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Daisuke Aoki
Developing a Recycling System to Convert Plastics into Fertilizers
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Plastics to Fertilizers: Chemical Recycling of a Bio-based Polycarbonate as a Fertilizer Source
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Does isosorbide assist the fertilization effect of urea?
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10 7
Acknowledgments: Dr. Takehiro Kamiya (University of Tokyo)
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Carbonate bonds react with amine
and can be converted to urea
bonds
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Fritz Haber Carl Bosch
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“Make bread out of air”
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synthesize fertilizer
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This research
Bio-based
polycarbonate
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New recycling method turns plastic into fertilizer

  • 1. School of Materials and Chemical Technology, Tokyo Institute of Technology • JST PRESTO Daisuke Aoki Developing a Recycling System to Convert Plastics into Fertilizers Offering a Solution to Both Plastic Disposal and Food Problems Plastics to Fertilizers: Chemical Recycling of a Bio-based Polycarbonate as a Fertilizer Source T. Abe, R. Takashima, T. Kamiya, C. P. Foong, K. Numata, D. Aoki, and H. Otsuka
  • 2. Chemical structure n n n R R R R X X X X R R Y R Y R Y p Topology (form) Automobiles Aquarium tanks Source: Okinawa Churaumi Aquarium Source: JST ImPACT program (Ito) Containers X Issues for polymers: functionality, quality improvement, toughness, degradability, recyclability Plastics (Polymers) 1
  • 3. The Microplastics Problem 2 Microplastics* drifting the seas and oceans “The Problem of Plastics in the Seas and Oceans,” Ministry of the Environment (Government of Japan) * Plastic particles 5 mm or smaller The current state of the microplastics problem Distribution and densities of microplastics M. Eriksen et al., PloS ONE, 2014, 9(12) Forecast of plastics volume in the seas and oceans The New Plastics Economy: Rethinking the future of plastics, World Economic Forum, 2016 The microplastics problem is an environmental problem on a global scale Resolution is necessary as soon as possible —It is forecast that by 2050, the weight of fish and plastics in the seas and oceans will be equal
  • 4. Measures in Japan against the Plastics Problem 3 Act on Promotion of Resource Circulation for Plastics Effective June 11, 2021 Environmentally Conscious Design guideline Rationalization of use Sorted collection and recycled products by municipalities Voluntary collection by manufacturers and retailers Reduction of waste and reuse as resources by waste-generating businesses For materials: using less volume, simplifying, and increasing life span; adding sortability and degradability; etc. Reduction of unnecessary use of single-use plastics Revision to the Containers and Packaging Recycling Law Effective July 1, 2020 Charging for shopping bags made compulsory
  • 5. Petroleum (Buried underwater) Plastics Disposal by incineration Biomass resources Plastics Disposal by incineration Raw material Biomass resources Plastics Fertilizer +CO2 -CO2 +CO2 -CO2 -CO2 Existing Systems and the New System 4 Raw material Raw material
  • 6. This Research Biomass resources Raw material Plastics Fertilizer -CO2 -CO2 Degradation Extraction Conversion Poly(isosorbide carbonate) Urea Reuse Isosorbide NH3 Food supply Sugar A solution to the food problem Fertilizer synthesis Use as fertilizer Plastics with plants as the raw material Bio-based raw material Use as glasses and goggles, interiors and exteriors, mobile phone housing, etc. Raw material 5
  • 7. PIC Degradation by Ammonia 6 Degradation by ammonia PIC Urea 24 h, 30 ºC GPC 1H NMR Disappearance Polymers disappeared after 24 hours Signals from PIC disappeared after 24 hours (RI, DMF) (500 MHz, DMSO-d6) Isosorbide
  • 8. Use of Degradation Product as Fertilizer PIC ISB Urea Isosorbide = Sugar-based compound May work as fertilizer ① Isosorbide only ② Urea only ③ Degradation product Test on the growth of plants ③ ② ① Does isosorbide assist the fertilization effect of urea? No problems with plant growth when the degradation product was used The degradation product itself was also effective as fertilizer 7 No fertilizer 10 7 Acknowledgments: Dr. Takehiro Kamiya (University of Tokyo) Dr. Keiji Numata (Kyoto University)
  • 9. Overview of this Research 8 Carbonate bonds react with amine and can be converted to urea bonds
  • 10. Research Concept 9 Fritz Haber Carl Bosch Ammonia synthesis process The Haber-Bosch process “Make bread out of air” Used to synthesize fertilizer Use to grow plants “Make bread out of plastic” This research Bio-based polycarbonate Biomass-based raw ingredient Fertilizer Use of biomass and recycling of materials Fertilizer synthesis Photos from the Nobel Foundation archive https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1918/summary/ https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1931/bosch/facts/