Биоразлагаемые полимеры - путь к устойчивому развитию природы и общества Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 66

Г. Б. Хасанова

БИОРАЗЛАГАЕМЫЕ ПОЛИМЕРЫ - ПУТЬ К УСТОЙЧИВОМУ РАЗВИТИЮ ПРИРОДЫ И

ОБЩЕСТВА

Ключевые слова: устойчивое развитие природы и общества, биоразлагаемые полимеры, синтетические полимеры

Проанализированы влияние синтетических полимеров и биопластиков на состояние окружающей природной среды, выявлены тенденции развития рынка биополимеров в зарубежных странах, рассмотрены преимущества и недостатки

биоразлагаемых полимеров

Keywords: sustainable development of nature and society, biodegradable polymers, synthetic polymers

The effect of synthetic polymers and bioplastics on the state of the environment, the tendencies of market development of biopolymers in foreign countries are analyzed, the advantages and disadvantages of biodegradable polymers are discusses

Глобальные экологические проблемы в современном мире тесно связаны с хозяйственной и производственной деятельностью человека и проявляются ростом заболеваемости, сокращением продолжительности жизни, снижением численности населения.

Свою лепту в усугубление экологических проблем вносит разработка все новых синтетических материалов, так как комплексные индустриальные способы изготовления пластмасс не имеют соответствия в природе. Это и использование различных токсичных мономеров и катализаторов, и образование сточных вод и газовых выбросов, обезвреживание которых сопряжено с большими энергетическими, сырьевыми и трудовыми затратами и не всегда добросовестно выполняется производителями [1].

К большинству синтетических материалов при их производстве также добавляют высокотоксичные наполнители (например, кадмий и ртуть), в том числе и новые синтетические яды, которые находятся во многих пластификаторах. Их следы уже обнаружены в организмах всех позвоночных животных, причем установлено, что они могут вызывать генетические изменения. Несмотря на это, пластификаторы продолжают использовать при выработке пластмасс.

С другой стороны, большие проблемы возникают при уничтожении синтетических полимеров [2]. Растительные и минеральные материалы природа может возвратить в первоначальное состояние, оставив тем самым в естественном круговороте (например, в процессе гниения). Большинство же синтетических материалов при сжигании выделяют ядовитые газы, а при захоронении в земле не гниют и отравляют грунтовые воды. В итоговом документе Конференции ООН по устойчивому развитию РИО+20 «Будущее, которого мы хотим», среди приоритетных направлений деятельности государств для достижения устойчивого развития указывается обеспечение к 2020 году рационального использования химических веществ на протяжении всего жизненного цикла таким образом, чтобы свести к минимуму вред, причиняемый

химическими веществами здоровью людей и окружающей среде.

Однако, сроки разложения традиционных полимеров, которые являются весьма устойчивыми химическими соединениями, составляют десятки и сотни лет, а площади под свалками ограничены. Например, многие из них, такие, как полиэтилен, способны выдерживать воздействие солнечного излучения и кислорода воздуха в совокупности с воздействием тепла и влаги в природных условиях в течение десятков лет без заметного химического разрушения. Другие, например полипропилен, подвергаются разрушению. Его легко заметить по ухудшению механической прочности пленки, которая после пребывания на воздухе в течение лета растрескивается. Тем не менее, фрагменты изделий из этого полимера также сохраняются в окружающей среде и загрязняют ее в течение многих лет.

Захоронение полимерного «мусора» оказывает вредное влияние на окружающую среду -почву, подземные воды. В некоторых странах (Тайвань, Германия, Ирландия, Южная Африка) уже вводятся запреты или ограничения на употребление пластиковых пакетов.

Казалось бы, что самым естественным могло бы быть окисление этих органических веществ при высоких температурах или попросту их сжигание. Однако при этом уничтожаются в принципе ценные вещества и материалы. Продуктами сжигания в лучшем случае являются вода и углекислый газ, а это значит, что не удается вернуть даже исходных мономеров, полимеризацией которых получали уничтожаемые полимеры. Кроме того, как уже говорилось выше, выделение в атмосферу больших количеств углекислого газа приводит к глобальным нежелательным эффектам, в частности к парниковому эффекту. Но еще хуже, что при сжигании образуются вредные летучие вещества, которые загрязняют воздух и, соответственно, воду и землю. Поэтому в большинстве стран отношение к появлению новых мусоросжигающих производств резко негативное.

В связи с этим в последние годы возрос интерес к материалам на основе природных полимеров, таких, как крахмал и хитин, структура

которых позволяет им участвовать в круговороте веществ и поэтому быть экологически безопасными. Биополимеры (полное название - биоразлагаемые полимеры) отличаются от остальных пластиков возможностью разложения на низкомолекулярные вещества, участвующие в метаболизме простейших форм жизни, путем химического, физического воздействия или биологического воздействия. Именно это свойство новых материалов позволяет решать проблему отходов.

Биоразлагаемые полимеры обычно получают с помощью полимеризации сырьевых материалов на биологической основе. Такие сырьевые материалы либо выделяют из растений и животных, либо синтезируют с использованием современных промышленных технологий.

Основными достоинствами биополимеров являются биосовместимость (неотторжение организмом изделий из биополимеров при использовании в медицине) и экологичность (быстрое и нетоксичное разложение изделий из биополимеров в окружающей среде). Поэтому они перспективны для использования в медицине (хирургические и одноразовые материалы), фармакологии (пролонгация действия

лекарственных веществ), пищевой промышленности (упаковочный и антиоксидантный материал) [3], сельском хозяйстве (обволакиватели семян, разрушаемые пленки).

Конечно, биоразлагаемые полимеры и их потенциальные возможности еще не полностью изучены по сравнению со своими «традиционными» предшественниками. Кто мог предсказать, что смеси на основе пшеницы помогут снизить сопротивляемость шин и, значит, сократить расход топлива? Сегодня фирма Goodyear активно использует эту технологию. Ведутся также работы по созданию такого наполнителя, который позволит внести значительный вклад в защиту окружающей среды и сократить выхлопы СО2. Первые результаты испытаний материалов нового поколения показали, что на 1 кг произведенного бионаполнителя выхлопы СО2 снижаются на 0,62 кг, а уровень сопротивления качению - на 30 % [4].

Реализация принципов Киотского протокола также заставляет обратить особое внимание на сравнительную эффективность биополимеров и синтетических материалов с точки зрения энергозатрат и выбросов CO2. По приблизительным подсчетам, пластики на основе крахмала могут сэкономить 0,8-3,2 т CO2 на 1 т по сравнению с 1 т пластмассы, полученной из органического топлива.

Таким образом, использование

биополимеров дает ощутимые преимущества с экологической точки зрения:

• снижаются энергозатраты приблизительно на 20 ГДж/т полимера;

• уменьшаются выбросы СО2 в атмосферу по крайней мере на 1 т/т полимера;

• уменьшается большинство других вредных факторов, влияющих на состояние окружающей среды, по меньшей мере, на 20 %.

Европа сегодня является главным драйвером мировой индустрии биополимеров. Это объясняется действующими в ЕС стандартами относительно полимерной упаковки и большой озабоченностью европейцев вопросами охраны окружающей среды. Потребление биополимеров там можно оценить примерно в 50 тыс. т в год. Наиболее динамично развивается рынок биоразлагаемых пластиков в таких странах, как Италия, Великобритания, Нидерланды. В структуре потребления биополимеров наиболее велик удельный вес пленок, используемых в тех областях, где важны биоразлагаемость и компостирование (агропленки, мешки для сбора отходов). На втором месте - насыпной амортизирующий материал, получаемый из вспенивающихся марок Mater-Bi [5].

Развитию рынка биополимеров в Европе способствуют также программы по раздельному сбору компостируемых отходов и директивы, предусматривающие штрафы за совместное захоронение различных видов отходов. В этих условиях преимущества биопластмасс, связанные с более низкой платой за хранение отходов, становятся более ощутимыми.

Биополимеры намного лучше, чем синтетические полимеры, удовлетворяют требованиям европейской директивы 94/62/ЕС от 31 декабря 1994 г., в которой процедура компостирования прописана как неотъемлемый элемент схемы утилизации отходов. Поэтому они представляют собой лучшую альтернативу традиционным пластикам с точки зрения необходимости резкого сокращения количества пластикового мусора, отправляемого на муниципальные свалки.

Благоприятная обстановка в отношении биополимеров складывается и в Японии. Достаточно сказать, что треть всех действующих в мире фирм в сфере разработки и производства биополимеров - японские. Ограниченность территории и наличие законов, обязывающих производителей осуществлять рециклинг полимерной упаковки в целях ее повторного использования и освобождающих биополимерную компостируемую упаковку от уплаты соответствующего налога, способствуют ее адаптации на рынке. Основные потенциальные секторы использования - пищевая упаковка, вспененная упаковка изделий электроники и электротехники.

Там начали использовать биополимеры и в производстве компьютеров. Так, NEC Corp. разработала для этих целей наполненный полимер на основе полимолочной кислоты, в котором наполнителем является волокно кенаф. По сравнению со стеклонаполненным АБС-пластиком новый материал характеризуется более высокой теплостойкостью и прочностью. Другая японская фирма Arkhe разработала технологию защиты от УФ-излучения - биополимер, который будет использоваться для изготовления корпусов различных изделий электроники. Pioneer и Sanyo выпустили первые партии биоразлагаемых компакт-

дисков. Ведущие производители мобильных телефонов работают над покрытиями из биополимеров. Toyota изучает возможности использования полиэфирных биополимеров в автомобильной промышленности, в частности, для изготовления молдингов.

По сведениям объединения European Bioplastics, объем мирового производства пластиков на основе возобновляемого сырья в 2011 г. превысил 1,5 млн. т. В результате доля пластмасс из возобновляемого сырья увеличилась почти до 40 %

[4].

В России, к сожалению, биополимеры пока не производятся и практически не применяются. Основные тому причины: ограниченная платежеспособность как предприятий, так и конечных потребителей (неготовность платить за уникальную, экологически чистую, но дорогую упаковку), недостаточное внимание к экологическим проблемам со стороны законодательных властей и неготовность вкладывать в развитие новых технологий производства полимерных материалов. Но в ближайшем будущем в Калиниградской области ожидается запуск первых мощностей предприятия, на котором будет осуществляться ректификация молочной кислоты и производство на ее основе биополимеров. В проекте - экологически безопасные антигололедные реагенты и биокомпозиты. В Башкирии к 2014 году предполагается ввести эксплуатацию завод по производству биополимеров «Башкирский биополимер», на котором с помощью современных биотехнологий будут производить биоразлагаемый пластик. Весной 2013 года было подписано соглашение между РОТЕКом и голландской компанией Purac о разработке проекта по созданию в РФ производства биополимеров.

Преимущества биоразлагаемых полимеров:

• возможность обработки, как и обычных полимеров, на стандартном оборудовании;

• низкий барьер пропускания кислорода, водяного пара (оптимально для использования в области пищевой упаковки);

• стойкость к разложению в обычных условиях;

• быстрая и полная разлагаемость при специально созданных условиях или естественных -отсутствие проблем с утилизацией отходов;

• независимость от нефтехимического

сырья.

Недостатки биоразлагаемых полимеров:

• ограниченные возможности для крупнотоннажного производства;

• высокая стоимость (пока в среднем 2-5 евро за 1 кг).

Однако следует отметить, что со временем стоимость биопластиков снизится, и они займут свое место на рынке полимеров [5].

Концепция устойчивого развития предполагает ведение таких форм хозяйствования, при которых необходимо умерить темпы потребления невозобновляемых видов сырья, сохранив их для будущих поколений, и активно осваивать ресурсо- и энергосберегающие технологии, а также рециклинг материалов. Производители и потребители должны сознательно смириться с дополнительными неудобствами и расходами: с экономической точки зрения биоразлагаемые материалы должны

рассматриваться как реалистическая и рентабельная альтернатива накоплению мусора всеми действующими сторонами, а также стать важным бизнесом в краткосрочном и среднесрочном временном диапазоне.

Литература

1. З.Х. Сергеева, Вестник Казанского технологического университета, 8, 177-181 (2011).

2. Г.Б. Хасанова, Вестник Казанского технологического университета, 22, 198 (2013).

3. О.И Волостнва., Р.Н. Исмаилова, А.В. Селиванов, Вестник Казанского технологического университета, 8, 478-479 (2010).

4. А.Лешина, Химия и жизнь, 9, 3-6 (2012).

5. М.С. Тасеекеев, Л.М. Еремеева, Производство биополимеров как один из путей решения проблем экологии и АПК: Аналит. Обзор, Алматы, НЦ НТИ, 2009, 200 с.

6. М.В. Забавников, М.Ю. Шишкина. В сб.: Наука и образование для устойчивого развития экономики, природы и общества, Тамб. гос. техн. ун-т, Тамбов, 2013, Т. 2., С. 22-31.

© Г. Б. Хасанова - д.п.н., профессор, кафедра социальной работы, педагогики и психологии КНИТУ, [email protected].

© G. B. Khasanova - Kazan National Research Technological University, professor of SWPP department, Full Professor, professor, [email protected].