Деградація поліетилену та полімерних матеріалів, отриманих з біокомпонентів. Огляд SpringerLink
Анотація
Графічний реферат
Вступ
За походженням полімери поділяються на: природні полімери (біополімери), синтетичні полімери (отримані хімічним синтезом) та модифіковані полімери (природні або синтетичні полімери, структура яких була хімічно або фізично змінена) [1, 4, 5]. Природні полімери є необхідним елементом живого світу (наприклад, вуглеводи, білки, жири, нуклеїнові кислоти, целюлоза, крохмалі, олії) і піддаються природним процесам розкладання в навколишньому середовищі (фотодеградація, хімічна деградація, механічна деградація, біодеградація). Ці процеси відбуваються одночасно і доповнюють один одного [1]. У свою чергу, синтетичні полімери виробляються в основному з нафтохімічних сировинних ресурсів (сирої нафти, природного газу) і зазвичай являють собою чужорідне тіло в навколишньому середовищі, розкладання якого може тривати від десятків до навіть сотень років. За підрахунками, синтетичні полімери складають майже 98% вироблених в даний час полімерних матеріалів, з яких понад 80% виробляється нафтохімічною промисловістю [2, 10].
Огляд літератури
За останні десятиліття спостерігається поступова інтенсифікація виробництва та використання полімерних матеріалів [10, 11]. Дані літератури свідчать, що з 1950 р. Глобальне виробництво полімерних матеріалів зросло з 1,3 до 335 млн т у 2017 р., А прогнозоване збільшення їх виробництва в наступні роки становитиме приблизно. 1,5–2,5% на рік [12]. Динамічне збільшення виробництва полімерних матеріалів тісно пов'язане з їх широким і різноспрямованим використанням у багатьох галузях народного господарства [13, 14]. Крім того, проста обробка, за допомогою якої отримують полімерні матеріали, а також низькі ціни на продукти, що значно покращують якість та комфорт життя, зробили ці матеріали популярними продуктами повсякденного використання. Завдяки своїй різноманітності полімерні матеріали мають широкий спектр фізико-хімічних властивостей, що змушує їх все частіше замінювати деревину, скло та дерев'яну тару, що використовувались дотепер.
Морфологічний склад міських відходів у Польщі [17]
Відходи полімерних матеріалів вважаються одними з найбільш обтяжливих відходів [11, 18], що становлять величезну загрозу для природного середовища [4, 14, 16]. З цієї причини переробка полімерних матеріалів на сьогодні є однією з найважливіших проблем поводження з відходами [5, 10, 15]. Як уже зазначалося вище, управління та утилізація постпотребительських полімерних матеріалів у країнах-членах Європейського Союзу в даний час здійснюється трьома методами: переробкою, рекуперацією енергії та зберіганням. У той же час, відповідно до чинних тенденцій, пов’язаних із методами поводження з відходами полімерних матеріалів, рекомендується піддавати їх хімічній переробці (наприклад, виробництво мазуту), переробці вихідної сировини (переробці у вихідні сировини, з яких ці матеріали виготовлені) або переробка матеріалів (фрагментація - стосується лише чистих і однорідних матеріалів) [19]. Ці методи дещо відрізняються від ієрархії відходів, рекомендованої владою Європейського Союзу (в порядку від найбільш до найменш бажаного): запобігання, повторне використання, переробка, утилізація [20].
Проблеми, пов’язані із захистом навколишнього середовища, відносно дорогими методами переробки синтетичних полімерних матеріалів, а також аспектами сталого розвитку змінили образ іміджу різноспрямованої функціональності полімерних матеріалів протягом останніх років. Тому в даний час по всьому світу в багатьох науково-дослідних установах проводяться інтенсивні наукові дослідження, спрямовані на пошук технологій виробництва екологічно чистих полімерних матеріалів, зберігаючи при цьому їхні поточні функції [5, 11, 14, 21, 22].
На сьогоднішній день поліетилен (ПЕ) є одним із найпопулярніших і найбільш широко використовуваних полімерів у світі [8, 10]. Завдяки своїм специфічним функціональним властивостям цей полімер став широко застосовуватися у виробництві різних пакувальних матеріалів. На жаль, після відносно короткого часу використання він стає надзвичайно стійким до біодеградації, створюючи тягар для навколишнього середовища. Стійкість поліетилену до деградації обумовлена великою молекулярною масою цього полімеру та вмістом в ньому антиоксидантів та стабілізаторів [9, 10]. На думку цих авторів, додавання цих речовин захищає поліетилен від окислення вже на стадії виробництва. Pająk та ін. [8] та Szumigaj-Tarnowska [21] повідомили, що стійкість поліетилену до деградації вища порівняно з іншими термопластами, і вона збільшується ще більше через відсутність гетероатомів та подвійних зв'язків у ланцюзі.
Методи прискорення деградації поліетиленових полімерних матеріалів
Модифікація поліетилену крохмалем
(Біо) деградація поліетиленових полімерних матеріалів
Важливу роль біоплівки у розкладанні полімерних матеріалів відзначали Gilan та співавт. [27], а також Мохан та Шрівастава [23]. На думку цих авторів, колонізація поверхні полімерних матеріалів мікроорганізмами, які сприяють утворенню біоплівки на їх поверхні, є необхідною умовою для початку початкового розкладання цих матеріалів. Біоплівка - це не адгезивний захисний шар для різних типів бактерій, що складається на 80–95% від гідратованої матриці біополімерів та води, що надає їй просторового характеру. Як повідомляють Мохан та Шрівастава [23], покриття поверхні полімеру шаром біоплівки може спричинити його мікронабухання і, як наслідок, призвести до втрати механічної стійкості полімерного матеріалу. Таким чином, порушена структура поверхні полімеру може стати більш сприйнятливою до дії мікроорганізмів. Однак Arutchelvi та співавт. [7] підкреслив, що швидкість деградації полімерів явно залежить від типу їх поверхні, тобто полімери з шорсткою (неоднорідною) поверхнею швидше розкладаються, ніж з гладкою.
Наведені вище приклади досліджень є вираженням прагнення зменшити неприємності полімерних матеріалів для природного середовища та підкреслити важливість процесів, що підтримують захист природного середовища. З цієї причини в останні роки на додаток до аналізу екологічних загроз спостерігається розвиток сучасних та безвідходних (так званих "чистих") технологій, що мінімізують викиди забруднюючих речовин у навколишнє середовище [33]. . Загальнозрозуміла переробка полімерних матеріалів, згадана на початку розділу, вважається одним з найбільш екологічних та раціональних рішень [5, 16].