Освоение экологически чистых материалов - актуальное направление критических технологий XXI века

29 Декабря в 19:43 922 0


Разработка и освоение новых, экологически чистых материалов, включающихся в биосферные круговоротные циклы, соответствует концепции экологически безопасного устойчивого промышленного развития. В «Повестке дня XXI века», принятой в 1991 г. на специальной конференции ООН по окружающей среде и развитию, акцентировано внимание на необходимость разработки и внедрения новых экологически безопасных технологий и материалов.

Связано это с тем, что охрана окружающей среды является неотъемлемым компонентом устойчивого развития. Помимо того, что в результате активной хозяйственной деятельности в настоящее время под угрозой находятся все биотические и абиотические компоненты окружающей среды, в Повестке дня отмечается, что на фоне увеличения населения планеты во все более широком масштабе возрастает производство и потребление химических веществ.

В связи с этим неуклонно увеличивается количество проблем, связанных с охраной окружающей среды. Несмотря на все возрастающие усилия по предотвращению накопления отходов и содействию их рециркуляции, масштабы ущерба, причиняемого окружающей среде в результате чрезмерного потребления, количество образующихся отходов и степень неустойчивого землепользования по-прежнему увеличиваются.

Среди провозглашенных Повесткой дня приоритетов программы обозначена необходимость «... предотвращения, прекращения и обращения вспять процесса деградации окружающей среды с помощью соответствующих методов использования биотехнологии и других технологий при одновременном обеспечении процедур безопасности как одного из неотъемлемых компонентов настоящей программы».

Конкретные цели предусматривают скорейшее осуществление конкретных программ, содержащих конкретные задачи:
1) применение производственных процессов, предусматривающих оптимальное использование природных ресурсов на основе рециркуляции биомассы, регенерации энергии и минимизации производства отходов;
2) поощрение применения биотехнологий с уделением особого внимания биологическому восстановлению земельных и водных ресурсов, обработке отходов, охране почв, лесовосстановлению, лесонасаждению и восстановлению земель;
3) использование биотехнологий и биотехнологической продукции для сохранения целостности окружающей среды с целью обеспечения долгосрочной экологической безопасности.

Для успеха реализации целей, намеченных «Повесткой дня XXI века», необходимо содействие и объединение усилий соответствующих международных и региональных организаций, частного сектора, неправительственных организаций, а также академических и научных учреждений, деятельность которых должна включать следующие направления:
- разрабатывать экологически безопасные альтернативные варианты производственной деятельности и совершенствовать производственные процессы, наносящие ущерб окружающей среде;

- разрабатывать практические методы минимизации спроса на экологически нерациональные синтетические химические вещества и максимального использования экологически устойчивой продукции, в том числе органической;
- изыскивать пути сокращения образования отходов, обработки отходов перед удалением и использование материалов, поддающихся биологическому распаду;
- разрабатывать методы удаления веществ, загрязняющих окружающую среду;
- поощрять применение новых биотехнологий в интересах экологически устойчивого освоения минеральных ресурсов.

Развитие науки и техники приводит к все более широкому внедрению высокомолекулярных полимерных соединений синтетического, а также природного происхождения. Разнообразие полимеров, варьирование в широких пределах их стереоконфигурации и молекулярной массы, возможность получения композитов в разнообразных сочетаниях с различными веществами, -все это является основой для получения широчайшего спектра новых материалов с новыми ценными свойствами. Полимерные материалы необходимы для различных сфер человеческой деятельности.

Синтетические полимерные материалы стали неотъемлемой частью современной жизни; они заменяют сегодня сталь, древесину и стекло. По прогнозам, потребление этих материалов на душу населения увеличится к 2010 г. в США, Западной Европе и Японии с 24,5 кг до 37,0 кг. Все возрастающее использование человеком синтетических пластмасс стало глобальной экологической проблемой.

Полимеры: определение, виды, области применения

Термин «полимер» состоит из слов: «поли» - много и «мер» - единица, таким образом, полимер - это молекула, состоящая из множества единиц. По отношению к воздействию температуры полимеры подразделяются на два типа: термоотверждаемые и термопластичные. Термопластичные полимеры могут быть использованы для получения изделий различной конфигурации из расплавов путем формования, прессования, экструзии. Термопласты не имеют межмолекулярных связей и, как правило, состоят из линейных полимерных цепей. Термоотверждаемые полимеры полимеризуются, приняв свою окончательную форму и не могут быть переформованы с целью изменения формы в результате нагрева. Как правило, полимерные цепи в этом типе полимеров имеют ковалентные межмолекулярные связи.

В зависимости от способа получения, полимеры классифицируется как аддитивные (полимеры, полученные ступенчатой полимеризацией) и конденсационные. Аддитивные полимеры (полиэтилен, полиметилметакрилат) синтезируются в реакции присоединения свободного радикала из ненасыщенных мономеров, содержащих двойные углеродно-углеродные связи. Конденсационные полимеры образуются путем совместной реакции двух полимеров, в результате которой выделяется вещество с небольшим молекулярным весом, например вода. Примерами конденсационных полимеров являются полиамиды. Некоторые конденсационные полимеры могут подвергаться гидролизу в организме и разрушаться.

Термин «полимерные материалы» является обобщающим. Он объединяет три обширных группы синтетических пластиков, а именно: полимеры; пластмассы и их морфологическую разновидность - полимерные композиционные материалы (ПКМ) или, как их еще называют, армированные пластики. Общее для перечисленных групп то, что их обязательной частью является полимерная составляющая, которая и определяет основные термодеформационные и технологические свойства материала. Полимерная составляющая представляет собой органическое высокомолекулярное вещество, полученное в результате химической реакции между молекулами исходных низкомолекулярных веществ - мономеров. Полимерами принято называть высокомолекулярные вещества.



Физически полимеры являются гомофазными материалами, они сохраняют все присущие гомополимерам физико-химические особенности. Пластмассами называются композиционные материалы на основе полимеров, содержащие дисперсные или коротковолокнистые наполнители, пигменты и иные сыпучие компоненты. Наполнители не образуют непрерывной фазы. Они располагаются в полимерной матрице. Физически пластмассы представляют собой гетерофазные материалы с изотропными (одинаковыми во всех направлениях) физическими макросвойствами.
Пластмассы могут быть разделены на две основные группы - термопластические и термореактивные.

Термопластические пластмассы после формирования могут быть расплавлены и снова сформованы; термореактивные, сформованные раз, уже не плавятся и не могут принять другую форму под воздействием температуры и давления. Почти все пластмассы, используемые в упаковках, относятся к термопластическим, например, полиэтилен и полипропилен (члены семейства полиолефинов), полистирол, поливинил-хлорид, полиэтилентерефталат, найлон (капрон), поликарбонат, поливинил-ацетат, поливиниловый спирт и др.

Наиболее распространенными полимерами углеводородной природы являются полиэтилен и полипропилен. Полиэтилен получают полимеризацией этилена; полипропилен - стереоспецифической полимеризацией пропилена (пропена).

Полиолефины - это класс полимеров одинаковой химической природы (химическая формула - (СН2)-п) с разнообразным пространственным строением молекулярных цепей, включающий в себя полиэтилен и полипропилен. В мире ежегодно производится порядка 180 млн т полимеров, полиолефины составляют примерно 60 % от этого количества. В будущем полиолефины будут окружать нас в гораздо большей степени, чем сегодня.

Комплекс свойств полиолефинов, в том числе такие, как стойкость к ультрафиолету, окислителям, к разрыву, протыканию, усадке при нагреве и к раздиру, меняется в очень широких пределах в зависимости от степени ориентационной вытяжки молекул в процессе получения полимерных материалов и изделий.

Около 60 % всех пластиков, используемых в настоящее время для упаковки - это полиэтилен, главным образом благодаря его низкой стоимости, но также благодаря его отличным свойствам для многих областей применения. Полиэтилен высокой плотности (ПЭНД - низкого давления) имеет самую простую структуру из всех пластиков, он состоит из повторяющихся звеньев этилена.  (CH2CH2)n- полиэтилен высокой плотности. Полиэтилен низкой плотности (ПЭВД - высокого давления) имеет ту же химическую формулу, но отличается тем, что его структура разветвленная. -(CH2CHR)n-полиэтилен низкой плотности, в котором R может быть -H, -(CH2)nCH3 или более сложной структурой с вторичным разветвлением.

Самым крупным направлением переработки пластмасс является производство тары и упаковки. Удельный вес этого сегмента в РФ в объемах потребления пластмасс сопоставим с показателями в Европе (38 %) и США (29 %). Наибольшим спросом на внутреннем рынке пользуются тара и упаковка из полиэтилена и полиэтилентерефталата.

Следом идут упаковочные материалы на основе полипропилена, полистирола и поливинилхлорида. В России обеспечение спроса внутреннего рынка на тару и упаковку осуществляется в основном за счет отечественных производителей. Экспортная составляющая в суммарном спросе на продукт невелика. У рынка полимерной тары и упаковки есть дальнейшие перспективы развития, обусловленные как наращиванием объемов производства, так и улучшением качества продукции.

Среднегодовые темпы роста внутреннего спроса на тароупаковочные материалы в РФ в перспективе до 2015 г. прогнозируются на уровне 4,5 %. Рынок промышленных изделий из пластмасс является быстроразвивающимся, среднегодовые темпы роста потребления изделий производственного назначения составляют 12 %. Эта тенденция относится не только к промышленной упаковке, но и к полиэтиленовым пакетам. Общая емкость рынка синтетической упаковочной пленки в России составляет свыше 100 тыс. т/год.

Области применения пластмасс широки и включают практически все сферы человеческой деятельности (сельское и коммунальное хозяйство, строительство, транспорт, медицину); основная область применения пластмасс - тара и упаковочная продукция, включая затаривание пищевых продуктов и напитков.

На Российском рынке сформировались следующие основные сегменты продукции из пластмасс в период с 2000 по 2007 гг.: тара и упаковка с долей 30-40 %, изделия и детали производственного назначения - 15-18 %, пленки -16-17 %, профильно-погонажные изделия - 5-18 %, изделия культурно-бытового и хозяйственного назначения - 10-14 %, трубы - 4-9 %, листы -2-3 %. Крупнейшими потребителями изделий из пластмасс являются: строительство - 26 %, производство упаковочных материалов для пищевых продуктов - 25 %, домашние хозяйства - 10 %. Среднегодовые темпы роста спроса внутреннего рынка на период до 2015 г. на изделия из пластмасс составят 6,0-10,0 %.

По прогнозам, рост потребления пластиков неизбежен, при этом наибольший прирост объемов выпуска, как полагают, придется на новый вид пластиков - разрушаемые биопластики. На рис. 5.1 с использованием данных рабочей группы «European Bioplastics» представлены ситуация и прогноз по развитию рынка пластасс разных типов.

Прогноз развития рынка потребления различных типов пластиков в 2007-2011 гг., тыс. т
Рис. 5.1. Прогноз развития рынка потребления различных типов пластиков в 2007-2011 гг., тыс. т (представлено с учетом данных «European Bioplastics»): "белое" - синтетические, биоразрушаемые; "серое" - биопластики, не биоразрушаемые; "черное" - биопластики, биоразрушаемые
Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы