Abstract

Abstract grafic

degradarea

Introducere

După origine, polimerii sunt împărțiți în: polimeri naturali (biopolimeri), polimeri sintetici (obținuți prin sinteză chimică) și polimeri modificați (polimeri naturali sau sintetici a căror structură a fost modificată chimic sau fizic) [1, 4, 5]. Polimerii naturali sunt un element indispensabil al lumii animate (de exemplu, carbohidrați, proteine, grăsimi, acizi nucleici, celuloză, amidon, uleiuri) și sunt supuși proceselor naturale de descompunere în mediu (fotodegradare, degradare chimică, degradare mecanică, biodegradare). Aceste procese au loc simultan și se completează reciproc [1]. La rândul lor, polimerii sintetici sunt produși în principal din materii prime petrochimice (țiței, gaze naturale) și constituie de obicei un corp străin în mediu, a cărui descompunere poate dura de la zeci la chiar sute de ani. Se estimează că polimerii sintetici reprezintă aproape 98% din materialele polimerice produse în prezent, dintre care peste 80% sunt produse de industria petrochimică [2, 10].

Revizuire de literatura

În ultimele decenii, a existat o intensificare progresivă a producției și utilizării materialelor polimerice [10, 11]. Datele din literatură arată că, din 1950, producția globală de materiale polimerice a crescut de la 1,3 la 335 milioane de tone în 2017, iar creșterea prognozată a producției acestora în anii următori va fi de cca. 1,5-2,5% pe an [12]. Creșterea dinamică a producției de materiale polimerice este strâns legată de utilizarea lor pe scară largă și multidirecțională în multe ramuri ale economiei [13, 14]. În plus, prelucrarea simplă prin care se obțin materiale polimerice, precum și prețurile scăzute ale produselor care îmbunătățesc semnificativ calitatea și confortul vieții au făcut ca aceste materiale să devină produse populare de uz zilnic. Datorită diversității lor, materialele polimerice au o gamă largă de proprietăți fizico-chimice care le fac să înlocuiască din ce în ce mai mult lemnul, sticla și ambalajele din lemn utilizate până acum.

Compoziția morfologică a deșeurilor municipale din Polonia [17]

Deșeurile de materiale polimerice sunt considerate una dintre cele mai oneroase deșeuri [11, 18], constituind o amenințare enormă pentru mediul natural [4, 14, 16]. Din acest motiv, reciclarea materialelor polimerice este în prezent una dintre cele mai importante probleme de gestionare a deșeurilor [5, 10, 15]. După cum sa menționat mai sus, gestionarea și eliminarea materialelor polimerice post-consum în statele membre ale Uniunii Europene este implementată în prezent prin trei metode: reciclare, recuperare a energiei și stocare. În același timp, în conformitate cu tendințele aplicabile legate de metodele de gestionare a deșeurilor de materiale polimerice, se recomandă supunerea acestora la reciclarea chimică (de exemplu, producția de păcură), reciclarea materiilor prime (prelucrarea în materii prime din care au fost fabricate aceste materiale) sau reciclarea materialelor (fragmentare - se aplică numai materialelor curate și omogene) [19]. Aceste metode reprezintă o abordare oarecum diferită de ierarhia deșeurilor recomandată de autoritățile Uniunii Europene (în ordine de la cel mai puțin dorit): prevenire, reutilizare, reciclare, eliminare [20].

Problemele legate de protecția mediului, metodele relativ scumpe de reciclare a materialelor polimerice sintetice, precum și aspectele de dezvoltare durabilă au schimbat imaginea funcționalității multidirecționale a materialelor polimerice în ultimii ani. Prin urmare, în prezent, în întreaga lume se desfășoară studii științifice intensive în numeroase facilități de cercetare și dezvoltare, cu scopul de a găsi tehnologii pentru producerea de materiale polimerice ecologice, menținându-și în același timp funcțiile actuale [5, 11, 14, 21, 22].

În zilele noastre, polietilena (PE) este unul dintre cele mai populare și mai utilizate polimeri din lume [8, 10]. Datorită proprietăților sale funcționale specifice, acest polimer a devenit utilizat în mod obișnuit la producerea diferitelor materiale de ambalare. Din păcate, după un timp relativ scurt de utilizare, devine extrem de rezistent la biodegradare, constituind o povară asupra mediului. Rezistența polietilenei la degradare rezultă din greutatea moleculară ridicată a acestui polimer și conținutul său de antioxidanți și stabilizatori [9, 10]. Potrivit acestor autori, adăugarea acestor substanțe protejează polietilena împotriva oxidării deja în stadiul de producție. Pająk și colab. [8] și Szumigaj-Tarnowska [21] au raportat că rezistența polietilenei la degradare este mai mare în comparație cu alte termoplastice și este crescută și mai mult prin absența heteroatomilor și a dublei legături în lanț.

Metode de accelerare a degradării materialelor polimerice din polietilenă

Modificarea polietilenei cu amidon

(Bio) degradarea materialelor polimerice din polietilenă

Rolul important al biofilmelor în descompunerea materialelor polimerice a fost remarcat de Gilan și colab. [27] precum și Mohan și Srivastava [23]. Potrivit acestor autori, colonizarea suprafeței materialelor polimerice de către microorganisme care contribuie la formarea biofilmelor pe suprafața lor este o condiție prealabilă pentru începerea descompunerii inițiale a acestor materiale. Biofilmul este un strat de protecție neadeziv pentru diferite tipuri de bacterii, constând în 80-95% dintr-o matrice hidratată de biopolimeri și apă, care îi conferă un caracter spațial. După cum au raportat Mohan și Srivastava [23], acoperirea suprafeței polimerului cu un strat de biofilm poate provoca micro-umflarea acestuia și, în consecință, poate duce la pierderea stabilității mecanice a materialului polimeric. Astfel, structura perturbată a suprafeței polimerului poate deveni mai susceptibilă la acțiunea microorganismelor. Cu toate acestea, Arutchelvi și colab. [7] a subliniat că rata de degradare a polimerilor depinde în mod clar de tipul suprafeței lor, adică polimerii cu o suprafață rugoasă (neomogenă) sunt degradați mai repede decât cei cu o suprafață netedă.

Exemplele de studiu prezentate mai sus sunt o expresie a aspirației de a reduce neplăcerile materialelor polimerice pentru mediul natural și de a sublinia importanța proceselor care susțin protecția mediului natural. Din acest motiv, dezvoltarea tehnologiilor moderne și fără deșeuri (așa-numitele „curate”), minimizând emisia de poluanți în mediu, a fost observată în ultimii ani, pe lângă analiza amenințărilor ecologice [33]. . Reciclarea pe scară largă a materialelor polimerice, menționată la începutul capitolului, este considerată una dintre cele mai ecologice și raționale soluții [5, 16].

Managementul materialelor polimerice post-consum

Reciclarea energiei

Reciclarea organică

Una dintre metodele de reciclare a organelor este compostarea. Este un proces biochimic de transformare a materialelor în condiții controlate cu participarea microorganismelor aerobe în diferite domenii de temperatură [2, 11, 14, 57, 58]. Se pot distinge trei faze principale ale acestui proces: mezofil, termofil și faza de stabilizare a compostului [58, 59]. Produsele finale ale transformării biologice a biomasei sunt: ​​apa, dioxidul de carbon și o fracțiune relativ stabilă de materie organică [11, 14, 58, 60]. Introducerea materialelor polimerice de nouă generație în procesul de compostare, adică care conține biocomponente derivate din materii prime naturale, nu numai că poate îmbunătăți structura biomasei compostate, afectând în mod pozitiv rata și direcția procesului, ci și previne formarea deșeurilor din materialele polimerice și eliberarea de emisii periculoase pentru mediu [14, 60, 61 ]. Această soluție este susținută suplimentar de economii în gestionarea resurselor naturale și de sarcina redusă asupra mediului natural, rezultată din cantități mai mici de deșeuri de polimeri depozitate în depozitele de deșeuri municipale [5, 11, 33]. Adecvarea polimerului artificial pentru transformarea biologică este confirmată de procesul de certificare.

Mulți autori au recunoscut că mediul de compost creează cele mai bune condiții pentru descompunerea materialului polimeric (temperatură, umiditate ridicată, prezența diferitelor grupuri fiziologice de microorganisme, aer, modificarea pH-ului, accesul luminii) [2, 11, 14, 16, 64, 65]. Acești autori au susținut că, fără îndoială, apa este cel mai important factor în degradarea mediului înconjurător a polimerilor dintre aceștia menționați mai sus. Cu toate acestea, efectul său depinde de proprietățile fizice și chimice, precum și de reactivitatea materialului polimeric. Pe de o parte, conform lui Adamcová și Vaverková [65], prezența apei determină hidroliza unei legături între polimer și umplutură și promovează formarea de radicali hidroxil sau a altor grupuri reactive care inițiază reacții ale radicalilor liberi. Pe de altă parte, prezența apei este crucială pentru dezvoltarea microorganismelor și favorizează reacțiile enzimatice care determină degradarea microbiologică [6, 16, 23].

În Uniunea Europeană, adecvarea ambalajelor pentru reciclarea organelor (compostare) este confirmată pe baza PN - EN 13432: 2002 [66], care este armonizată cu Directiva 94/62/CE. În domeniul de aplicare al standardului există proceduri care determină adecvarea pentru compostare și prelucrarea ambalajelor și a materialelor de ambalare în condiții anaerobe. Se iau în considerare patru proprietăți: (1) biodegradabilitate, (2) fragmentare în timpul procesării biologice, (3) impact asupra procesării biologice, (4) impact asupra calității compostului obținut. De asemenea, sunt introduse sisteme de certificare datorită complexității procedurilor legate de evaluarea materialului de ambalare efectuată în ceea ce privește biodegradarea și utilizarea sa ulterioară în procesul de compostare.

Reciclarea materialelor

Se bazează pe utilizarea materialelor polimerice post-consum în producția de articole noi. Un element important al reciclării materialelor este sistemul de colectare separată a materialelor plastice. Colectarea materialelor plastice este o mare problemă de-a lungul întregului lanț de reciclare. Conștientizarea societății despre problemă și găsirea modalității de motivare a acesteia este extrem de importantă aici, deoarece cu această metodă este posibilă recuperarea materialelor cu cheltuieli relativ mici pentru sortarea și curățarea materialelor. Pe de altă parte, există o dezvoltare rapidă a separării automate cu ajutorul optoseparatorilor, care pot crește puritatea obținută a deșeurilor de polimeri. Materialele obținute în acest mod pot fi o materie primă valoroasă, nu foarte diferită în ceea ce privește proprietățile față de materialul original [67].

Reciclarea chimică

Reciclarea chimică implică tratarea materialului polimeric cu apă sau alți compuși chimici în condiții de presiune și temperatură ridicată, ceea ce duce la formarea compușilor cu greutate moleculară mică constituind o materie primă valoroasă pentru reobținerea, printre altele, a polimerilor puri [68].

Tipuri și factori care afectează degradarea polimerilor

Sensibilitatea materialelor polimerice la descompunere depinde nu numai de condițiile de mediu (pH, temperatură, disponibilitatea aerului, umiditate) și de diversitatea fiziologică a grupurilor individuale de microorganisme care colonizează suprafața lor, ci și de structura lor chimică (greutate moleculară, număr și tip de legături, cristalinitate) [6, 7, 21, 23, 26, 51] (Tabelul 2). Datele din literatură indică faptul că polimerii amorfi cu structură liniară sunt supuși unei degradări mai rapide și că polimerii cristalini cu structură ramificată sunt descompuși mult mai lent [8, 26]. Polimerii heterochain și hidrofili, precum și polimerii cu flexibilitate mai mare și greutate moleculară mică sunt, de asemenea, mai predispuși la descompunere. Tipul grupurilor funcționale prezente în polimer este, de asemenea, un criteriu important. În funcție de gradul de degradare microbiană, acesta poate fi aranjat după cum urmează: ester> eteric> amidă> uretan [2]. Ar trebui luată în considerare și îmbătrânirea materialului, care, deși foarte lent, duce la modificări structurale semnificative ale polimerului [69]. Pająk și colab. [8] a distins următoarele tipuri și factori care afectează degradarea polimerilor:

degradare termică - cauzată de temperatura ridicată,

fotodegradare - cauzată de radiația solară,

degradare termooxidativă - cauzată de aer,

degradare oxidativă - cauzată de oxigen molecular, oxigen atomic și ozon,

degradarea radiațiilor - cauzată de radiațiile ionizante,

degradare cu ultrasunete - cauzată de ultrasunete,

degradare hidrolitică - cauzată de apă, acizi și baze,

degradarea coroziunii - cauzată de acizi, baze, oxidanți puternici, compuși chimici,

degradarea atmosferică - cauzată de condițiile atmosferice,

degradare mecanică - cauzată de forțe mecanice (rulare, întindere, măcinare),

biodegradare - cauzată de factori biologici (microorganisme).

Etapele descompunerii materialelor polimerice

Descompunerea materialelor polimerice este complexă în condiții naturale și, prin urmare, este imposibil să se indice un factor sau mecanism responsabil pentru acest proces [63]. De obicei, procesul are loc din cauza prezenței mai multor factori simultani și sinergici și se desfășoară în mai multe etape. Primele etape au loc în afara celulei bacteriene și implică de obicei mulți factori fizici, chimici și biologici enumerați de Pająk și colab. [8], care au ca rezultat schimbarea și deteriorarea proprietăților de bază ale materialului (plierea, ruperea, fragmentarea etc.) [65]. Aceste modificări sunt cauzate de scurtarea lanțului polimeric (depolimerizare) și, prin urmare, reducerea greutății moleculare a polimerului (Fig. 2). În etapele următoare, produsele rezultate ale procesului de descompunere a polimerilor: oligomeri, dimeri, monomeri (solubili în apă), pot trece membrana celulară semipermeabilă și pot fi folosiți ca sursă de carbon (energie) pentru microorganisme [6]. Dioxidul de carbon și apa, fiind complet sigure pentru mediu, sunt produsele finale ale mineralizării produselor intermediare de degradare a polimerilor de către microorganisme [2].

Căi de reacție în timpul degradării polimerilor

Deși degradarea materialului polimeric nu se referă exclusiv la lumea microbiologică, microorganismele se numără printre cei mai importanți factori de (bio) degradare din natură [2]. Potrivit lui Pathak și Navneet [61], agenții biologici și produsele lor metabolice (enzime) pot fi folosiți ca instrumente în degradarea polimerilor. Potrivit acestor autori, speciile bacteriene și fungice sunt cei mai abundenți agenți biologici găsiți în natură și au capacități de degradare distincte pentru polimerii naturali și sintetici. Potrivit lui Kale și colab. [40], bacteriile și ciupercile sunt microorganisme care joacă cel mai mare rol în degradarea biologică a polimerilor. Autorii au afirmat că predominanța microorganismelor față de factorii abiotici se datorează faptului că au mecanisme de adaptare genetică și fiziologică care permit degradarea compozițiilor polimerice complet noi și, uneori, rezistente teoretic.

Concluzii și cercetări viitoare

Faptele prezentate mai sus demonstrează că cunoașterea condițiilor care determină descompunerea materialelor polimerice și impactul acestora asupra mediului natural este încă insuficientă. Rapoartele recente ale literaturii relevă numeroase teorii contradictorii, în special cele care se referă la degradarea materialelor polimerice din mediul solului. De asemenea, trebuie remarcat faptul că marea majoritate a studiilor nu iau în considerare efectul vegetației asupra descompunerii materialelor polimerice în sol. Din acest motiv, există o nevoie reală de o evaluare cuprinzătoare a efectului polimerilor cu structură primară modificată asupra procesului de compostare, precum și a efectului aplicării compostului cu adăugarea de material polimeric în condiții naturale. Autorii sunt conștienți de pericolele pentru oameni cauzate de micro- și nanoparticule și, prin urmare, de produse de degradare incompletă. Cu toate acestea, ar trebui să ne amintim că polimerii artificiali vor fi introduși în mediul agricol în mod conștient, ca în cazul compostului din deșeuri municipale sau semințe acoperite. Este important, în ciuda lipsei actuale de permisiune pentru introducerea polimerilor în mediu, să aflați despre timpul și ciclul produselor de degradare din mediu.

Referințe

Żuchowska D și colab. (2007) Polymers 52: 524-531

Stachurek I (2012) Școlile superioare de știință Lucrează Prot Manag Katowice 1: 74–108