Проблема накопичення та шляхи утилізації полімерних відходів
Синтетичні полімери (нейлон, поліетилен, поліуретан) здійснили революцію у нашому способі життя, але їх застосування створює низку проблем. По-перше, синтетичні полімери одержують з невідновлюваних ресурсів; по-друге, - застосування пластиков, що не руйнуються в природному середовищі, і їх накопичення ведуть до забруднення навколишнього середовища і створюють глобальну екологічну проблему.
Обсяги випуску синтетичних пластмас, що не руйнуються в природному середовищі, головним чином поліолефінів (поліетиленів і поліпропіленів), одержуваних у процесах нафтооргсинтезу величезні, на даний момент вони досягли 180 млн т на рік і щорічно зростають приблизно на 25 млн. При цьому основна їх звалищах, оскільки повторної переробки у розвинених країнах піддається трохи більше 16-20 %.
В даний час для очищення навколишнього середовища від пластмасових відходів активно розробляються два основні підходи: поховання та утилізація. Поховання пластмасових відходів – це «бомба уповільненої дії» та перекладання сьогоднішніх проблем на плечі майбутніх поколінь. Крім того, під полігони та сміттєзвалища твердих побутових відходів щорічно відчужується до 10 тис. га земель, у тому числі й родючих, що вилучаються із сільськогосподарського обороту. Можливі шляхи скорочення гігантських відходів синтетичних пластиків - це утилізація, яку можна розділити на низку головних напрямів: спалювання, піроліз, рециклізація та переробка.
Однак як спалювання, так і піроліз відходів тари та упаковки та взагалі пластмас кардинально не покращують екологічну обстановку. Більше того, спалювання - це дорогий процес, до того ж що ще й приводить до утворення високотоксичних, а також супертоксичних (таких, як фурани та діоксини) сполук. Повторна переробка пластмас у певнійступеня вирішує це питання, але це вимагає значних трудових та енергетичних витрат, тому що для цього необхідні наступні дії: відбір з побутового сміття пластичної тари та упаковки, поділ зібраних відходів по виду пластиків, миття, сушіння, подрібнення і лише потім переробка в нове полімерне виріб.
Необхідність проведення заходів для рециклізації пластмасових відходів, особливо з тари та упаковки, у низці країн закріплена законодавчо. У країнах ЄС законодавчі ініціативи та акти зобов'язують виробників пластмасової упаковки використовувати при цьому до 15 % як сировину вторинні пластмаси. Так, для Німеччини ця квота становить 50% і має збільшитись до 60%. Пов'язано це з тим, що поховання та спалювання не вирішують проблеми рециклу багатомільйонних синтетичних відходів, а їх акумуляція в біосфері загрожує глобальною екологічною катастрофою. Перехід на нові типи матеріалів, які руйнуються в природному середовищі природним шляхом до нешкідливих продуктів, стає проблемою.
Перехід на такі матеріали нині стає дедалі кращим зі зростанням цін на нафту та інші види нафтохімічної сировини. Полімери, одержувані з природної сировини або синтезовані мікроорганізмами (так звані біополімери, або біопластики), на відміну від нафтопродуктів, практично не роблять внесок у поповнення парникових газів та глобальне потепління. Однією з переваг використання біорозкладних полімерів на біооснові є допомогти оновити «вуглецевий цикл» або «реінкарнацію вуглецю» (рис. 5.2).
Полімери з нафти також можуть розглядатися як відновлювані, так як потрібно більше мільйона років для перетворення рослинної біомаси на викопні джерела палива, які використовуються вяк сировини у виробництві синтетичних полімерів. У зв'язку з тим, що обсяги споживання пластиків набагато вищі за рівень заповнення викопних вуглецевмісних ресурсів, у «вуглецевому циклі» виникає великий дисбаланс.
Навпаки, біодеградовані полімери, отримані з рослинних поновлюваних матеріалів, таких як зерно та зерновий крохмаль, можуть бути зроблені та перетворені на біомасу за порівняні часові проміжки (рис. 5.2).
Тому країни, які розвивають цей напрямок, автоматично звільняються від квот на викиди, що накладаються Кіотським протоколом. Так, Євросоюз узяв на себе зобов'язання з 2008 по 2012 роки. скоротити обсяг викидів СО2 у повітря на 8 % щодо рівня 1990 р. Аналогічне зобов'язання взяла він і Японія, у період вона планує скоротити викиди вуглекислого газу на 6%.
У 2000 р. ЄС прийняла стандарт EN 13432, що регламентує вимоги до біорозкладних полімерів. За рішенням Європейської Комісії №2001/524/WE він приведений у відповідність до директиви №94/62/WE. Стандарт запроваджує критерії оцінки та процедури щодо можливості природного гниття біорозкладних синтетичних матеріалів у компостних ямах, а також їх обробку без присутності кисню (тобто рециклінг органічних речовин, а не спалювання).
На рис. 5.3 схематично представлений шлях трансформації біополімерів у процесах компостування.
Шлях від урожаю через отримання, використання до переробки полімерів у той чи інший спосіб можна образно назвати «від колиски до могили». Якщо продукт чи упаковка компостуються, утворюється гумус і діоксид вуглецю.
Діоксид вуглецю використовується рослинами в ході фотосинтезу, а гумус повертається в землю як добрива для отримання поживних речовин, що споживаються.рослинами. Цикл процесів від збирання врожаю до повернення продуктів перетворення полімерів у землю для вирощування нової біомаси та до наступного збирання врожаю відноситься до процесу «від колиски до колиски».
Зазвичай після використання пластики, отримані з нафти, особливо пластики, що використовуються в упаковці та сільському господарстві, містять домішки, що знижують можливість повторного використання; таким чином, вони закінчують існування на сміттєзвалищах, де волога і кисень присутні в невеликій кількості або зовсім відсутні. Тому на сміттєзвалищі вони розкладаються вкрай повільно.
Навпаки, біоруйнувані пластики під впливом ґрунтових і водних мікроорганізмів трансформуються до гумусу і далі до діоксиду вуглецю та води (кінцевих продуктів розпаду органіки) у термін від кількох місяців до десятків діб під час компостування. Терміни, необхідні для розкладання таропакувальних матеріалів у природних умовах, можуть становити багато років і десятиліття. Розкладання в природному середовищі синтетичних полімерних матеріалів становить десятки і сотні років, тоді як використання біополімерів призводить до значного скорочення цих термінів.
Швидкість розкладання матеріалів залежить від ряду факторів - виду полімеру, вологості, температури, світлового впливу, мікробної складової середовища та ін. Найбільш високою здатністю до біодеструкції мають полімери, які містять хімічні зв'язки, що легко піддаються гідролізу. Присутність замісників у полімерному ланцюгу часто сприяє підвищенню біодеструкції, що залежить також від ступеня заміщення ланцюга та довжини його ділянок між функціональними групами, гнучкості макромолекул тощо.
На швидкість руйнування полімерів також впливає величина їх молекул. У той час як мономериабо олігомери можуть легко гідролізуватися та окислюватись мікроорганізмами, полімери з великою молекулярною масою більш стабільні. Біодеструкцію більшості технічних полімерів ініціюють процеси небіологічного характеру, такі як термічне та фотоокислення, термоліз, механічна деградація тощо.
p align="justify"> Процеси біологічної деструкції біопластиків можуть протікати в аеробних умовах з утворенням діоксиду вуглецю і води, а також в аноксигенному середовищі, без участі кисню, з утворенням метану і води. Компостування - переважно аеробний процес і можна розглядати як природний шлях переробки відходів. Компост може вироблятися у великих масштабах на комерційних компостирующих потужностях, а й у малому масштабі, наприклад задньому дворі невеликий ферми.
Таким чином, утилізація синтетичних матеріалів - величезна екологічна проблема, і проекти, що розглядаються як поховання та компостування, так і можливої реутилізації хімічних пластиків не оптимістичні. Вважають, що це технічно неможливо, оскільки для транспортних та нехарчових упаковок можливе застосування до 25% вторинних пластмас, але не упаковок харчових продуктів.
Не можна не відзначити, що збирання та повторна переробка полімерної тари та упаковки незмінно призводить до її подорожчання, а якість рециклізованого полімеру та виробів при цьому знижується. Якщо припустити, що значну частину тари та упаковки буде в майбутньому використано повторно, для цього необхідно знати, яка кратність переробки є допустимою і коли неминуче вироби потраплять на звалище.