Исследование скорости и степени разложения биоразлагаемых полимеров

Введение

Мы вовсе не получили Землю в наследство от наших предков –
мы всего лишь взяли ее в долг у наших детей.

Антуан де Сент Экзюпери

Полимерные продукты играют большую роль в промышленности и жизни человека. В настоящее время производство синтетических пластмасс в мире достигло 150 млн. т в год и продолжает расти. После использования полимерные промышленные и бытовые отходы попадают в мусорные отвалы. Традиционные материалы на основе полиэтилена, полипропилена и т. п. могут десятилетиями оставаться не тронутыми природой. Как быть и что делать с пластмассовым мусором, становится глобальной экологической проблемой, от решения которой в значительной степени зависит экологическая ситуация в мире.

Для очистки окружающей среды от пластмассовых отходов и снижения антропогенной нагрузки на человека и окружающую среду активно реализуются два основных подхода: захоронение (хранение отходов на свалках) и утилизация. Наиболее щадящим способом является утилизация полимерных отходов.

По мнению специалистов, радикальным решением проблемы “полимерного мусора” является создание и освоение широкой гаммы полимеров, способных при соответствующих условиях биодеградировать на безвредные компоненты.

Я решил провести опрос, чтобы узнать, что люди знают о биоразлагаемых полимерах. Были предложены следующие вопросы:

- Знаете ли вы, что существуют биоразлагаемые полимеры?
- Каковы сроки разложения у обычных пластмасс и у биоразлагаемых полимеров?
- Использовали ли вы когда-нибудь биоразлагаемые полимеры?

В результате опроса учащихся нашей школы (приложение 1) я выяснил, что более половины опрошенных мною людей не знают, что существуют биоразлагаемые полимеры. 84% опрошенных мною людей не знают, какие сроки разложения у биоразлагаемых полимеров. 87% опрошенных мною респондентов не использовали биоразлагаемые полимеры. Поэтому я решил узнать не только о свойствах, перспективах использования биоразлагаемых полимеров, но и найти изделия из биоразлагаемых полимеров, а также исследовать скорость и степень разложения биоразлагаемых полимеров.

Актуальность: Знание о биоразлагаемости полимеров позволяет исключить значительное число проблем загрязнения окружающей среды, возникающих при использовании бытовых товаров.

Проблема: Проблема заключается в недостатке знаний о “биоразлагаемых полимерах”.

Цель: исследовать скорость и степень разложения биоразлагаемых полимеров.

Задачи:
1. Выяснить сущность понятий “биопластики”, “биоразлагаемые полимеры”, “биодеструкция”.
2. Используя различные источники, собрать и изучить информацию о биоразлагаемых полимерах, о способах их получения и применения, а также о скорости разложения и безопасности для окружающей среды.
3. Выяснить, какие проблемы и перспективы использования биоразлагаемых полимеров существуют.
4. Провести анкетирование учащихся школы и узнать, что они знают о биоразлагаемых полимерах.
5. Найти в продаже биоразлагаемые товары/материалы и т.д.
6. Провести исследование скорости и степени разложения изделий из биоразлагаемых полимеров.

Объект исследования: изделия из биоразлагаемых полимеров.

Предмет исследования: скорость и степень разложения изделий из биоразлагаемых полимеров.

Гипотеза исследования: Если доказать, что биоразлагаемые полимеры подвергаются деструкции в короткие сроки, то их использование позволит решить проблему загрязнения окружающей среды полимерными отходами.

Методы исследования:
- теоретический – изучение литературы и Интернет-источников;
- описательный;
- экспериментальный – исследование скорости разложения изделий из биоразлагаемых полимеров;
- анкетирование.

Основная часть

1. Теоретическая часть

1.1. Понятие “биополимеры”, “биоразлагаемые полимеры”

Биополимеры (полное название – биоразлагаемые полимеры) отличаются от остальных пластиков тем, что разлагаются в окружающей среде под действием физических факторов и микроорганизмов – бактерий или грибков. Во многих случаях продукты распада биополимеров – углекислый газ и вода.

Биодеструкция – процесс, осуществляемый бактериями, грибами, простейшими по разложению органических веществ (экологический словарь).
Биодеструкция – совокупность разрушающих материал химических и физических процессов, вызванных действием организмов.

Термин “biodegradable polymer” (биоразлагаемый полимер) стал популярным сравнительно недавно. Первоначально усилия исследователей в области синтеза полимеров были направлены на создание материалов, отличающихся исключительно высокой стойкостью к воздействию факторов окружающей среды. Угроза нарушения биосферного равновесия на планете полимерными отходами показала всю сложность проблемы использования полимеров, инертных к окружающей среде и способных сохранять присущие им свойства неизменными в течение длительного времени.

На современном этапе развития общества возник новый подход к разработке полимерных материалов, диаметрально противоположный традиционному. Он имеет целью получение полимеров, которые сохраняют эксплуатационные характеристики только в течение периода потребления, а затем претерпевают физико-химические и биологические превращения под действием факторов окружающей среды и легко включаются в процессы метаболизма природных биосистем. Природные и синтетические полимеры, содержащие связи, которые легко подвергаются гидролизу, обладают высокой способностью к биодеградации (биодеструкции). В течение короткого промежутка времени (до 6 месяцев) после помещения биоразлагаемого полимера в компостные условия, он естественным образом “поедается” микроорганизмами, не нанося вреда окружающей среде. В результате его разложения остается лишь гумус (перегной), вода и углекислый газ. Такой процесс называется “биодеградация”.

Технология получения биополимеров появилась несколько десятилетий назад, но их производство долго оставалось в зачаточном состоянии по понятным причинам. Как отмечают многие специалисты, в последние годы наблюдается явное оживление этой отрасли. В 2010 году было произведено 724 тысячи тонн биопластиков (включая биоразлагаемые пластики из углеводородного сырья), что составляет примерно 0,2% мирового рынка производства пластмасс (250 миллионов тонн в год). Сейчас этот сектор растет довольно быстро по сравнению с тем, что было раньше.

1.2. Классификация биопластиков

Двумя основными критериями, положенными в основу классификации и разделяющими одни группы материалов от других, являются, во-первых, тип применяемого для их производства сырья, а во-вторых, их способность подвергаться самопроизвольному распаду в природной среде, то есть биодеградации. Согласно этим критериям все пластики можно разделить на четыре группы.

Группа 1. Небиоразлагаемые пластики из ископаемого сырья. Это все “традиционные” крупнотоннажные полимеры, хорошо знакомые в нефтехимии: полиэтилены, полипропилен, ПВХ, полиэтилентерефталат, полистиролы, полибутилентерефталат, поликарбонаты, полиуретаны и т. п.

Группа 2. Биоразлагаемые пластики из ископаемого сырья. Это полностью синтетические материалы, получаемые традиционными методами нефтехимической промышленности из вполне классического углеводородного сырья, однако способные в силу своих структурных особенностей подвергаться биодеградации. Это в первую очередь полибутираты (общепринятая аббревиатура PBAT), полибутиленсукцинаты (PBS), поливиниловый спирт.

Группа 3. Небиоразлагаемые пластики из природного сырья. В эту группу включаются главным образом “классические” пластики типа полиэтиленов, ПВХ или терефталевых полиэфиров (ПЭТФ или ПБТФ), сырье для которых полностью или частично получается из биомассы. Это биоэтилен и производимый из него биомоноэтиленгликоль, а также био-1,4-бутандиол и моноэтиленгликоль прямого брожения сахаров.

Группа 4. Биоразлагаемые пластики из природного сырья. Сюда относятся “стопроцентные” биопластики. По способу получения полимера выделяют подгруппы:
Подгруппа 4а. Биоразлагаемые пластики из природного сырья; полимерная цепь образуется в природе без участия человека. Эта группа охватывает такие вещества, которые являются полимерами “от природы”, а задачи их производства сводятся или к выделению таких полимеров из биосырья, или модификации их структуры без сборки полимерной цепи. Яркие представители этой группы — биополимеры на основе крахмала, модифицированной целлюлозы.
Подгруппа 4б. Биоразлагаемые пластики из природного сырья; полимерная цепь образуется в ходе жизнедеятельности микроорганизмов в контролируемой среде. Эта группа включает целое семейство полимеров с общим названием полигидроксиалканоаты (PHA), которые образуются в ходе жизнедеятельности бактерий.
Подгруппа 4в. Биоразлагаемые пластики из природного сырья; в ходе биологического процесса образуется мономер, а сборка полимера осуществляется химическим путем. Яркий пример веществ этой группы — хорошо известная полимолочная кислота (PLA) [4]

1.3. Свойства биоразлагаемых полимеров

Как можно узнать, что полимерный материал – биоразлагаемый? Биоразлагаемые полимеры сертифицируются международными регулирующими организациями на соответствие международным стандартам: EN 13432 (европейский), Green PLA (японский), ASTM D 6400 (американский). В процессе сертификации биополимеры проходят многоэтапное тестирование на биодеградацию. Только успешные результаты на всех этапах позволяют признавать тестируемый полимер биоразлагаемым, причислять его к группе биополимеров.
Например, согласно стандарту EN 13432 биологическое разложение пластика (биодеградация) тестируется в стандартных компостных условиях в течение 180 дней. По результатам тестирования биопластики (в количестве не менее 90%) должны превратиться в углекислый газ, воду и гумус. Далее полученный компост просеивается через сито, сквозь ячейки которого могут проходить частицы размером не более 2 мм. Нормой считается, когда исходный биополимер оставляет после себя остаток не более 10%. Именно это мы и проверим в нашем исследовании.

1.4. Технология производства биополимеров и сферы их применения

Технология получения полимеров из растений появилась несколько десятилетий назад, но их производство долго оставалось в зачаточном состоянии по понятным причинам. Как отмечают многие специалисты, в последние годы наблюдается явное оживление этой отрасли. В 2010 году было произведено 724 тысячи тонн биополимеров (включая биоразлагаемые пластики из углеводородного сырья), что составляет примерно 0,2% мирового рынка производства пластмасс (250 миллионов тонн в год). Сейчас этот сектор растет довольно быстро по сравнению с тем, что было раньше. Причины, как уже говорилось, не только в повышении цен на нефть и исчерпании природных ресурсов, но и в прогрессе технологий и появлении новых материалов.

Инициаторы массового использования биополимеров — это почти всегда крупные производители продуктов питания или косметики. Огромное число исследователей видят в будущем превосходство биоразлагаемых пластиков, полученные из растительного сырья, — собственно, они составляют 80% всего рынка биополимеров. Условно их можно разделить на следующие большие группы: полилактиды (ПЛА), то есть полимеры на основе молочной кислоты, образующейся после молочнокислого брожения сахаристых веществ; полигидроксиалконоаты (ПГА) — продукты переработки растительного сахара микроорганизмами; и материалы на основе крахмала. Существуют также материалы, сделанные на основе лигнина, целлюлозы, поливинилового спирта, капролактона и других.

Крахмал — пожалуй, самое распространенное сырье для биоразлагаемых материалов, с ним работают более 30% специализированных предприятий. Конечно, сам он довольно хрупкий, но если в него добавить растительные пластификаторы (глицерин, сорбитол), волокна льна, конопли или полимер молочной кислоты, полученный из кукурузы или свеклы, то это увеличит механическую прочность и пластичность. Модификация гидрофильных ОН-групп сделает его устойчивым к влаге. Таким образом, крахмал используют не только в качестве наполнителя, но и модифицируют его, после чего получается полимер, который разлагается в окружающей среде, но при этом обладает свойствами коммерчески полезного продукта.

Биоразлагаемые полимерные материалы на основе крахмала получают термомеханической переработкой, смешиванием его с синтетическими полимерами, химической модификацией полисахарида.

Природные и синтетические биоразлагаемые полимеры — смеси крахмала с поливиниловым спиртом, полилактид, полигидроксибутират, простые эфиры целлюлозы — распространяются все более широко.

Изделия из модифицированного крахмала производят на том же оборудовании, что и обыкновенную пластмассу, его можно красить. Правда, его технологические свойства пока уступают полиэтилену и полипропилену, которые он мог бы заменить. И все-таки из крахмала уже делают поддоны для пищевых продуктов, сельскохозяйственные пленки, упаковочные материалы, столовые приборы, сеточки для хранения овощей и фруктов и многое другое.

Полилактиды, или полимеры молочной кислоты (ПЛА), которые получают после ферментации сахаров кукурузы или другой биомассы, также используют довольно широко. Из 80 организаций, производящих в различных странах биоразлагаемые пластики или их смеси, полимеры на основе ПЛА делают около 20% компаний. На самом деле ПЛА часто смешивают с крахмалом для лучшего биологического разложения и рентабельности производства. Полилактиды — яркие и прозрачные, поэтому они могут составить конкуренцию полистиролу и полиэтилентерефталату. Из них производят изделия с коротким сроком службы: упаковки для фруктов и овощей, яиц, деликатесных продуктов и выпечки, а также хирургические нити, используют их как средство доставки лекарств. В полилактидные пленки упаковывают сандвичи, леденцы и цветы. Существуют ПЛА-бутылки для воды, соков, молочных продуктов.

Еще одна группа, полигидрокси-алканоаты (ПГА) — третьи по значимости биоразлагаемые полимеры (в промышленном масштабе ПГА производят около 8% компаний). Самые значительные представители этого семейства, полигидроксибутират (ПГБ) и полигидроксивалерат (ПГВ), также получают из сахаров. Из них делают упаковочные и нетканые материалы, одноразовые салфетки и предметы личной гигиены, пленки и волокна, связывающие вещества и покрытия, водоотталкивающие покрытия для бумаги и картона.

1.5. Проблемы и перспективы использования биоразлагаемых полимеров

Проблема, как всегда, в деньгах — сегодня биопластики стоят в 2–7 раз дороже, чем их аналоги, полученные из углеводородного сырья. Однако не стоит забывать о том, что еще пять лет назад они были в 35–100 раз дороже. Практически все группы полимеров, которые сегодня делают из нефти, уже имеют аналоги, произведенные из биоресурсов, и их можно было бы по крайней мере частично заменить во всех применениях. Но пока биопластики так дороги, их массовый выпуск нереален. Многие эксперты полагают, что как только большое количество заводов начнет выпускать биопластики, цена упадет, и тогда-то они составят реальную конкуренцию полимерам из нефти. Поскольку свойства материалов улучшаются, а объемы производства растут, то перспективы, очевидно, есть. Хоть эксперты и считают, что производство биопластиков к 2020 году будет составлять 3,5–5 миллионов тонн, или примерно 2% (по некоторым оценкам, 5%) от общего производства пластиков, говорить о массовом выпуске пока не приходится. Правда, есть и оптимистичные подсчеты, согласно которым к 2020 году пятая часть мирового рынка пластмасс будет занята биопластиками (примерно 30 миллионов тонн).

2. Практическая часть

2.1. Исследование скорости и степени разложения изделий из биоразлагаемых полимеров

Цель: Провести исследование скорости и степени разложения изделий из биоразлагаемых полимеров.

Оборудование: изделия из биоразлагаемых полимеров (образцы из ручки, пакета), баночки для проведения исследования, почва, весы.

Ход работы:
Для данного эксперимента мы взяли два образца биоразлагаемых пластмасс:

Образец 1 – образец биоразлагаемой пластмассы, взятый из специальной ручки (массой 2,2 г).

Образец 2 – образец, взятый из биоразлагаемого пакета для мусора (массой 2,4 г).

Подготовили две баночки для эксперимента, тщательно вымыв их и насыпав в них землю. После положили в них по одному образцу каждого материала.

Через каждый месяц доставали из баночек и взвешивали каждый из образцов.

Таблица 1. Результаты взвешивания образцов изделий из биоразлагаемых материалов, находившихся в почве.

Дата начала эксперимента 12.03.2016
Дата окончания эксперимента 12.10.2016

Вывод: Образцы из биоразлагаемых материалов подвергаются биоразложению.

Заключение

В настоящее время производство синтетических пластмасс в мире достигло 150 млн. т в год и продолжает расти. Полимерные продукты играют большую роль в промышленности и жизни человека. После использования полимерные промышленные и бытовые отходы попадают в мусорные отвалы. Я считаю, решением уничтожения “полимерного мусора” может стать лишь более широкое использование биоразлагаемых полимеров, прежде всего природного происхождения, а также широкое внедрение в реальную технологию производства синтетических биоразлагаемых полимеров.

Французский писатель Антуан де Сент Экзюпери сказал: “Мы вовсе не получили Землю в наследство от наших предков – мы всего лишь взяли ее в долг у наших детей”. Действительно, осознание той реальной цены, которую человечество должно платить за сохранение среды своего обитания, так или иначе приведет к введению серьезных ограничений на использование неразрушающихся изделий массового спроса и переходу к пусть более дорогим, но более экологичным материалам.

Я думаю, цель моей работы – исследовать скорость и степень разложения биоразлагаемых полимеров – достигнута. Экспериментальным путем доказано, что изделия из биоразлагаемых полимеров способны к биоразложению.

Я считаю, что именно биоразлагаемость высокомолекулярных соединений и будет тем приоритетным направлением, которое позволяет исключить значительное число проблем загрязнения окружающей среды, возникающих при использовании бытовых товаров, а во многих случаях и продукции технического назначения из синтетических полимеров.

Список использованных источников информации и литературы

1. Лешина А. Пластики биологического происхождения, “Химия и жизнь”, 2012, №9
2. Биопластики: перспективы в России. Коллектив авторов под общей редакцией А. Костина. Декабрь, 2014
3. http://elementy.ru/lib/431802?page_design=print
4. http://cosmetic-industry.com/biorazlagaemye-polimery.html – Журнал “Сырье и упаковка”
5. http://inspector.pro/my_keywords/biodestrukciya/

Приложение 1

Результаты анкетирования

Мной были опрошены 15 учащихся нашей школы. Были заданы следующие вопросы:

1. Знаете ли вы, что существуют биоразлагаемые полимеры?

2. Каковы сроки разложения у обычных пластмасс и у биоразлагаемых полимеров?

3. Использовали ли вы когда-нибудь биополимеры?

В результате опроса учащихся нашей школы я выяснил, что более половины опрошенных мною людей не знают, что существуют биоразлагаемые полимеры. 84% опрошенных мною людей не знают, какие сроки разложения у биоразлагаемых полимеров. 87% опрошенных мною респондентов не использовали биоразлагаемые полимеры.

Автор:
Елесин Владислав, 11А класс
МАОУ “Вадская СОШ”

Руководитель:
Давыдова Наталья Борисовна,
учитель химии МАОУ “Вадская СОШ”

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение
“Вадская средняя общеобразовательная школа”

с. Вад
2016 г.