Биоразложение пластиков. Мифы и реальность
В последнее время много разговоров, слухов, домыслов ходит вокруг биоразлагаемых полимеров, которые должны быть компостируемыми (в этом случае они являются биоразлагаемыми). Однако если нет условий компостирования, то такие полимеры не разлагаются, либо разлагаются медленно. Данный вид полимеров имеет свои недостатки, в том числе связанные с тем, что такие полимеры получают из растительного сырья, а растительное сырье имеет свои ограничения в объеме по разным причинам. Урожай, не урожай. Год на год не приходится. Также существуют ограничения по объему площадей для выращивания таких культур, поскольку эти площади нужны для выращивания культур, которые применяются для производства пищи. Все эти аспекты влияют на то, что данные полимеры не могут покрыть весь спектр применений полимеров в пищевой и других областях.
В то же время в большом объеме применяются для пищевой упаковки, в медицине, в других областях традиционные полимеры, такие как полипропилен, полиэтилен, сополимер этилена и винилацетата. Эти полимеры разлагаются очень медленно. Для того, чтобы они разлагались нужны дополнительные меры.
Нам хотелось бы внести ясность в данный вопрос и пролить свет на заблуждения и стереотипы, бытующие в обществе (как среди производителей полимерных изделий, так си среди потребителей). Существуют много мифов в области биоразложения полимеров. Много непроверенной информации, информации, которая вводит в заблуждение людей, которые хотели бы применять полимеры без вреда экологии.
Миф: существует универсальное решение в биоразложении полимеров
Его нет. Каждая технология может решить определенную задачу и с определенным полимером или полимерами, если они имеют схожую структуру. Например, компостируемые биоразлагаемые полимеры не решают вопросы биоразложения синтетических полимеров ПЭ, ПП.
Да, если мы применяем компостируемые материалы для производства пакетов для покупок в супермаркетах и, если есть реальный раздельный сбор мусора и эти пакеты попадают в компост, в этом случае решается только одна проблема –проблема пакетов, тонких пленок и только в узком сегменте. Там, где мы заменили пакеты из Пэ и ПП на компостируемыми пакеты.
Но если они не попадают в компост, то никакого эффекта нет и не будет.
Миф: ПЭ и ПП не могут разлагаться
Могут. Для этого необходимо применять катализаторы деструкции — прооксиданты. Вещества, окисляющие полимер и способствующие абиотическому разложению ПЭ и ПП. К сожалению, по многим причинам, не относящимся к возможностям технологии разложения ПЭ и ПП прооксидантами, их пытаются оговорить.
Какие технологии на сегодняшний день можно применить для утилизации полимеров:
- Это переработка полимеров физическими методами. Вторичная переработка.
- Регенерация энергии и ресурсов. Это процессы сжигания, терморасщепления и химическое расщепление.
- Биоразложение биоразлагаемых полимеров и компаундов на их основе. Например, компостируемые пластики на основе полимеров молочной кислоты. Для этого необходим промышленный компост.
- Для синтетических полимеров таких как полиэтилен, полипропилен можно применять катализаторы окисления абиотическое разложение (окисление и деструкция полимера) с последующим биотическим разложением. Все это известно под общим названием оксо-биоразложение, которое включает в себя все виды воздействия на полимер с целью его деструкции и разложения. Это фоторазложение, термо-разложение, механо –химическое и так далее. Основная цель — окисление полимера до низкомолекулярных продуктов.
Мы не будем подробно останавливаться на переработке пластиков методом экструзии или сжиганием и химическим расщеплением. Переработка пластиков методом экструзии имеет свои особенности и не всегда экономически целесообразна. Однако остается одним из наиболее эффективных способов.
Сжигание полимеров и химическое расщепление имеет свои технологические, и экологические плюсы, и минусы, устранив которые можно эффективно бороться с пластиковым мусором. Эта тема требует глубокого детального освещения. Наша же цель – биоразложение. О нем и поговорим.
Каким образом можно ускорить процесс биоразложения синтетических полимеров ПЭ и ПП:
Микробы и биоразложение
Пластики могут разлагаться под воздействием микроорганизмов или беспозвоночными.
В соответствии со стандартом британским BS CEN/TR 15351e2006 биоразлагаемые пластики минерализуются в СО2 воду и биомассу в течение процесса биоразложения. В основном, процесс биоразложения полимеров проходит в 4 этапа.
- Биодетериоризация образование пленки.
- Деполимеризация, когда микроорганизмы выделяют внеклеточные ферменты (экзоферменты), которые катализируют разложение цепочки полимера в олигомеры, димеры, мономеры.
- Биоассимиляция. Небольшие молекулы разлагаемого полимера абсорбируются на микробных клетках, генерируя образование первичных и вторичных метаболитов (продуктов обмена веществ).
4. Минерализация. Когда продукты обмена веществ, метаболиты минерализуются в СО2, СН4 воду и другие газы.
Однако, для микроорганизмов сложно разлагать пластик полностью в течение короткого времени, это обусловлено структурой полимеров, например, Пэ И ПП, их длиной цепочки, в том числе с присутствием добавок и антиоксидантов.
Основным источником питания бактерий и грибов является углерод.
И он должен быть доступен. Полимер с длиной углеводородной цепочкой и большой молекулярной массой обладает высокой гидрофобностью. Не смачивается водой. Углерод в такой структуре не доступен для бактерий. Поэтому, предварительная обработка синтетических полимеров необходима.
Это предварительное абиотическое разложение, окисление как первая стадия разложения полимера, подготовка его к биотическому разложению, второй стадии. Это значительно снижает общее время разложения. Это уникальная возможность и очень важная часть в деле утилизации полимеров. В настоящее время многие ученые изучают этот процесс и стараются совместить окисление с другими процессами. Но основной процесс остается — окисление полимера прооксидантами.
Прооксидант
Когда мы хотим сохранить свойства полимера мы добавляем антикосиданты. Которые предотвращают деструкцию и окисление полимера по радикальному механизму.
Сейчас у нас обратная задача. Мы должны создать условия для окисления и деструкции полимера до низкомолекулярных фрагментов. Мы должны получить продукты с высокой гидрофильностью, смачиваемостью и с доступным углеродом для микроорганизмов. Процесс разложения полимера с помощью прооксидантом называется абиотическим.
Что можно применять в качестве прооксидантов:
Например, прооксиданты основанные на комбинации металлов, дающие два металлических иона, обладающее окислительной способностью, очень активные и эффективные. Например, Mn+2/Mn+3. Материал использует кислород воздуха в атмосфере, чтобы деструктировать по свободно радикальному механизму. Гидропероксиды формируются как первичный продукт, далее термическое разложение и фотохимическое разложение под каталитическим воздействием про-оксиданта. Это в конечном счете, приводит к расщеплению, и получению низкомолекулярных продуктов, таких как карбоновые кислоты, спирты, кетоны, углеводородные воска.
Можно применять фоточувствительные вещества, или фото.
Можно применять радиационную обработку и другие способы.
Все они окисляют полимер, способствуют его разложению по радикальному механизму.
И все это классифицируется как оксоразложение. Поскольку во всех этих процессах в первую очередь участвует кислород воздуха.
Конечно, самый удобный способ — это применять про оксидант в виде добавки в полимер.
Под классификацию оксобиоразложения попадают многие компании, которые применяют разные проокисданты.
Возьмем простой пример. Полиэтилен. Чтобы вы не добавили в ПЭ крахмал, другие полимеры, сополимеры, какие-нибудь энзимы и так далее, в любом случае Вы должны будете использовать прооксидант для первичного разложения, окисления высокомолекулярной молекулы полиэтилена.
Остальные выше приведенные добавки –это вспомогательные вещества, которые могут привлекать микроорганизмы, и снижать общую массу полиэтилена. Но без прооксидантов вы не сможете получить низкомолекулярные продукты разложения ПЭ.
(с)Замыслов Эдуард, кхн, технический директор International Plastic Guide
