Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Tworzywa sztuczne zalegają świat

Tworzywa sztuczne zalegają świat
W 2050 r. masa plastikowych odpadów znajdująca się w oceanach prześcignie łączną masę ryb! Takie ostrzeżenie znalazło się w raporcie fundacji Ellen MacArthur i firmy McKinsey, opublikowanym przy okazji Światowego Forum Ekonomicznego w Davos, w 2016 r.

Jak czytamy w dokumencie, proporcja ton plastiku do ton ryb w wodach oceanów wynosiła w 2014 r. jeden do pięciu. W 2025 r. będzie to jeden do trzech, a w 2050 r. odpadów z tworzyw sztucznych będzie już więcej… Raport powstał na podstawie wywiadów z ponad 180 ekspertami i analizy ponad dwustu innych opracowań. Autorzy raportu zwracają uwagę, że jedynie 14% plastikowych opakowań jest odzyskiwanych. W przypadku innych materiałów wskaźnik recyklingu pozostaje znacznie wyższy - odzyskuje się bowiem 58% papieru i do 90% materiałów żelaznych oraz stalowych.

1. Światowa produkcja tworzyw sztucznych w latach 1950-2010

Ze względu na użyteczność, uniwersalność zastosowań i oczywiście bardzo niskie koszty produkcji plastik stał się jednym z najbardziej popularnych materiałów na świecie. Jego wykorzystanie wzrosło blisko dwustukrotnie od roku 1950 r. do roku 2000 (1) i oczekuje się podwojenia tej wartości w ciągu kolejnych dwudziestu lat.

2. Obrazek z pacyfi cznego raju archipelagu wysp Tuvalu

Plastik jest wszechobecny. Znajdziemy go w butelkach, foliach, ramach okiennych, ubraniu, ekspresach do kawy, samochodach, komputerach i komórkach. Nawet murawa piłkarska skrywa włókna syntetyczne między naturalnymi źdźbłami trawy. Na poboczach dróg i na polach (2) poniewierają się latami plastikowe torby i opakowania, czasami nieopatrznie zjadane przez zwierzęta (3). Częstokroć z braku alternatywy plastikowe śmieci są spalane, wskutek czego do atmosfery uwalniają się toksyczne wyziewy. Odpady z tworzyw sztucznych zatykają kanalizację, powodując powodzie. Utrudniają kiełkowanie roślin i wchłanianie wody deszczowej.

3. Żółw zjadający plastikową folię

Najgorsza jest drobnica

Wielu badaczy zwraca uwagę, że najgorsze plastikowe odpady to wcale nie pływające w oceanach butelki PET czy miliardy walających się foliowych toreb. Największym problemem są obiekty, których właściwie nie dostrzegamy. Chodzi o cienkie, drobne włókienka z tworzyw sztucznych wplecione w tkaniny naszych ubrań. Na dziesiątki sposobów, setkami dróg, przez kanalizację, rzeki, nawet atmosferę, przenikają do środowiska, do łańcuchów pokarmowych zwierząt i ludzi. Szkodliwość tego rodzaju zanieczyszczeń sięga do poziomu struktur komórkowych i DNA!

Niestety, przemysł odzieżowy - który wg szacunków przetwarza ok. 70 mld ton tego rodzaju włókien na 150 miliardów sztuk odzieży - nie jest właściwie w żaden sposób regulowany. Producenci odzieży nie są poddawani równie ścisłym obostrzeniom i kontroli, jak wytwórcy opakowań plastikowych czy wspomnianych butelek PET. Mało mówi się i pisze o ich wkładzie w zanieczyszczanie świata plastikiem. Nie istnieją też ścisłe i dobrze opracowane procedury recyklingu ubrań przetykanych szkodliwymi włóknami.

Pokrewnym i nie mniejszym problemem jest tzw. mikroplastik, czyli maleńkie, syntetyczne drobinki o wielkości poniżej 5 mm. Granulki pochodzą z wielu źródeł - plastików rozkładających się w środowisku, przemysłu tworzyw sztucznych czy procesu ścierania się opon samochodowych podczas ich eksploatacji. Ze względu na wspomaganie czyszczącego działania plastikowe mikrocząsteczki znajdziemy nawet w pastach do zębów, żelach pod prysznic i produktach do peelingu. Ze ściekami trafiają do rzek i mórz. Nie jest ich w stanie wychwycić większość konwencjonalnych oczyszczalni.

Niepokojące znikanie odpadów

Po badaniach przeprowadzonych w latach 2010-2011 przez morską ekspedycję o nazwie "Malaspina" okazało się niespodziewanie, że w oceanach pływa znacznie mniej plastikowych odpadów niż szacowano. Przez długie miesiące statek badawczy podróżował po wszystkich oceanach i łowił śmieci. Naukowcy spodziewali się połowów, które pozwalałyby szacować ilość oceanicznego plastiku na miliony ton. Tymczasem raport z badań, który ukazał się w czasopiśmie "Proceedings of the National Academy of Sciences" w 2014 r., mówi o najwyżej… 40 tys. ton. Naukowcy stwierdzili, że brakuje aż 99% tworzyw sztucznych, które powinny pływać w wodach oceanicznych!

4. Plastik i zwierzęta

Czy to dobrze? Absolutnie nie. Uczeni przypuszczają bowiem, że brakujący plastik trafił do oceanicznego łańcucha pokarmowego. Czyli: śmieci są masowo zjadane przez ryby i inne organizmy morskie. Dzieje się to po rozdrobnieniu wskutek działania słońca i fal. Wówczas drobne pływające kawałki mogą być mylone przez ryby z ich pokarmem - drobnymi stworzeniami morskimi. Konsekwencje zjadania drobnych kawałków tworzyw sztucznych i innych kontaktów z tworzywami sztucznymi nie są jeszcze dobrze zbadane, ale prawdopodobnie nie jest to dobry wpływ (4).

Zgodnie z ostrożnymi szacunkami opublikowanymi w magazynie "Science", rokrocznie do oceanów świata trafi a ponad 4,8 mln ton plastikowych śmieci. Maksymalnie może to być jednak nawet 12,7 mln ton. Uczeni, którzy przeprowadzili te obliczenia, mówią, że gdyby przyjąć średnią ich szacunków, czyli ok. 8 mln ton, to taka ilość śmieci pokryłaby pojedynczą warstwą 34 wyspy o powierzchni Manhattanu.

Głównymi autorami tych obliczeń są naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara. Podczas swojej pracy współpracowali z amerykańskimi instytucjami federalnymi i innymi uczelniami. Ciekawostką jest, że wg tych estymacji jedynie od 6350 do 245 tys. ton zaśmiecającego morza plastiku pływa po powierzchni wód oceanicznych. Reszta jest gdzie indziej. Zdaniem naukowców, zarówno na dnie morskim, jak na wybrzeżach i oczywiście w organizmach zwierząt.

Mamy zresztą jeszcze nowsze i jeszcze bardziej przerażające dane. Pod koniec ubiegłego roku na internetowym repozytorium materiałów naukowych "Plos One" ukazała się praca zbiorowa badaczy z wielu sto ośrodków naukowych, którzy szacują łączną masę pływających na powierzchni oceanów świata odpadków plastikowych aż na 268 940 ton! Ich ocena oparta jest na danych pochodzących z 24 ekspedycji podjętych w latach 2007-2013 na wody tropikalne i Morze Śródziemne.

"Kontynenty" (5) tworzące się z plastikowych śmieci nie są statyczne. Bazując na symulacji ruchów prądów wodnych w oceanach, naukowcom udało się ustalić, że ogromne masy plastikowych odpadów nie gromadzą się w jednym miejscu - są raczej transportowane na olbrzymie odległości. W wyniku działania wiatru na powierzchni oceanów, jak i ruchu obrotowego Ziemi (poprzez tzw. siłę Coriolisa), w pięciu największych akwenach naszej planety - tj. północnej i południowej części Pacyfiku, północnej i południowej części Atlantyku oraz na Oceanie Indyjskim - tworzą się wiry wodne, które stopniowo gromadzą wszystkie pływające plastikowe przedmioty i odpady. Sytuacja ta powtarza się cyklicznie, co roku.

5. Mapa oceanicznej dystrybucji plastikowych śmieci o różnych rozmiarach

Poznanie szlaków wędrówki owych "kontynentów" to efekt długich symulacji z wykorzystaniem specjalistycznego sprzętu (zwykle pomocnego w badaniach klimatu). Badano drogę, jaką przemierza kilka milionów elementów plastikowych odpadów. Symulacje wykazały, że w strukturach powstałych na obszarze kilkuset tysięcy kilometrów obecne były prądy wodne, wyprowadzające część odpadów poza ich największe skupiska i kierujące je na wschód. Oczywiście w grę wchodzą również czynniki takie, jak siła fal czy wiatru, pominięte przy sporządzaniu wspomnianego opracowania, lecz z pewnością odgrywające znaczącą rolę w szybkości i kierunku transportu plastiku.

Owe dryfujące "lądy" odpadów są także doskonałym środkiem transportu dla różnego rodzaju wirusów i bakterii, które w ten sposób łatwiej mogą się rozprzestrzeniać.

Jak posprzątać "śmieciowe kontynenty"

Można zbierać ręcznie. Plastikowe śmieci dla jednych są zmorą, dla innych - źródłem dochodu. Recykling odpadów z tworzyw koordynują nawet międzynarodowe organizacje. Zbieracze z krajów Trzeciego Świata segregują tworzywa sztuczne w domu. Pracę wykonują ręcznie albo przy pomocy prostych maszyn. Plastiki gniotą lub tną na drobne kawałki i sprzedają do dalszego recyklingu. Wyspecjalizowane organizacje pośredniczą między nimi, administracją i organizacjami pozarządowymi. Współpraca ta zapewnia zbieraczom stały dochód. Jednocześnie jest to sposób na usuwanie plastikowych odpadów ze środowiska.

Ręczne zbieranie jest jednak stosunkowo mało wydajne. Dlatego pojawiają się pomysły działań na większą skalę. Przykładowo, Holender Boyan Slat proponuje w ramach projektu The Ocean Cleanup instalację w morzu pływających barier przechwytujących śmieci.

Pilotażowa instalacja zbierająca śmieci w pobliżu wyspy Cuszima, położonej pomiędzy Japonią a Koreą, sprawdziła się całkiem nieźle. Nie jest napędzana żadnymi zewnętrznymi źródłami energii. Jej wykorzystanie opiera się na wiedzy o działaniu wiatru, prądów morskich i fal. Pływające plastikowe śmieci, gdy już wpadną do pułapki, zakrzywionej w formie łuku lub rozwierających się ramion (6), są wpychane dalej do środka obszaru, gdzie się gromadzą i mogą być stosunkowo łatwo wydobywane. Teraz, gdy sprawdzono rozwiązanie w mniejszej skali, powstać mają większe instalacje, o stukilometrowej nawet długości.

6. Zbieranie pływających plastikowych śmieci w ramach projektu The Ocean Cleanup

Słynny wynalazca i milioner James Dyson opracował kilka lat temu projekt M.V. Recyclone, czyli wielkiej barki-odkurzacza, której zadaniem byłoby czyszczenie wód oceanicznych ze śmieci, głównie plastikowych. Maszyna ma łowić odpadki w sieci, a następnie zasysać je czterema odśrodkowymi odkurzaczami. Koncepcja polega na tym, aby zasysanie dobywało się poza wodą i nie zagrażało rybom. Dyson jest angielskim projektantem urządzeń przemysłowych, znanym najbardziej jako wynalazca bezworkowego odkurzacza działającego na zasadzie wykorzystania separacji cyklonicznej.

A co począć z tymi masami śmieci, gdy już uda się je tak czy inaczej pozbierać? Pomysłów nie brakuje. Na przykład Kanadyjczyk David Katz proponuje stworzenie banku plastiku (Plastic Bank).

Odpady miałyby być tu czymś w rodzaju waluty. Można by je wymienić na pieniądze, odzież, żywność, doładowanie do komórek albo drukarkę 3D, umożliwiającą z kolei tworzenie nowych przedmiotów codziennego użytku z plastiku pochodzącego z recyklingu. Pomysł wcielono już nawet w życie w Limie, stolicy Peru. Teraz Katz zamierza zainteresować nim władze Haiti.

Recykling daje radę, ale nie ze wszystkim

Pod pojęciem "tworzywo sztuczne" rozumie się materiały, których podstawowym składnikiem są syntetyczne, naturalne lub modyfikowane polimery. Tworzywa sztuczne mogą być otrzymywane zarówno z czystych polimerów, jak i z polimerów modyfikowanych poprzez dodanie różnych substancji pomocniczych. Nazwą "tworzywa sztuczne" w języku potocznym obejmuje się również półwyroby dostarczane do przetwórstwa oraz wyroby gotowe, o ile wykonano je z materiałów, które można zaliczyć do grupy tworzyw sztucznych.

Istnieje około dwudziestu powszechnie stosowanych rodzajów tworzyw sztucznych. Każdy z nich występuje w licznych odmianach, co pomaga wybrać materiał najlepszy do określonego zastosowania. Wyróżnia się pięć (lub sześć) grup tworzyw wielkotonażowych: polietylen (PE, w tym - wysokiej i niskiej gęstości, HD i LD), polipropylen (PP), polichlorek winylu (PVC), polistyren (PS) oraz politereftalan etylenu (PET). Ta tzw. wielka piątka lub szóstka (7) pokrywa blisko 75% europejskiego zapotrzebowania na wszystkie tworzywa sztuczne i stanowi największą grupę tworzyw zalegającą na wysypiskach komunalnych.

7. Oznaczenia tworzyw sztucznych

Utylizacja tych substancji przez spalanie na wolnym powietrzu nie jest w żadnym wypadku akceptowana, zarówno przez specjalistów, jak i przez ogół społeczeństw. Można natomiast użyć do tego celu niezagrażających środowisku spalarni, pozwalających na zmniejszenie objętości odpadów nawet o 90%.

Składowanie odpadów na wysypiskach nie jest aż tak toksyczne, jak spalanie ich na wolnym powietrzu, ale w najbardziej rozwiniętych krajach też nie jest już akceptowane. Chociaż to nieprawda, że "plastik jest wieczny", jednak rzeczywiście biodegradacja polimerów trwa o wiele dłużej niż odpadków z jedzenia, papieru czy metali. Na tyle długo, że np. w Polsce przy obecnym poziomie produkcji plastikowych śmieci, wynoszącym u nas ok. 70 kg na głowę rocznie, i przy stopniu odzyskiwania, który niedawno ledwo przekroczył 10%, rodzima górka tych śmieci sięgnęłaby 30 mln ton w ciągu ledwie kilkunastu lat.

Na powolny rozkład tworzyw sztucznych wpływ mają takie czynniki, jak środowisko chemiczne, naświetlenie (UV) oraz oczywiście rozdrobnienie materiału. Wiele technologii recyklingu (8) polega po prostu na znacznym przyspieszaniu tych procesów. W efekcie otrzymujemy z polimerów prostsze cząsteczki, które możemy ponownie zamienić na tworzywo do czegoś innego, albo mniejsze drobiny, które mogą posłużyć jako surowiec do wytłaczania, lub też możemy zejść chemicznie jeszcze niżej - otrzymywać biomasę, wodę, różnego typu gazy, dwutlenek węgla, metan, azot.

8. Technologie recyklingu i przetwarzania tworzyw sztucznych

Sposób utylizacji odpadów z tworzyw termoplastycznych jest stosunkowo prosty, gdyż mogą one być wielokrotnie przerabiane. Jednak w czasie powtórnego przetwórstwa następuje częściowa degradacja polimeru, której konsekwencją jest pogorszenie właściwości mechanicznych wyrobu. Z tego powodu w procesie przetwórstwa dodaje się tylko pewien procent surowca wtórnego lub materiał odpadowy przerabia na wyroby o mniejszych wymaganiach użytkowych, jak np. zabawki.

Znacznie większym problemem podczas utylizacji zużytych wyrobów z termoplastów jest konieczność ich sortowania pod względem asortymentu, co wymaga fachowych umiejętności oraz usuwania z nich zanieczyszczeń. Nie zawsze jest to opłacalne. Tworzywa z polimerów usieciowanych w zasadzie nie mogą być ponownie przetwarzane.

Wszystkie tworzywa organiczne są palne, lecz niszczenie ich w ten sposób również nastręcza trudności. Metody tej nie można stosować do tworzyw zawierających siarkę, fluorowce i fosfor, gdyż podczas spalania emitują do atmosfery duże ilości trujących gazów, będących przyczyną tzw. kwaśnych deszczy.

Wydzielają się przede wszystkim chloroorganiczne związki aromatyczne przewyższające toksycznością wielokrotnie cyjanek potasu, tlenki węglowodorów w postaci dioksanów - C4H8O2 i furanów - C4H4O przedostających się do atmosfery. Gromadzą się one w środowisku, ale trudno je wykryć z racji nikłych stężeń. Wchłaniane z pokarmem, powietrzem oraz wodą i kumulowane w organizmie powodują ciężkie schorzenia, obniżają odporność organizmu, są rakotwórcze oraz mogą wywołać zmiany genetyczne.

Podstawowym źródłem emisji dioksyn są procesy spalania odpadów zawierających w swym składzie chlor. Dla uniknięcia emisji tych szkodliwych związków należy stosować instalacje wyposażone w tzw. komory dopalania, w temperaturze min. 1200°C.

Odpady przetwarzane na wiele sposobów

Technologia powtórnego wykorzystania odpadów z tworzyw to ciąg wieloetapowy. Zaczynamy od odpowiedniego gromadzenia opadów, czyli wyodrębnienia tworzywa sztucznego ze śmieci. W zakładzie przetwórczym następuje najpierw sortowanie wstępne, potem rozdrabnianie i mielenie, oddzielenie ciał obcych, następnie sortowanie tworzyw według rodzaju, suszenie oraz wytwarzanie półproduktu z odzyskanego surowca.

Nie zawsze jest możliwe posortowanie zgromadzonych odpadów ze względu na ich rodzaj. Dlatego sortuje się je wieloma różnymi metodami, dzielonymi ogólnie na mechaniczne i chemiczne. Metody mechaniczne to: segregacja ręczna, flotacyjna lub pneumatyczna. Jeśli odpady są zanieczyszczone, takie sortowanie odbywa się na mokro. Metody chemiczne to m.in. hydroliza - polegająca na rozłożeniu polimerów pod działaniem pary wodnej (surowce do ponownej produkcji poliestrów, poliamidów, poliuretanów i poliwęglanów) lub piroliza niskotemperaturowa, za pomocą której utylizuje się np. butelki PET i zużyte opony.

Przez pirolizę rozumie się termiczne przekształcanie substancji organicznych w środowisku całkowicie pozbawionym tlenu, bądź też przy niewielkiej jego obecności. Piroliza niskotemperaturowa zachodzi w temperaturze 450-700°C, a w jej wyniku powstają m.in. gaz pirolityczny, składający się z pary wodnej, wodoru, metanu, etanu, tlenku i dwutlenku węgla, a także siarkowodór i amoniak, olej, smoły, woda i substancje organiczne, koks pirolityczny i pyły z dużą zawartością metali ciężkich. Instalacja nie wymaga żadnego zasilania, ponieważ pracuje na pirolitycznym gazie wytworzonym w trakcie procesu recyklingu.

Do 15% gazu z pirolizy zużywanego jest do pracy instalacji. W procesie powstaje też do 30% płynu z pirolizy podobnego olejowi opałowemu, który można rozdzielić na takie frakcje jak: 30% benzyny, rozpuszczalnik, 50% oleju opałowego i 20% mazutu.

Pozostałe surowce wtórne wytworzone z jednej tony odpadów to: do 50% pirokarbonatu węglowego - jest to odpad stały, wg kaloryczności bliższy koksowi, który może być zastosowany jako paliwo stałe, węgiel aktywny z zastosowaniem do filtrów lub sproszkowany jako pigment do farb, oraz do 5% metalu (złom wsadowy) w przypadku pirolizy opon samochodowych.

Domy, drogi i paliwa

Opisane metody recyklingu to poważne, przemysłowe procesy. Nie w każdej sytuacji są dostępne. Duńska studentka inżynierii Lise Fuglsang Vestergaard (9) podczas pobytu w indyjskim mieście Joygopalpur w Bengalu Zachodnim wpadła więc na niezwykły pomysł - dlaczego nie można by z wszędzie poniewierających się toreb i opakowań robić cegieł, z których ludzie mogliby budować sobie domy?

9. Lise Fuglsang Vestergaard

Chodziło jej przy tym nie tylko o samą produkcję cegieł, ale także opracowanie całego procesu, by ludzie na projekcie naprawdę korzystali. Według jej pomysłu najpierw odpady się zbiera i - jeżeli to konieczne - oczyszcza. Potem przygotowuje się zgromadzony materiał, tnąc go nożyczkami albo nożami na mniejsze kawałki. Tak rozdrobniony surowiec wkładany jest do formy i stawiany na solarnym grillu, gdzie plastik podgrzewa się pod wpływem energii słonecznej. Po około godzinie plastik się topi, a po ostygnięciu można z formy wyjąć gotową cegłę.

Plastikowe cegły mają dwa otwory, przez które da się przetknąć bambusowe kije, tworząc stabilne ściany bez użycia cementu czy innych spoiw. Takie plastikowe ściany można potem tynkować w tradycyjny sposób, np. warstwą gliny, co chroni je przed działaniem słońca. Domy z plastikowych cegieł mają też tę zaletę, że w przeciwieństwie do cegieł z gliny są odporne np. na monsunowe ulewy, czyli stają się dużo trwalsze.

Warto pamiętać, że plastikowe odpady służą w Indiach także do budowy dróg. Zgodnie z rozporządzeniem rządu Indii z listopada 2015 r. wszyscy deweloperzy drogowi w kraju są zobowiązani do wykorzystywania odpadów z tworzyw sztucznych, a także mieszanek bitumicznych. Ma to pomóc przezwyciężyć narastający problem utylizacji plastiku. Technologia ta została opracowana przez prof. Rajagopalana Vasudevana, ze szkoły inżynieryjnej w Madurai.

Cały proces jest bardzo prosty. Odpady najpierw rozdrabniane są do określonego rozmiaru przy użyciu specjalnej maszyny. Następnie dodaje się je do odpowiednio przygotowanego kruszywa. Odpady pokryte kruszywem miesza się z gorącym asfaltem. Droga układana jest w temperaturze od 110 do 120°C.

Korzyści z zastosowania tworzyw sztucznych z odpadów do budowy dróg jest wiele. Proces jest łatwy i nie wymaga żadnych nowych maszyn. Do każdego kilograma kamienia zużywa się 50 gramów asfaltu. Jedną dziesiątą tego mogą stanowić odpady z tworzyw sztucznych, co zmniejsza ilość używanego asfaltu. Plastikowe odpady poprawiają też jakość nawierzchni.

Ciekawą i być może perspektywiczną linię technologiczną przerabiająca odpady na paliwo węglowodorowe zbudował Martín Olazar, inżynier z Uniwersytetu Kraju Basków. Instalacja, którą wynalazca określa jako minirafinerię, opiera się na procesach pirolizy materiałów wejściowych na biopaliwo do wykorzystania w silnikach.

Olazar zbudował dwa rodzaje linii przetwórczych. Pierwsza przetwarza biomasę. Druga, ciekawsza, służy do przerobu odpadów z tworzyw sztucznych na materiały, które posłużyć mogą np. do produkcji opon. Odpady poddawane są w reaktorze procesowi szybkiej pirolizy w relatywnie niskiej temperaturze 500°C, co przyczynia się do oszczędności w zużyciu energii.

Pomimo nowych pomysłów i postępów technologii recyklingu, wciąż jest nią objęty tylko niewielki odsetek z 300 mln ton plastikowych odpadów produkowanych co roku na świecie.

Według badań fundacji Ellen MacArthur, zaledwie 15% opakowań trafia do kontenerów, a jedynie 5% jest poddawanych recyklingowi. Prawie jedna trzecia plastików zanieczyszcza środowisko, w którym pozostanie przez dziesiątki, a niekiedy pewnie nawet setki lat.

Niech śmieci same się rozpłyną

Przetwarzanie odpadów z tworzyw sztucznych to jeden nurt. Ważny, bo sporo tych śmieci już wytworzyliśmy, a duża część przemysłu wciąż dostarcza mnóstwo produktów z materiałów z wielkiej piątki tworzyw wielkotonażowych. Jednak z czasem zapewne wzrastać będzie znaczenie gospodarcze tworzyw biodegradowalnych, materiałów nowej generacji, opartych np. o pochodne skrobi, kwasu polimlekowego, albo o… jedwab.

10. Torby na psie odchody, wykonane z degradowalnego tworzywa d2w

Produkcja z tych materiałów jest wciąż stosunkowo droga, jak to zwykle bywa z nowatorskimi rozwiązaniami. W całości rachunku nie można pominąć jednak faktu, że eliminują one koszty związane z recyklingiem i utylizacją.

Jednym z najbardziej interesujących pomysłów w dziedzinie biodegradacji tworzyw sztucznych wykonanych m.in. z polietylenu, polipropylenu oraz polistyrenu, wydaje się być technologia oparta na zastosowaniu w ich produkcji różnego typu dodatków, znanych pod symbolami d2w (10) lub EPI.

Bardziej znany, także od kilku lat w Polsce, jest produkt d2w, autorstwa brytyjskiej firmy Symphony Environmental. Chodzi o dodatek do produkcji miękkich i półsztywnych tworzyw sztucznych, od których wymagamy szybkiej, nieszkodliwej dla środowiska samodegradacji. Fachowo działanie d2w określa się jako oksybiodegradację tworzyw sztucznych. Proces ten oznacza rozpad tworzywa na wodę, dwutlenek węgla, biomasę oraz pierwiastki śladowe, bez innych pozostałości i bez wydzielania metanu.

Pod ogólną nazwą d2w występuje cały zestaw chemicznych substancji, dodawanych w procesie produkcyjnym jako domieszki do polietylenu, polipropylenu oraz polistyrenu. Za główny proces samodegradacji odpowiada tzw. pro-degradant d2w, który wspomaga i przyspiesza naturalnie zachodzący proces degradacji, wskutek dowolnie wybranych czynników pobudzających rozpad, takich jak temperatura, promieniowanie słoneczne, ciśnienie, uszkodzenia mechaniczne czy też zwykłe rozciąganie.

Chemicznie biorąc, rozłożenie polietylenu, który składa się z atomów węgla i wodoru, odbywa się wówczas, gdy rozpadnie się połączenie węgiel-węgiel, co z kolei obniża wagę cząsteczkową i prowadzi do utraty wytrzymałości i trwałości łańcucha. Proces degradacji tworzywa dzięki d2w skrócony został do nawet sześćdziesięciu dni. Czas rozpadu - co jest istotne np. w technologii opakowań - może przez odpowiednie sterowanie zawartością i rodzajami dodatków być zaplanowany już w momencie produkcji tworzywa. Raz rozpoczęty proces degradacji będzie się rozwijał, aż do całkowitego rozpadu wyrobu i to niezależnie od tego, czy znajdzie się on głęboko pod ziemią, pod wodą, czy na otwartym powietrzu.

Przeprowadzono badania, które potwierdziły, że samodegradacja z d2w jest bezpieczna. Tworzywa z udziałem d2w zostały już przetestowane przez europejskie laboratoria. Kontrolę możliwości stosowania tworzywa d2w w kontakcie z żywnością przeprowadziło laboratorium Smithers/RAPRA, dzięki czemu produkt już od kilku lat jest stosowany przez głównych sprzedawców żywności w Anglii. Dodatek nie powoduje też toksycznych efektów i jest bezpieczny dla gleby.

Oczywiście takie rozwiązania jak d2w szybko nie zastąpią recyklingu opisywanego wcześniej, ale stopniowo mogą wchodzić do procesów przetwarzania odpadów. Do surowca uzyskiwanego z tych procesów można przecież dodawać pro-degradant i uzyskamy tworzywo oksybiodegradowalne.

Kolejny etap to tworzywa rozkładające się bez konieczności stosowania żadnych przemysłowych procesów. Takie np. jak te, z których wykonane są supercienkie układy elektroniczne, rozpuszczające się po spełnieniu swojej funkcji w ludzkim organizmie, zaprezentowane po raz pierwszy w październiku ubiegłego roku.

Wynalazek topniejących układów elektronicznych to część szerszych badań nad tzw. ulotną - czy, jak kto woli, "tymczasową" - elektroniką (transient electronics) oraz materiałami, które znikną po wykonaniu swojego zadania. Naukowcy opracowali już technikę konstrukcji chipów z wyjątkowo cienkich warstw, zwanych nanomembranami. Te rozpuszczają się w ciągu kilku dni lub tygodni. O tym, jak długo trwa ten proces, decydują właściwości warstwy jedwabiu, którą układy są powleczone. A właściwościami tymi badacze potrafią sterować, tzn. przez dobranie odpowiednich parametrów warstwy decydować, jak długo pozostanie ona trwałą ochroną dla układu.

Jak wyjaśnił serwisowi BBC prof. Fiorenzo Omenetto z Uniwersytetu Tufts w USA: "Rozpuszczalna elektronika działa równie niezawodnie jak tradycyjne układy, roztapiając się po wypełnieniu swojego przeznaczenia w środowisku, w którym została umieszczona, w kontrolowanym przez projektantów czasie. Mogą to być dni lub lata".

Zdaniem prof. Johna Rogersa z Uniwersytetu Illinois, odkrycie możliwości i zastosowań rozpuszczających się w sposób kontrolowany materiałów jest wciąż jeszcze przed nami. Być może najciekawsze perspektywy rysują się dla tego wynalazku w dziedzinie ekologicznej utylizacji odpadów.

Bakterie pomogą?

Tworzywa rozpuszczalne to jeden przyszłościowy nurt, oznaczający przestawienie się na zupełnie nowe materiały. Drugim jest poszukiwanie metod szybkiego ekologicznego rozkładania uciążliwych środowiskowo substancji, które już w środowisku są i dobrze byłoby, aby stamtąd znikły.

Niedawno Instytut Technologiczny w Kyoto przeanalizował rozkład kilkuset plastikowych butelek. Podczas badań odkryto, że istnieje bakteria powodująca rozkład tworzyw sztucznych. Nazwano ją Ideonella sakaiensis. Odkrycie zostało opisane w prestiżowym magazynie "Science".

Stworzenie to do eliminacji polimeru PET używa dwóch enzymów. Jeden wyzwala reakcje chemiczne rozkładające cząsteczki, drugi wspomaga wyzwalanie energii. Bakterię odnaleziono w jednej z 250 próbek pobranych z otoczenia zakładu przerabiającego butelki PET. Wchodziła ona w skład zespołu mikroorganizmów, który degradował powierzchnię błony z PET w tempie 130 mg/cm² na dobę, w temperaturze 30°C. Naukowcom udało się też uzyskać podobny zespół mikroorganizmów bez I. sakaiensis, lecz nie miał on zdolności metabolizowania PET. Te badania pozwoliły stwierdzić, że Ideonella sakaiensis rzeczywiście przeprowadzała biodegradację tworzywa sztucznego.

W celu uzyskania energii z PET bakteria najpierw hydrolizuje PET za pomocą enzymu o angielskiej nazwie PETase (hydrolaza PET) do kwasu mono(2-hydroksyetylo) tereftalowego (MHET), który potem w kolejnym kroku hydrolizuje przy użyciu enzymu o angielskiej nazwie MHETase (hydrolaza MHET) na monomery wyjściowego tworzywa sztucznego: glikol etylenowy i kwas tereftalowy. Te związki chemiczne bakterie potrafi ą wykorzystać bezpośrednio do produkcji energii (11).

11. Rozkład PET przez bakterie Ideonella sakaiensis

Niestety, na rozłożenie cienkiego kawałka tworzywa sztucznego cała kolonia Ideonella sakaiensis potrzebuje aż sześciu tygodni i odpowiednich warunków (m.in. temperatury 30°C). Nie zmienia to faktu, że odkrycie może zmienić oblicze recyklingu.

Na pewno nie jesteśmy skazani na życie z plastikowymi śmieciami rozsianymi wszędzie dookoła (12). Jak dowodzą najnowsze odkrycia technologii materiałowych, uciążliwego i trudnego do usunięcia plastiku możemy się pozbyć na dobre. Nawet jednak jeśli wkrótce przejdziemy całkowicie na biodegradowalne tworzywa, to jeszcze długo my i nasze dzieci będziemy borykać się z pozostałościami ery plastiku wyrzucanego. Może to będzie dobra nauczka dla ludzkości, która już nigdy bez namysłu nie odda się technologii, tylko dlatego, że jest tania i wygodna?

12. Surfowanie wśród śmieci

Mirosław Usidus