพการใช้พลังงาน วิธีเร่งปฏิกิริยาและแยกใหม่ที่จะแก้ปัญหาทางเคมีและฟิสิกส์ของพลาสติกผสม จะทำให้เกิดการเปลี่ยนพลาสติกผสมเป็นสารเคมีและเชื้อเพลิง รวมถึงวัสดุใหม่

3. ออกแบบโพลิเมอร์รุ่นถัดไปสำหรับการหมุนเวียนทางเคมี
ต้องออกแบบพลาสติกใหม่ให้มีคุณสมบัติและการหมุนเวียนทางเคมีตามต้องการเพื่อทำให้เกิดการนำพลาสติกกลับมาใช้ใหม่และ chemical upcycling พัฒนาเคมีโมโนเมอร์และโพลิเมอร์ใหม่ซึ่งทำให้เกิดโพลิเมอร์รุ่นถัดไปที่มีคุณสมบัติเหมือนหรือดีกว่าโพลิเมอร์ปัจจุบันและทำให้เกิดวงจรชีวิตวงกลมใช้กระบวนการที่ใช้อะตอมและพลังงานที่มีประสิทธิภาพ

4. พัฒนาเครื่องมือใหม่เพื่อค้นหาและควบคุมกลไกทางเคมีสำหรับการเปลี่ยนโมเลกุลขนาดใหญ่
การศึกษาลักษณะแบบ in situ และ operando รวมกับการสร้างแบบจำลองโดยใช้คอมพิวเตอร์แบบ real-time การจำลอง และการวิเคราะห์ข้อมูล จะทำให้เข้าใจกลไกและ kinetic ของการเปลี่ยน การสร้างใหม่ และการแยก เทคนิคเหล่านี้จะช่วยออกแบบการเปลี่ยนทางเคมีและกระบวนการใหม่สำหรับเปลี่ยนพลาสติกที่ถูกทิ้งเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ

สรุป
Chemical upcycling จากพลาสติกที่ถูกทิ้งเป็นเชื้อเพลิง สารเคมี หรือวัสดุที่มีมูลค่าสูงจะเปลี่ยนแปลงวงจรชีวิตของพลาสติก ช่วยประหยัดพลังงานและลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ความก้าวหน้าของทั้ง 4 งานวิจัยดังกล่าวจะทำให้เกิดความรู้พื้นฐานที่จำเป็นต่อการออกแบบปฏิกิริยาเคมี ตัวเร่งปฏิกิริยา กระบวนการใหม่ที่จะทำให้การเปลี่ยน การสร้างขึ้นใหม่ และการทำหน้าที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นของพลาสติกที่ถูกทิ้งเป็นผลิตภัณฑ์มูลค่าสูง งานวิจัยพื้นฐานในเรื่อง chemical upcycling of polymers จะทำให้พลาสติกที่ถูกทิ้งเป็นแหล่งในการผลิตที่มีประสิทธิภาพสารเคมี เชื้อเพลิง วัสดุที่มีมูลค่าสูง และลดการสะสมของพลาสติกของเสียในสิ่งแวดล้อม

ที่มา: Office of Science, U.S. Department of Energy. Roundtable on Chemical Upcycling of Polymers. Retrieved January 8, 2020, from https://winey.seas.upenn.edu/wp-content/uploads/2017/08/2019_DOE_Polymer_Upcycling_Brochure.pdf