Проблема накопления и пути утилизации полимерных отходов

29 Декабря в 19:54 3547 0


Синтетические полимеры (нейлон, полиэтилен, полиуретан) совершили революцию в нашем образе жизни, но их применение создает ряд проблем. Во-первых, синтетические полимеры получают из невозобновляемых ресурсов; во-вторых, - применение не разрушаемых в природной среде пластиков и их накопление ведут к загрязнению окружающей среды и создают глобальную экологическую проблему.

Объемы выпуска не разрушаемых в природной среде синтетических пластмасс, главным образом полиолефинов (полиэтиленов и полипропиленов), получаемых в процессах нефтеоргсинтеза огромны, к настоящему моменту они достигли 180 млн т в год и ежегодно возрастают примерно на 25 млн. При этом основная их часть складируется на свалках, так как повторной переработке в развитых странах подвергается не более 16-20 %.

В настоящее время для очистки окружающей среды от пластмассовых отходов активно разрабатываются два основных подхода: захоронение и утилизация. Захоронение пластмассовых отходов - это «бомба замедленного действия» и перекладывание сегодняшних проблем на плечи будущих поколений. Кроме того, под полигоны и свалки твердых бытовых отходов ежегодно отчуждается до 10 тыс. га земель, в том числе и плодородных, изымаемых из сельскохозяйственного оборота. Возможные пути сокращения гигантских отходов синтетических пластиков - это утилизация, которую можно разделить на ряд главных направлений: сжигание, пиролиз, рециклизация и переработка.

Однако как сжигание, так и пиролиз отходов тары и упаковки и вообще пластмасс кардинально не улучшают экологическую обстановку. Более того, сжигание - это дорогостоящий процесс, к тому же еще и приводящий к образованию высокотоксичных, а также супертоксичных (таких, как фураны и диоксины) соединений. Повторная переработка пластмасс в определенной степени решает этот вопрос, но это требует значительных трудовых и энергетических затрат, так как для этого необходимы следующие действия: отбор из бытового мусора пластической тары и упаковки, разделение собранных отходов по виду пластиков, мойка, сушка, измельчение и только затем переработка в новое полимерное изделие.

Необходимость проведения мероприятий для рециклизации пластмассовых отходов, в особенности из тары и упаковки, в ряде стран закреплена законодательно. В странах ЕС законодательные инициативы и акты обязывают производителей пластмассовой упаковки использовать при этом до 15 % в качестве сырья вторичные пластмассы. Так, для Германии эта квота составляет 50 % и должна увеличиться до 60 %. Связано это с тем, что захоронение и сжигание не решают проблемы рецикла многомиллионных синтетических отходов, и их аккумуляция в биосфере грозит глобальной экологической катастрофой. Переход на новые типы материалов, которые разрушаются в природной среде естественным путем до безвредных продуктов, становится насущной проблемой.

Переход на такие материалы в настоящее время становится все более предпочтительным по мере роста цен на нефть и другие виды нефтехимического сырья. Полимеры, получаемые из природного сырья или синтезируемые микроорганизмами (так называемые биополимеры, или биопластики), в отличие от нефтепродуктов, практически не вносят вклад в пополнение парниковых газов и глобальное потепление. Одним из преимуществ использования биоразлагаемых полимеров на биооснове - помочь обновить «углеродный цикл» или «реинкарнацию углерода» (рис. 5.2).

Полимеры из нефти также могут рассматриваться как возобновляемые, так как потребуется более миллиона лет для превращения растительной биомассы в ископаемые источники топлива, которые используются в качестве сырья в производстве синтетических полимеров. В связи с тем, что объемы потребления пластиков намного выше уровня восполнения ископаемых углеродсодержащих ресурсов, в «углеродном цикле» возникает большой дисбаланс.

Цикл углерода полимеров, полученных из нефти, и биополимеров
Рис. 5.2. Цикл углерода полимеров, полученных из нефти, и биополимеров. Путь возобновляемых ресурсов (пунктирные стрелки); путь ископаемых (невозобновляемых) ресурсов (черные стрелки); путь возобновляемых и невозобновляемых ресурсов (сплошные стрелки)

Напротив, биодеградируемые полимеры, полученные из растительных возобновляемых материалов, таких как зерно и зерновой крахмал, могут быть произведены и превращены в биомассу за сравнимые временные промежутки (рис. 5.2).

Поэтому страны, развивающие это направление, автоматически освобождаются от квот на выбросы, налагаемых Киотским протоколом. Так, Евросоюз взял на себя обязательства с 2008 по 2012 гг. сократить объем выбросов СО2 в атмосферу на 8 % относительно уровня 1990 г. Аналогичное обязательство приняла на себя и Япония, в этот период она планирует сократить выбросы углекислого газа на 6%.

В 2000 г. ЕС приняла стандарт EN 13432, регламентирующий требования к биоразлагаемым полимерам. По решению Европейской Комиссии №2001/524/WE он приведен в соответствие с директивой №94/62/WE. Стандарт внедряет критерии оценки и процедуры, касающейся возможности естественного гниения биоразлагаемых синтетических материалов в компостных ямах, а также их обработку без присутствия кислорода (т.е. рециклинг органических веществ, а не сжигание).



На рис. 5.3 схематично представлен путь трансформации биополимеров в процессах компостирования.

Схема производства, потребления и утилизации биополимеров, полученных из возобновляемых источников, включающая стадию компостирования
Рис. 5.3. Схема производства, потребления и утилизации биополимеров, полученных из возобновляемых источников, включающая стадию компостирования: 1) путь от сбора урожая до получения продукта; 2) путь от сбора урожая до утилизации биополимеров; 3) путь от сбора урожая до сбора урожая

Путь от урожая через получение, использование к переработке полимеров тем или иным способом можно образно назвать «от колыбели к могиле». Если продукт либо упаковка компостируются, образуется гумус и диоксид углерода.

Диоксид углерода используется растениями в ходе фотосинтеза, а гумус возвращается в землю в качестве удобрений для получения питательных веществ, потребляемых растениями. Цикл процессов от сбора урожая до возвращения продуктов преобразования полимеров в землю для выращивания новой биомассы и до следующего сбора урожая относится к процессу «от колыбели к колыбели».

Обычно после использования пластики, полученные из нефти, особенно пластики, используемые в упаковке и сельском хозяйстве, содержат примеси, снижающие возможность повторного использования; таким образом, они заканчивают существование на мусорных свалках, где влага и кислород присутствуют в небольшом количестве или совсем отсутствуют. Поэтому на мусорной свалке они разлагаются крайне медленно.

Напротив, биоразрушаемые пластики под воздействием почвенных и водных микроорганизмов трансформируются до гумуса и далее до диоксида углерода и воды (конечных продуктов распада органики) в срок от несколько месяцев до десятков суток в ходе компостирования. Сроки, необходимые для разложения тароупаковочных материалов в естественных условиях, могут составлять многие годы и десятилетия. Разложение в природной среде синтетических полимерных материалов составляет десятки и сотни лет, в то время, как использование биополимеров приводит к значительному сокращению этих сроков.

Скорость разложения материалов зависит от ряда факторов - вида полимера, влажности, температуры, светового воздействия, микробной составляющей среды и др. Наиболее высокой способностью к биодеструкции обладают полимеры, которые содержат химические связи, легко подвергаемые гидролизу. Присутствие заместителей в полимерной цепи часто способствует повышению биодеструкции, зависящей также от степени замещения цепи и длины ее участков между функциональными группами, гибкости макромолекул и т. д.

На скорость разрушения полимеров влияет также величина их молекул. В то время как мономеры или олигомеры могут легко гидролизоваться и окисляться микроорганизмами, полимеры с большой молекулярной массой более стабильны. Биодеструкцию большинства технических полимеров инициируют процессы небиологического характера, такие как термическое и фотоокисление, термолиз, механическая деградация и т.п.

Процессы биологической деструкции биопластиков могут протекать в аэробных условиях с образованием диоксида углерода и воды, а также в аноксигенной среде, без участия кислорода, с образованием метана и воды. Компостирование - преимущественно аэробный процесс и может рассматриваться как природный путь переработки отходов. Компост может производиться не только в больших масштабах на коммерческих компостирующих мощностях, но и в малом масштабе, например на заднем дворе небольшой фермы.

Таким образом, утилизация синтетических материалов - огромная экологическая проблема, и рассматриваемые проекты как захоронения и компостирования, так и возможной реутилизации химических пластиков не оптимистичны. Полагают, что это технически невозможно, так как для транспортных и непищевых упаковок возможно применение до 25 % вторичных пластмасс, но не для упаковок пищевых продуктов.

Нельзя не отметить, что сбор и повторная переработка полимерной тары и упаковки неизменно приводит к ее удорожанию, а качество рециклизованного полимера и изделий при этом снижается. Если предположить, что значительная часть тары и упаковки будет в будущем использована повторно, для этого необходимо знать, какая кратность переработки является допустимой и когда неизбежно изделия попадут на свалку.

Н.А. Воинов, Т.Г. Волова
Похожие статьи
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы