Polimerët e biodegradueshëm: koncepti, vetitë, metodat e përgatitjes dhe shembujt e reaksioneve

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2023-12-17 10:40

Mund të vini re se gjatë dekadës së fundit, produktet me prefiksin "bio" të shtuar në emër kanë fituar popullaritet. Ai synon të informojë se produkti është i sigurt për njerëzit dhe natyrën. Promovohet në mënyrë aktive nga media. Madje erdhi në qesharake - kur zgjedhin një pije, ata e konsiderojnë biokefirin si më të mirën, dhe biokarburantet nuk janë më një alternativë ndaj naftës, por një produkt miqësor me mjedisin. Dhe mos harroni për bio-ekstraktet që bëjnë kozmetikën të bëjë "mrekulli".

Informacion i përgjithshëm

Tani le të merremi seriozisht. Shpesh, duke lëvizur përgjatë rrugëve, mund të shihni deponi spontane. Përveç kësaj, ka deponi të plota ku ruhen mbetjet njerëzore. Duket se nuk është keq, por ka një minus - një kohë shumë e gjatë dekompozimi. Ka një numër të madh mënyrash për ta rregulluar këtë - ky është riciklimi i mbeturinave dhe përdorimi i materialeve më pak të dëmshme që shkatërrojnë shpejt dekompozuesit. Le të flasim për rastin e dytë.

Ka shumë pika këtu. Ambalazhim, goma, xhami, derivate të industrisë kimike. Të gjithë ata kërkojnëvëmendje. Sidoqoftë, nuk ka një recetë specifike universale. Prandaj, është e nevojshme të dihet konkretisht se çfarë dhe si të sigurohet parandalimi i ndotjes së mjedisit.

Polimerët e biodegradueshëm u zhvilluan si një përgjigje për problemin e asgjësimit të mbetjeve plastike. Nuk është sekret që vëllimi i tyre po rritet çdo vit. Fjala biopolimere përdoret gjithashtu për emërtimin e tyre të shkurtuar. Cila është veçantia e tyre? Ato mund të dekompozohen në mjedis për shkak të veprimit të faktorëve fizikë dhe mikroorganizmave - kërpudhave ose baktereve. Një polimer konsiderohet i tillë nëse e gjithë masa e tij përthithet në ujë ose tokë brenda gjashtë muajve. Kjo zgjidh pjesërisht problemin e mbetjeve. Në të njëjtën kohë, merren produkte të dekompozimit - ujë dhe dioksid karboni. Nëse ka ndonjë gjë tjetër, atëherë duhet të hetohet për sigurinë dhe praninë e substancave toksike. Ato gjithashtu mund të riciklohen nga shumica e teknologjive standarde të prodhimit të plastikës, si p.sh. me nxjerrje, derdhje me fryrje, termoformim dhe formim me injeksion.

Në cilat fusha po punojmë?

Marrja e polimereve të biodegradueshme është një detyrë mjaft e mundimshme. Zhvillimi i teknologjive që bëjnë të mundur marrjen e materialeve të sigurta kryhet në mënyrë aktive në Shtetet e Bashkuara, në kontinentin evropian, në Japoni, Kore dhe Kinë. Fatkeqësisht, duhet theksuar se në Rusi rezultatet janë të pakënaqshme. Krijimi i një teknologjie për biodegradimin e plastikës dhe prodhimin e tyre nga lëndët e para të rinovueshme është një kënaqësi e shtrenjtë. Përveç kësaj, vendi ka ende mjaft naftë për prodhimin e polimereve. Por gjithçkapo kështu, mund të dallohen tre drejtime kryesore:

1. Prodhimi i poliesterëve të biodegradueshëm të bazuar në acide hidroksikarboksilike.
2. Krijimi i plastikës bazuar në përbërës natyralë të riprodhueshëm.
3. Polimerët industrialë bëhen të biodegradueshëm.

Por po në praktikë? Le të hedhim një vështrim më të afërt se si bëhen polimeret e biodegradueshme.

Polihidroksialkanoate bakteriale

Mikroorganizmat shpesh rriten në mjedise ku disponohen karbonet ushqyese. Në këtë rast, ekziston një mungesë e fosforit ose azotit. Në raste të tilla, mikroorganizmat sintetizojnë dhe grumbullojnë polihidroksialkanoate. Ato shërbejnë si rezervë karbonesh (magazina ushqimore) dhe energji. Nëse është e nevojshme, ato mund të dekompozojnë polihidroksialkanoate. Kjo pronë përdoret për prodhimin industrial të materialeve të këtij grupi. Më të rëndësishmet për ne janë polihidroksi butirati dhe polihidroksi valerati. Kështu, këto plastikë janë të biodegradueshme. Në të njëjtën kohë, ato janë poliesterë alifatikë rezistent ndaj rrezatimit ultravjollcë.

Duhet theksuar se megjithëse kanë qëndrueshmëri të mjaftueshme në mjedisin ujor, deti, toka, mjediset e kompostimit dhe riciklimit kontribuojnë në degradimin e tyre biologjik. Dhe kjo ndodh mjaft shpejt. Për shembull, nëse kompostoja ka një lagështi prej 85% dhe 20-60 gradë Celsius, atëherë dekompozimi në dioksid karboni dhe ujë do të zgjasë 7-10 javë. Ku përdoren polihidroksialkanoatet?

Atapërdoren për prodhimin e ambalazheve të biodegradueshme dhe materialeve jo të endura, pecetave të disponueshme, fibrave dhe filmave, produkteve të kujdesit personal, veshjeve kundër ujit për karton dhe letër. Si rregull, ato mund të kalojnë oksigjen, janë rezistente ndaj kimikateve agresive, kanë qëndrueshmëri termike relative dhe kanë forcë të krahasueshme me polipropilenin.

Duke folur për disavantazhet e polimereve të biodegradueshëm, duhet theksuar se ato janë shumë të shtrenjta. Një shembull është Biopol. Kushton 8-10 herë më shumë se plastika tradicionale. Prandaj, përdoret vetëm në mjekësi, për paketimin e disa parfumeve dhe produkteve të kujdesit personal. Më i popullarizuar në mesin e polihidroksialkanoateve është mireli, i marrë nga niseshte misri i sakarifikuar. Avantazhi i tij është kostoja relativisht e ulët. Por, megjithatë, çmimi i tij është ende dyfishi i polietilenit tradicional me densitet të ulët. Në të njëjtën kohë, lëndët e para përbëjnë 60% të kostos. Dhe përpjekjet kryesore kanë për qëllim gjetjen e homologëve të saj të lirë. Perspektiva në fjalë është niseshteja e drithërave si gruri, thekra, elbi.

Acidi polilaktik

Prodhimi i polimereve të biodegradueshëm për paketim kryhet gjithashtu duke përdorur polilaktid. Është gjithashtu acid polilaktik. Çfarë përfaqëson ai? Është një poliestër alifatik linear, një produkt kondensimi i acidit laktik. Është një monomer nga i cili polilaktidi sintetizohet artificialisht nga bakteret. Duhet theksuar se prodhimi i tij me ndihmën e baktereve është më i lehtë se metoda tradicionale. Në fund të fundit, polilaktidet krijohen nga bakteret nga sheqernat e disponueshme në një proces të thjeshtë teknologjik. Vetë polimeri është një përzierje e dy izomerëve optikë me të njëjtën përbërje.

Substanca që rezulton ka një qëndrueshmëri termike mjaft të lartë. Pra, vitrifikimi ndodh në një temperaturë prej 90 gradë Celsius, ndërsa shkrirja ndodh në 210-220 Celsius. Gjithashtu, polilaktidi është rezistent ndaj UV-së, pak i ndezshëm dhe nëse digjet, atëherë me një sasi të vogël tymi. Mund të përpunohet duke përdorur të gjitha metodat që janë të përshtatshme për termoplastikë. Produktet e marra nga polilaktidi kanë ngurtësi të lartë, shkëlqim dhe janë transparent. Ato përdoren për të bërë pjata, tabaka, film, fibra, implante (kështu përdoren polimeret e biodegradueshme në mjekësi), ambalazhe për kozmetikë dhe produkte ushqimore, shishe për ujë, lëngje, qumësht (por jo pije të gazuara, sepse materiali kalon. dioksid karboni). Si dhe pëlhura, lodra, kuti celularësh dhe minj kompjuteri. Siç mund ta shihni, përdorimi i polimereve të biodegradueshëm është shumë i gjerë. Dhe kjo është vetëm për një nga grupet e tyre!

Prodhimi dhe biodegradimi i acidit polilaktik

Për herë të parë, një patentë për prodhimin e saj u lëshua në vitin 1954. Por komercializimi i kësaj bioplastike filloi vetëm në fillim të shekullit të 21-të - në 2002. Përkundër kësaj, tashmë ka një numër të madh kompanish që janë të angazhuara në prodhimin e tij - vetëm në Evropë ka më shumë se 30 prej tyre. Një avantazh i rëndësishëmacidi polilaktik është me kosto relativisht të ulët - ai tashmë konkurron pothuajse në mënyrë të barabartë me polipropilenin dhe polietilenin. Supozohet se tashmë në vitin 2020, polilaktidi do të jetë në gjendje të fillojë t'i shtyjë ato në tregun botëror. Për të rritur biodegradueshmërinë e tij, shpesh i shtohet niseshte. Kjo ka një efekt pozitiv edhe në çmimin e produktit. Vërtetë, përzierjet që rezultojnë janë mjaft të brishta, dhe plastifikuesit, si sorbitoli ose glicerina, duhet t'u shtohen atyre në mënyrë që produkti përfundimtar të bëhet më elastik. Një zgjidhje alternative për problemin është krijimi i një aliazh me poliesterë të tjerë të degradueshëm.

Acidi polilaktik dekompozohet në dy hapa. Së pari, grupet esterike hidrolizohen me ujë, duke rezultuar në formimin e acidit laktik dhe disa molekula të tjera. Më pas ato dekompozohen në një mjedis të caktuar me ndihmën e mikrobeve. Polilaktidet i nënshtrohen këtij procesi në 20-90 ditë, pas së cilës mbeten vetëm dioksidi i karbonit dhe uji.

Modifikim niseshte

Kur përdoren lëndë të para natyrore është mirë, sepse burimet për të rinovohen vazhdimisht, pra janë praktikisht të pakufizuara. Niseshteja ka fituar popullaritetin më të gjerë në këtë drejtim. Por ka një pengesë - ka një aftësi të rritur për të thithur lagështi. Por kjo mund të shmanget nëse vëreni një pjesë të grupeve hidroksil në ester.

Trajtimi kimik ju lejon të krijoni lidhje shtesë midis pjesëve të polimerit, gjë që ndihmon në rritjen e rezistencës ndaj nxehtësisë, stabilitetitndaj acideve dhe forcës prerëse. Rezultati, niseshteja e modifikuar, përdoret si një plastikë e biodegradueshme. Ai dekompozohet në 30 gradë në plehrash në dy muaj, duke e bërë atë shumë miqësore me mjedisin.

Për të ulur koston e materialit, përdoret niseshte e papërpunuar, e cila përzihet me talk dhe alkool polivinil. Mund të prodhohet duke përdorur të njëjtat pajisje si për plastikën e zakonshme. Niseshteja e modifikuar gjithashtu mund të lyhet dhe printohet duke përdorur teknika konvencionale.

Ju lutemi, vini re se ky material ka natyrë antistatike. Disavantazhi i niseshtës është se vetitë e tij fizike janë përgjithësisht inferiore ndaj rrëshirave të prodhuara në mënyrë petrokimike. Kjo është, polipropileni, si dhe polietileni me presion të lartë dhe të ulët. E megjithatë, aplikohet dhe shitet në treg. Pra, përdoret për të bërë paleta për produkte ushqimore, filma bujqësore, materiale ambalazhimi, takëm, si dhe rrjeta për fruta dhe perime.

Përdorimi i polimerëve të tjerë natyrorë

Kjo është një temë relativisht e re - polimeret e biodegradueshme. Menaxhimi racional i natyrës kontribuon në zbulime të reja në këtë fushë. Pra, shumë polisaharide të tjera natyrore përdoren në prodhimin e plastikës së biodegradueshme: kitin, kitozan, celulozë. Dhe jo vetëm veçmas, por edhe në kombinim. Për shembull, një film me forcë të shtuar merret nga chitosan, fibra mikroceluloze dhe xhelatinë. Dhe nëse e varrosni në tokë, atëherë do ta bëjë shpejtzbërthehet nga mikroorganizmat. Mund të përdoret për paketim, tabaka dhe artikuj të ngjashëm.

Përveç kësaj, kombinimet e celulozës me anhidridet dikarboksilike dhe komponimet epoksi janë mjaft të zakonshme. Fuqia e tyre është se ato dekompozohen në katër javë. Shishet, filmat për mulching, sendet e disponueshme janë bërë nga materiali që rezulton. Krijimi dhe prodhimi i tyre po rritet në mënyrë aktive çdo vit.

Biodegradueshmëria e polimereve industriale

Ky problem është mjaft i rëndësishëm. Polimerët e biodegradueshëm, shembuj të të cilëve janë përmendur më lart për reagimet me mjedisin, nuk do të qëndrojnë as një vit në mjedis. Ndërsa materialet industriale mund ta ndotin atë për dekada dhe madje shekuj. E gjithë kjo vlen për polietileni, polipropileni, klorur polivinil, polistiren, polietileni tereftalat. Prandaj, zvogëlimi i kohës së degradimit të tyre është një detyrë e rëndësishme.

Për të arritur këtë rezultat, ka disa zgjidhje të mundshme. Një nga metodat më të zakonshme është futja e aditivëve të veçantë në molekulën e polimerit. Dhe në nxehtësi ose në dritë, procesi i dekompozimit të tyre përshpejtohet. Ky është i përshtatshëm për enët e tavolinës njëpërdorimshme, shishe, filma ambalazhimi dhe bujqësore, çanta. Por, mjerisht, ka edhe probleme.

E para është se aditivët duhet të përdoren në mënyra tradicionale - derdhje, derdhje, nxjerrje. Në këtë rast, polimeret nuk duhet të dekompozohen, megjithëse ato i nënshtrohen temperaturëspërpunimit. Përveç kësaj, aditivët nuk duhet të përshpejtojnë dekompozimin e polimereve në dritë, dhe gjithashtu të lejojnë mundësinë e përdorimit afatgjatë nën të. Kjo do të thotë, është e nevojshme të siguroheni që procesi i degradimit të fillojë në një moment të caktuar. Eshte shume e veshtire. Procesi teknologjik përfshin shtimin e aditivëve 1-8% (për shembull, futet niseshteja e diskutuar më parë) si pjesë e një metode të vogël tipike përpunimi, kur ngrohja e lëndës së parë nuk kalon 12 minuta. Por në të njëjtën kohë, është e nevojshme të sigurohet që ato të shpërndahen në mënyrë të barabartë në të gjithë masën e polimerit. E gjithë kjo bën të mundur mbajtjen e periudhës së degradimit në intervalin nga nëntë muaj deri në pesë vjet.

Perspektivat për zhvillim

Megjithëse përdorimi i polimerëve të biodegradueshëm po fiton vrull, ata tani përbëjnë një përqindje të ulët të tregut total. Por, megjithatë, ata ende gjetën një aplikim mjaft të gjerë dhe po bëhen gjithnjë e më të njohur. Tashmë ato janë ngulitur mjaft mirë në kamaren e paketimit të ushqimit. Përveç kësaj, polimerët e biodegradueshëm përdoren gjerësisht për shishe, gota, pjata, tasa dhe tabaka njëpërdorimshme. Ata janë vendosur në treg edhe në formën e qeseve për grumbullimin dhe kompostimin e mëpasshëm të mbetjeve ushqimore, qeseve për supermarkete, filmave bujqësore dhe kozmetikës. Në këtë rast, mund të përdoren pajisje standarde për prodhimin e polimereve të biodegradueshme. Për shkak të avantazheve të tyre (rezistenca ndaj degradimit në kushte normale, pengesë e ulët ndaj avujve të ujit dhe oksigjenit, pa probleme me depozitimin e mbetjeve, pavarësia nga lëndët e para petrokimike), ato vazhdojnë të fitojnë.treg.

Nga disavantazhet kryesore, duhet të kujtojmë vështirësitë e prodhimit në shkallë të gjerë dhe koston relativisht të lartë. Ky problem, në një masë të caktuar, mund të zgjidhet nga sistemet e prodhimit në shkallë të gjerë. Përmirësimi i teknologjisë bën gjithashtu të mundur marrjen e materialeve më të qëndrueshme dhe rezistente ndaj konsumit. Përveç kësaj, duhet theksuar se ka një tendencë të fortë për t'u fokusuar në produktet me prefiksin "eco". Kjo lehtësohet si nga media, ashtu edhe nga qeveria dhe programet mbështetëse ndërkombëtare.

Masat e ruajtjes po forcohen gradualisht, duke rezultuar në ndalimin e disa produkteve tradicionale plastike në disa vende. Për shembull, paketat. Ato janë të ndaluara në Bangladesh (pasi u zbulua se bllokuan sistemet e kullimit dhe shkaktuan dy herë përmbytje të mëdha) dhe Itali. Gradualisht vjen realizimi i çmimit real që duhet paguar për vendimet e gabuara. Dhe të kuptuarit se është e nevojshme të sigurohet siguria e mjedisit do të çojë në gjithnjë e më shumë kufizime ndaj plastikës tradicionale. Për fat të mirë, ka një kërkesë për kalimin në materiale edhe më të shtrenjta, por miqësore me mjedisin. Përveç kësaj, qendrat kërkimore në shumë vende dhe kompanitë e mëdha private po kërkojnë teknologji të reja dhe më të lira, gjë që është një lajm i mirë.

Përfundim

Pra, ne kemi shqyrtuar se cilat janë polimeret e biodegradueshme, metodat e prodhimit dhe shtrirja e këtyre materialeve. Ka një konstantepërmirësimin dhe përmirësimin e teknologjive. Pra, le të shpresojmë që në vitet e ardhshme, kostoja e polimereve të biodegradueshme do të arrijë vërtet materialet e marra me metoda tradicionale. Pas kësaj, kalimi në zhvillime më të sigurta dhe më miqësore me mjedisin do të jetë vetëm çështje kohe.