О проблемах переработки отходов на планете


В последнее время экологи бьют тревогу: планета замусорена. Правительственные и общественные организации ломают голову, как создать эффективную и рентабельную систему переработки отходов. Да и вообще, как увлечь этой идеей гражданина. Некоторые считают, что на решении этой проблемы можно озолотиться, но бизнесменов, рвущихся не сжигать, а перерабатывать, пока не так уж много.
А существуют ли такие решения?
На Западе иногда говорят: «Приятно перерабатывать. Есть определенное чувство выполненного долга, которое возникает, если вы аккуратно отсортируете бутылки из-под газировки, полиэтиленовые пакеты и стаканчики с йогуртом от остального мусора. Чем больше пластика вы поместите в синюю корзину, тем больше вы будете держаться подальше от свалок и океанов мусора, верно»?
Оказывается, нет! Неправильно. Независимо от того, насколько тщательно вы чистите и разделяете пластик, большинство из них все равно попадет в мусорную корзину.

Возьмите гибкие продуктовые пакеты. Эти пленки содержат несколько слоев разных пластиков. Поскольку каждый пластик нужно перерабатывать отдельно, эти пленки не подлежат переработке. Пакеты для продуктов и термоусадочная пленка слишком хрупкие, они могут запутаться на конвейерной ленте с другими материалами. Полипропилен в стаканчиках для йогурта и других предметах также обычно не перерабатывается; переработка мешанины полипропилена дает темный, пахнущий пластик, который будут использовать немногие производители. Чаще, при производстве покрытий для садовых дорожек.
Только два вида пластика обычно перерабатываются, например, в Соединенных Штатах: пластик в пластиковых бутылках из-под газировки, полиэтилентерефталат или ПЭТ; и пластик, содержащийся в молочниках и контейнерах для моющих средств - полиэтилен высокой плотности или HDPE. По сообщениям авторитетного издания в Science Advances, в 2017 году провели исследование и установили, что в совокупности эти пластмассы составляют лишь около четверти мирового пластикового мусора.

А когда эти пластмассы перерабатываются, они мало пригодны. Плавление пластика для переработки меняет его консистенцию, поэтому ПЭТ из бутылок необходимо смешивать с совершенно новым пластиком, чтобы получить прочный конечный продукт. Переработка смеси разноцветных кусков HDPE создает темный пластик, пригодный только для изготовления таких товаров, как парковые скамейки и мусорные баки, в которых такие свойства, как цвет, не имеют большого значения.
По словам Эрика Бекмана, инженера-химика из Университета Питтсбурга, трудности с переработкой пластика во что-либо полезное, что хотят использовать производители, - это самая большая причина, по которой мир усеян таким большим количеством пластиковых отходов.

По данным Агентства по охране окружающей среды США, только в 2018 году в США было захоронено 27 миллионов тонн пластика, а переработано всего 3 миллиона. Низкий уровень переработки является проблемой не только в Соединенных Штатах. Из 6,3 миллиарда тонн пластика, выброшенного в мусор во всем мире, переработано лишь около 9 процентов. Еще 12 процентов сгорело, и почти 80 процентов скопилось на суше или в водоемах. Мировой океан замусорен настолько, что в некоторых районах горы мусора вызывают проблемы с навигацией.
Хорошие новости / плохие новости
Количество переработанного пластика в Соединенных Штатах увеличилось за
последние несколько десятилетий, но этот уровень все еще низкий и бледнеет по сравнению с количеством пластика, отправляемого на свалки.

image.png
Управление пластиковыми отходами, 1960–2018 гг.

В связи с тем, что пластик собирается повсюду от вершины Эвереста до дна Марианской впадины, существует острая необходимость уменьшить количество выбрасываемого пластика.

Некоторые люди предлагают заменить пластик биоразлагаемыми материалами, но эти замены, как правило, не такие прочные и дешевые в производстве, как пластмассы. Поскольку, на самом деле, пластик в ближайшее время не исчезнет, химики, которые разбираются в тонкостях всего этого надоедливого пластика, работают над тем, чтобы упростить его переработку и превращение в более качественный материал, который пригодится для большего количества вещей.
«Не существует единственной технологии, которая могла бы стать универсальным ответом», - говорит Эд Дэниелс, старший менеджер проекта в REMADE Institute в Вест-Генриетте, штат Нью-Йорк, который финансирует исследования в области новых технологий переработки. - Некоторые проекты находятся на грани выхода в индустрию; другие по-прежнему представляют собой многообещающие лабораторные эксперименты. Но все они сосредоточены на создании будущего, в котором любой пластик, попавший в мусорную корзину, может иметь вторую и третью жизнь в новом продукте.

Разборка пластика

Одним из самых серьезных препятствий в переработке пластика является то, что каждый материал нужно обрабатывать отдельно. «Большинство пластмасс подобны маслу и воде», - говорит химик Джеффри Коутс из Корнельского университета. Они просто не смешиваются. Возьмем, к примеру, полиэтиленовый кувшин для моющего средства и его полипропиленовую крышку. «Если вы их расплавите, и я сделаю из этого бутылку и сожму ее, она, по сути, расколется по бокам», - говорит Коутс. «Это будет безумно хрупкое изделие. И совершенно бесполезное».

Вот почему первый пункт назначения вторичного пластика - это предприятие по рекуперации материалов, где люди и машины занимаются сортировкой. Затем отделённый пластик можно мыть, измельчать, плавить и повторно формовать. Система хорошо работает с простыми предметами, такими как бутылки из-под содовой воды или молочной продукции. Но не для таких предметов, как контейнеры с дезодорантом, где бутылка, рукоятка и крышка могут быть сделаны из разных видов пластика. Пленки для упаковки пищевых продуктов, которые содержат несколько слоев разного пластика, особенно сложно разбирать. Ежегодно во всем мире производится 100 миллионов тонн этих многослойных пленок. «Когда эти пластмассы выбрасываются, они отправляются на свалки», - говорит инженер-химик Джордж Хубер из Университета Висконсин-Мэдисон.

image.png
Предприятие по утилизации отходов в Элкридже, штат Мэриленд, рабочие сортируют мусор, движущийся мимо них на ленточных конвейерах.

Чтобы решить эту проблему, Хубер и его коллеги разработали стратегию работы со сложными смесями пластмасс. В процессе используется серия жидких растворителей для растворения отдельных пластиковых компонентов продукта. По словам Хубера, хитрость заключается в том, чтобы правильно подобрать растворители для растворения только одного вида пластика за раз.
Команда протестировала эту технику на упаковочной пленке, содержащей полиэтилен и ПЭТ, а также на пластиковом кислородном барьере из этиленвинилового спирта или EVOH, который сохраняет пищу свежей.
Перемешивание пленки в толуоловом растворителе сначала растворило слой полиэтилена. Погружение оставшейся пленки EVOH-PET в растворитель, называемый DMSO, удаляет EVOH. Затем исследователи выдернули оставшуюся пленку ПЭТ и извлекли два других пластика из отдельных растворителей, добавив «антирастворители». Эти химические вещества заставляли молекулы пластика, которые были диспергированы в жидкостях, собираться вместе в твердые сгустки, которые можно было выловить.

Этот процесс восстановил практически весь пластик из оригинальной пленки, о чем исследователи сообщили в ноябре прошлого года в журнале Science Advances. При испытании на мешанине из полиэтилена, шариков ПЭТ и EVOH смывки растворителем восстановили более 95 процентов каждого материала, что указывает на то, что эти растворители можно использовать для снятия пластиковых компонентов с более объемных предметов, чем упаковочные пленки. Таким образом, теоретически предприятия по утилизации могут использовать эту технику для разборки контейнеров с множественными дезодорантами и других продуктов различных форм и размеров.

Затем Хубер и его коллеги планируют поискать растворители для растворения большего количества видов пластика, таких как полистирол в пенополистироле. Но потребуется гораздо больше работы, чтобы сделать эту стратегию эффективной при сортировке всех сложных комбинаций пластика в реальных объемах вторсырья.
Ложная реклама
Многие изделия из пластика обозначены цифрой внутри треугольника, которая символизирует переработку.

image.png

Тем не менее, только пластмассы с 1 (полиэтилентерефталат) или 2 (полиэтилен высокой плотности) широко перерабатываются в Соединенных Штатах. Остальное обычно отправляется на свалку.

С цифрой 1 - ПЭТ- бутылки для воды и безалкогольных напитков, контейнеры для салатов, для печенья, для майонезов и салатов и контейнеры для арахисового масла

С цифрой 2 - HDPE - Бутылки для молока и сока, пакеты для заморозки, бутылки для шампуня и
моющих средств


С цифрой 3 - Косметические контейнеры из ПВХ, коммерческая пищевая пленка.


С цифрой 4 - LDPE - Squeeze бутылки, пищевая пленка, мешки для мусора


С цифрой 5 - PP - Посуда для микроволновой печи, кадки для мороженого, емкости для йогурта, крышки от бутылок с моющими средствами


С цифрой 6 - Коробки для - компакт-дисков PS, пластиковые одноразовые стаканчики, пластиковые столовые приборы, футляры для видеокассет.
Стаканы для горячих напитков из пенополистирола EPS, лотки для еды на вынос, защитная упаковка для хрупких предметов.


С цифрой 7 - Прочее
Бутылки для водоохладителей, гибкие пленки, упаковка из разных материалов.


Смешивание пластмасс
Могут быть также химические средства, позволяющие перерабатывать многослойные пленки и другие смеси пластмасс в том виде, в каком они есть. Добавки, называемые компатибилизаторами, помогают смешивать различные расплавленные пластмассы, так что несортированные материалы можно рассматривать как одно целое. Но не существует универсального компатибилизатора, позволяющего смешивать все виды пластика. А существующие компатибилизаторы широко не используются, потому что они не очень эффективны, а добавление большого количества компатибилизатора в пластиковую смесь обходится дорого.
Чтобы повысить жизнеспособность, Коутс и его коллеги создали высокоэффективный компатибилизатор для полиэтилена и полипропилена. Вместе эти два пластика составляют более половины всего пластика в мире. Новая молекула компатибилизатора содержит два сегмента полиэтилена, перемежающихся с двумя сегментами полипропилена. Эти чередующиеся сегменты цепляются за пластиковые молекулы одного и того же вида в смеси, объединяя полиэтилен и полипропилен. Это как если бы полиэтилен был сделан из Lego, а полипропилен - из Duplos, и исследователи сделали специальный строительный блок с разъемами, которые подходят для обоих типов блоков.

Наличие двух полиэтиленовых и двух полипропиленовых соединителей для каждой молекулы компатибилизатора, а не одного, сделало этот компатибилизатор более сильным, чем предыдущие версии , как сообщили Коутс и его коллеги в 2017 году в журнале Science . Первое испытание нового средства для совместимости включало сварку вместе полос полиэтилена и полипропилена. Обычно два материала легко отслаиваются. Но со слоем компатибилизатора между ними ломались пластиковые полоски, а не уплотнение компатибилизатора при разрыве.

Во втором тесте исследователи смешали компатибилизатор с расплавленной смесью полиэтилена и полипропилена. Чтобы создать новый прочный пластик, потребовался всего 1 процент компатибилизатора.
«Это безумно мощные добавки, - говорит Коутс. Другие добавки, улучшающие совместимость, должны были быть добавлены в концентрациях до 10 процентов, чтобы удерживать эти два пластика вместе. Новый компатибилизатор стал основой для запуска Coates Intermix Performance Materials в Итаке, штат Нью-Йорк.

Как новый

Даже если бы каждый кусок пластикового мусора можно было бы легко переработать, это все равно не решило бы проблему пластика в мире. Есть несколько серьезных проблем с тем, как в настоящее время работает переработка, которые серьезно ограничивают возможности использования переработанных материалов.
Во-первых, переработанный пластик унаследовал все красители, антипирены и другие добавки, которые придали каждому оригинальному пластиковому элементу особый внешний вид. «Пластик, который вы действительно извлекаете в результате всего этого, на самом деле представляет собой очень сложную смесь», - говорит химик Сюзанна Скотт из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Немногие производители могут использовать пластик со случайным набором свойств для создания чего-то нового и полезного.

Кроме того, переработка разрушает некоторые химические связи в молекулах пластика, что влияет на прочность и консистенцию материала. Расплавление и повторное формование пластика похоже на разогрев пиццы в микроволновой печи - вы получаете в основном то, что кладете, только не так хорошо. Это ограничивает количество циклов, когда пластик может быть переработан, прежде чем его придется захоронить.
Решение обеих проблем может лежать в новом виде процесса переработки, называемом химическим рециклингом, который обещает бесконечное количество раз производить чистый новый пластик. Химическая переработка включает в себя разборку пластика на молекулярном уровне.

Молекулы, из которых состоит пластик, называются полимерами, которые состоят из более мелких мономеров. Используя нагревание и химические вещества, можно разобрать полимеры на мономеры, отделить эти строительные блоки от красителей и других загрязняющих веществ и собрать мономеры вместе в новый пластик.
«Переработка химикатов действительно начала проявляться как сила, я бы сказал, в течение последних трех или четырех лет», - говорит Бекман из Университета Питтсбурга. Но большинство методов химической переработки слишком дороги или энергоемки для коммерческого использования. «Он не готов к прайм-тайм», - говорит он.

Для разных пластиков требуются разные процессы химической переработки, и некоторые из них разрушаются легче, чем другие. «Дальше всех идет ПЭТ, - говорит Бекман. «Этот полимер легко разбирать». Несколько компаний, в том числе французская Carbios, разрабатывают методы химической переработки ПЭТ.
Carbios тестирует ферменты, вырабатываемые микроорганизмами для расщепления ПЭТ. Исследователи компании описали свою работу над одним из таких ферментов в апреле прошлого года в журнале Nature . Микробы обычно используют фермент, называемый кутиназой компоста из ветвей листьев, для разложения воскового налета на листьях растений. Но кутиназа также способна расщеплять ПЭТ на его мономеры: этиленгликоль и терефталевую кислоту.

Микробиологическая помощь

Фермент, вырабатываемый микробами естественным путем, расщепляет около 50 процентов полиэтилентерефталата или ПЭТ (синяя линия). Измененная версия фермента разрушила более 80 процентов пластика (черная пунктирная линия). Увеличение количества фермента с 1 миллиграмма на грамм ПЭТ до 3 миллиграммов сделало его еще более эффективным - разложив около 90 процентов ПЭТ.

image.png
Разложение ПЭТ ферментом

«Фермент подобен молекулярным ножницам», - говорит Ален Марти, главный научный сотрудник Carbios. Но поскольку он эволюционировал для разложения растительного вещества, а не пластика, он не идеален. Чтобы фермент лучше разбирал ПЭТ на части, «мы переработали то, что мы называем активным центром фермента», - говорит Марти. Это включало замену некоторых аминокислот на стыковочном сайте ПЭТ на другие.
Когда исследователи протестировали свой мутантный фермент на цветных пластиковых хлопьях от бутылок из ПЭТ, применив 3 миллиграмма фермента на грамм ПЭТ, около 90 процентов пластика разрушилось примерно за 10 часов. Исходный фермент достиг максимальной отметки около 50 процентов. Используя мономеры терефталевой кислоты, полученные в этом процессе, исследователи создали новые пластиковые бутылки, которые были такими же прочными, как и оригиналы.
Carbios сейчас строит завод недалеко от Лиона, Франция, чтобы начать химическую переработку ПЭТ в конце этого года.

Более мягкие условия

Но другие пластмассы, такие как полиэтилен и полипропилен, гораздо сложнее разрушить путем химической переработки. Например, для разборки молекул полиэтилена требуется температура более 400 ° C. При таком сильном нагреве химия становится хаотичной. Молекулы пластика распадаются случайным образом, образуя сложную смесь соединений, которые можно сжигать в качестве топлива, но не использовать для создания новых материалов.

Скотт, химик из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, предлагает частично разрушить этот прочный пластик более контролируемым образом в более мягких условиях, чтобы получить другие виды полезных молекул. Недавно она и ее коллеги придумали способ превратить полиэтилен в алкилароматические соединения, которые можно использовать в качестве биоразлагаемых ингредиентов в шампунях, детергентах и других продуктах. Процесс включает помещение полиэтилена в реакционную камеру, установленную на температуру 280 ° C, с порошком катализатора, содержащим наночастицы платины.

Полиэтилен - это длинная молекула, в которой атомы водорода соединены с углеродной цепью, которая может состоять из тысяч атомов углерода. По словам Скотта, платина хорошо разрушает углеродно-водородные связи. «Когда вы это делаете, вы генерируете водород в реакторе, и платиновый катализатор может использовать водород для разрыва углерод-углеродных связей в основной цепи молекулы. Таким образом, он фактически разрезает цепь на более мелкие кусочки».
Поскольку эта реакция протекает при относительно умеренной температуре 280 ° C, она происходит упорядоченно, при этом длинные молекулы полиэтилена расщепляются на более короткие цепи, каждая из которых состоит из 30 атомов углерода. Затем эти фрагменты образуют шестисторонние кольцевые структуры, характерные для алкилароматических соединений.

Через 24 часа в реакционной камере «большинство продуктов представляют собой жидкости, а большинство жидкостей - алкилароматические», - говорит Скотт. В ходе экспериментов около 69 процентов пластика в полиэтиленовом пакете низкой плотности превратилось в жидкость . Около 55 процентов крышки для бутылок из полиэтилена высокой плотности было преобразовано. По словам Скотта, в процессе также образуются углеводородные газы, которые можно использовать для выработки тепла для проведения реакции на заводе по переработке.

На данный момент это всего лишь лабораторная демонстрация, и, как и многие новые стратегии утилизации, до коммерциализации еще далеко. И никакая модернизация системы переработки отходов не избавит мир от растущих гор пластикового мусора. «Для решения этой задачи нам понадобится набор технологий, - говорит Дэниелс из института REMADE. Но каждая новая технология - будь то упростить переработку пластика или преобразование его в более полезные материалы - может помочь.

Построено на совесть

Производимые сегодня пластмассы никогда не предназначались для многократного использования. Вот почему переработка пластика - особенно в материал, который не уступает новому - так сложна. Но исследователи возвращаются к чертежной доске, чтобы спросить себя: «Как выглядят материалы следующего поколения? Как вы проектируете материал так, чтобы он никогда не попадал на свалку? » - говорит Эрик Бекман, инженер-химик из Питтсбургского университета. «Химики изучают, можно ли создать полимер, который распадается по команде».
О разработке класса полимеров следующего поколения , называемых PDK, для поли (дикетоенаминов) s, было сообщено в издании Nature Chemistry в 2019 году. «PDK обладают способностью разрывать свои связи в относительно мягких условиях - безусловно, с гораздо меньшей энергоемкостью любой из пластмасс, которые используются сегодня», - говорит соавтор исследования Бретт Хелмс, химик из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии. Достаточно просто окунуть пластик в кислотный раствор с pH 1 или 2, чтобы разорвать связи между строительными блоками мономера.


Мусоросжигательный завод Шпиттелау, в центре Вены (Австрия). Постороен по проекту известного австрийского архитертора Ф.Хундертвассера.

«Материалы обычно не имеют такого низкого pH, поэтому не похоже, что если вы поместите PDK в уксус, полимер начнет разрушаться», - говорит Хелмс. Но это может облегчить переработку. Затем мономеры PDK можно снова и снова использовать для изготовления нового пластика.
По словам Бекмана, широко распространенные пластмассы, такие как полиэтилентерефталат, или ПЭТ, и полиэтилен, настолько дешевы в производстве, что любому полимеру, имеющему прорыв, будет сложно выйти на рынок. Так что на данный момент пластик, пригодный для вторичной переработки, - это просто академическое опыты, некоторое научное любопытство. Но, возможно, через десятилетия пластмассы, предназначенные для вторичной переработки с самого начала будут создаваться с учетом этого, что и поможет решить мировую проблему пластиковых отходов.

Text.ru - 100.00%


Comments 0