Утилизация упаковки. Учебное пособие

71

Предварительную сортировку производят, как правило, вручную на столах или ленточных конвейерах; при сортировке одновременно удаляют из отходов различные посторонние предметы и включения.

Предварительная обработка

↓

Сортировка

↓

Измельчение

↓

Очистка от примесей

↓

Дробление

↓

Мойка

↓

Сушка

↓

Грануляция

Отходы, прошедшие сортировку, измельчают в дробилках мокрого или сухого измельчения до получения рыхлой массы с размером частиц 2…9 мм.

Применение вторичного сырья включает в себя производство листа, ленты и пленки. Так, лист и лента – «классические» продукты из вторичного сырья. Лист, к примеру, производится для изготовления пластмассовых коробок для фруктов и яиц.

Переработанные отходы широко используются в производстве строительных материалов. Основные направления данного пути утилизации следующие:

1) как структурирующие или наполненные материалы (например, для дренажа кислотных стоков, подземных сводов, соединительных боксов канализационных труб применяется полимербетон – материал из отходов и минеральных наполнителей);

72

2)в дорожном строительстве в качестве добавки к бетону, асфальту (в данном случае материалы представляют собой би- тумно-полимерные композиции, обладающие повышенными значениями прочностных показателей и водостойкости);

3)при производстве кровельных материалов (черепицы в смесях полимерных отходов с неорганическими наполнителями);

4)как компонент водостойких материалов для герметизации швов между панелями зданий, а также для покрытия частей сооружений, работающих под водой или в условиях повышенной влажности.

Таким образом, при рациональном использовании отходы полимерного сырья способны быть ценным химическим сырьем. Внедрение технологий получения и переработки вторичного отходы полимерного сырья может позволить к тому же существенно снизить и экологический урон окружающей среде.

7.2.Биоразлагаемые полимерные материалы

За последние десять лет спрос на пластмассы в России увеличился больше, чем в 10 раз, причем более 30 % полимерных материалов используется для производства упаковки, в том числе пластиковых пакетов. Мы активно используем пластиковые пакеты в нашей повседневной жизни, и порой забываем о том, что после применения они превращаются в полимерные отходы, опасные для окружающей среды.

Известно, что требуется более 100 лет на естественное разложение пластика, в процессе которого выделяются токсичные вещества, нарушается газообмен в почве и воде.

В последнее десятилетие многие страны мира вводили ограничения и запреты на использование полимерной упаковки.

Так, в Тайване с 2003 г. полимерные пакеты запрещены к использованию во всех торговых центрах. То же произошло в Лос-Анджелесе в 2007 г. С пластиковыми пакетами борются в Кении, Руанде и Танзании. В Бангладеш использование пластиковых пакетов запрещено полностью, после того как было обнаружено, что они, засорив дренажные системы, явились основной причиной наводнений в 1988 и 1998 гг., которые затопили 2/3 страны. Во многих странах Европы существуют налоги на пластиковые пакеты. В декабре 2010 г. их запретили в Италии.

73

В результате появились технологии создания более экологичной упаковки. И сегодня для производства безопасных пакетов, пленок и другой пластиковой продукции наиболее эффективным средством признаны биоразлагаемые материалы,

точнее биоразлагаемые пластики или биополимеры.

Их изготавливают из сырья растительного происхождения или биоразлагаемых продуктов нефтехимии, а также из смесей (блендов) первых и вторых. В течение короткого промежутка времени (до 6 месяцев) после помещения биоразлагаемой упаковки в компостные условия, она естественным образом «поедается» микроорганизмами, не нанося вреда окружающей среде. В результате разложения такой упаковки остается лишь гумус (перегной), вода и углекислый газ. Такой процесс называется «биодеградация».

Такие биопластики можно получать двумя способами: либо на основе веществ органической природы (олигосахариды, целлюлоза, зерно, молоко и т.д.), либо биотехнологическим путем. Сейчас наибольшее распространение получило изготовление биоразрушаемой упаковки, основанное на введении в синтетический полимер веществ растительного происхождения. Они служат питательной средой для микроорганизмов, что приводит к нарушению целостности упаковки и соответственно к ее разрушению.

Сырьем для получения этих веществ является картофель, свекла, тапиока, зерновые и бобовые культуры, целлюлоза (древесина, хлопчатник, лигнин) и др.

Все производимые и изучаемые технологии биоразлагаемых пластиков делятся на четыре группы.

Первая – это полимеры, выделенные из биомассы, и природные полимеры: крахмал, целлюлоза, белки.

Вторая – полимеры, производимые микроорганизмами в ходе своей жизнедеятельности (полигидроксиалканоаты, бактериальная целлюлоза).

Третья – полимеры, искусственно синтезированные из природных мономеров (например, полилактиды). И последняя группа

– традиционные синтетические пластики с введенными в них биоразрушающими добавками.

74

Эти технологии активно развиваются в странах с постиндустриальной экономикой. Прежде всего, в США и Европе. Свои разработки и внедрения есть в Китае, Японии, Корее.

А вот в России поиск технологий получения полимеров из возобновляемого сырья и биодеградируемых пластиков развивается слабо. При этом, Россия располагает большими ресурсами достаточно дешевых зерновых, которые могли бы служить сырьем для производства биополимеров. Но и здесь имеются свои проблемы. Научные разработки в области экотехнологий в России на начальном этапе развития, да и получить на них финансирование научным центрам (в основном, государственным) довольно сложно. Кроме того, большие запасы нефти располагают к её использованию в производстве обычного пластика. Поэтому в России необходимость замены обычного пластика на биопластик еще не достаточна актуальна.

Направление по использованию природных полимеров, прежде всего, интересно тем, что ресурсы исходного сырья постоянно возобновляемы и практически не ограничены.

Наиболее широко из ряда природных соединений в биоразлагаемых упаковочных материалах используется крахмал. Для производства крахмала используют картофель, кукурузу, горох, рис, пшеницу и ряд других растений.

Пластические массы на основе крахмала обладают высокой экологичностью и способностью разлагаться в компосте при 30 °С в течение двух месяцев с образованием благоприятных для растений продуктов распада. С целью снижения себестоимости биоразлагаемых материалов бытового назначения (упаковка, пленка для мульчирования в агротехнике, пакеты для мусора) используется неочищенный крахмал, смешанный с поливиниловым спиртом и тальком. Недостатком таких крахмалсодержащих материалов является их повышенная влаговпитывающая способность, поэтому они могут оказываться непригодными для упаковки продуктов с повышенной влажностью.

В качестве возобновляемого природного биоразлагаемого начала при получении термопластов активно разрабатываются и другие природные полисахариды: целлюлоза, хитин, хитозан. Полимеры, полученные взаимодействием целлюлозы с эпоксидным соединением и ангидридами дикарбоновых кислот, полно-

75

стью разлагаются в компосте за 4 недели. На их основе формованием получают бутыли, разовую посуду, пленки для мульчирования. Из тройной композиции (хитозан, микроцеллюлозное волокно и желатин) получают пленки с повышенной прочностью, способные разлагаться микроорганизмами при захоронении в землю. Они применяются для упаковки, изготовления подносов и т.д. Пищевую упаковку производят также из природного белка – цеина.

Кразрушаемым с помощью микроорганизмов биопластикам относится сополимер оксибутирата и оксивалерата. Это вещества, которые по своим физико-химическим свойствам сходны

сполиэтиленом и полипропиленом, но способные к биодеградации. Так, для термопластичного биополимера – полиоксибутирата созданы специальные водородокисляющие микроорганизмы – водородные бактерии. Это полимеры нового поколения, имеющие высокий рыночный потенциал. Это экологически чистые полимерные материалы, разлагаемые в естественных условиях до конечных продуктов, т.е. до воды и диоксида углерода.

При изготовлении биоразлагаемых полимерных материалов учитывают, что деструкция базового полимера практически не ускоряется.

Для интенсификации этого процесса в состав полимерной матрицы вводят добавки, усиливающие ее распад под действием УФ – облучения. К таким добавкам относятся сополимеры на основе этилена и моносахорида углерода, винилкетоны, материалы экопласт, экомет (Канада), биопласт, биопол, экостар (Великобритания), новон, тон (США), биоцел (Франция), эколин (Швеция) и др.

Кбиодеградируемым полимерам относится биобол фирмы ICI, представляющий собой биосентетический сополимер полигидроксибутират или полигидроксивалерат. Сополимер извлекают из биомассы бактерий определенного штамма, который культивируют на углеводных питательных средах. Варьируя соотношение мономерных звеньев, можно получать полиэфирные материалы с различными свойствами. Биопол полностью отвечает требованиям к упаковкам одноили двухразоваго применения, легко разлагаемых под воздействием биологических факторов в анаэробных условиях (внутри компоста или над землей, на полях орошения или в воде).

76

Период разложения составляет от 6 до 36 нед.

Примером биоразлагаемого полимера на основе гидроксикарбоновой кислоты служит новон (США) этот материал в присутствии влаги разлагается как на воздухе, так и в анаэробных условиях.

Новон настроен из остатков молочной кислоты, его метаболизируют не только микроорганизмы, но и насекомые.

Упаковка из биоцелла после погружения в воду набухает

иуже через 6 мес. до 40% материала разлагается до диоксида углерода и воды. Полная деградация осуществляется в течении 18 мес. за счет почвенной микрофлоры.

ВСША получили распространение биоразлагаемые на открытом воздухе упаковки под общим названием TONE. Основой для их производства служит поликапролактам, который хорошо совмещается механическим способом с пластиками (ПЭ, ПП, ПВХ, ПС, ПК, ПЭТ). Достоинства этой группы материалов является их принадлежность к термопластам, низкая стоимость, легкость переработки различными методами, хорошие свойства

ивысокая скорость разложения на открытом воздухе.

Вкачестве базового полимера нового биоразлагаемого материала (Италия) является полиамид – 6 (6,6), в состав входят также различные добавки природного происхождения (от 60 до 90%), синтетические нетоксичные полимеры с низкой молекулярной массой, разрешенные для контакта с пищевыми продуктами.

Упаковки из этого материала разлагаются практически без остатка, не нанося ущерб окружающей среде.

Основой сравнительно новых материалов, как экостар, поликсин и ампасет, являются ПЭВП и крахмалы злаковых растений в качестве биоразлагаемой добавки. В крахмалсодержащую позицию вводят антиоксиданты для уменьшения деструкции при переработке в упаковочные изделия.

Новым упаковочным материалом является эколин. Его получают из полиэтилена или полипропилена с добавлением таких природных минеральных наполнителей, как известняк или доломит. Содержание наполнителя в композите может составлять до 50 %. Этот материал прошел сертификацию и в качестве упаковки может применяться для пищевых продуктов. Его преимуществами являются нетоксичность, дешевое минеральное сырье, меньший расход нефепродуктов.

77

Упаковка эколин сделана из трехслойного материала, одним из которых является карбонат кальция (компонент яичной скорлупы), что делает ее экологически безопасной. Минеральные вещества содержатся только в промежуточном слое, который не соприкасается с продуктами питания. Наружный слой сделан из полипропилена высокой жесткости и обладает стойкой защитой от проникновения запахов из окружающей среды. Слой, прилегающий к продукту, сделан из олефинового кополимера, который характеризуется особо крепкой спаянностью.

Упаковки, изготовленные из материала эколин, являются экологичными — их производство использует на 30–60 % меньше ценных мировых ресурсов, «съедая» вместо нефти и газа натуральные минералы и потребляя на 70 % меньше энергии. Запасы карбоната кальция и доломита огромны, они оцениваются величиной в 3,5х1017 т во всем мире. Воздействие новой упаковки на окружающую среду оценивается показателями, которые на 30–70 % меньше, нежели конкурентных упаковок.

Упаковочная тара из материла эколин имеет способность рассыпаться в течение 4–5 месяцев под воздействием интенсивного солнечного излучения и ветра, — полиолефиновая составляющая материала развеивается, остается мел, который уходит в почву. При сжигании новый материал не выделяет угарного газа.

Однако следует отметить, что производство и потребление биоразлагаемых материалов все равно не решает проблему охраны окружающей среды от использования полимерной упаковки и тары. Причин здесь несколько:

–трудность регулирования скорости распада на свалках под воздействием естественных факторов окружающей среды;

–довольно высокая стоимость добавок;

–технологические трудности производства;

–экологические аспекты, которые связаны с тем, что опасность отрицательного воздействия ряда биоразрушаемых материалов и продуктов их распада на природу и животных не снижается;

–безвозвратная потеря ценных сырьевых и топливно– энергетических ресурсов, которые при правильном и грамотном решении могли бы приносить достаточно высокую прибыль народному хозяйству.

78

В связи с этим уничтожение отходов путем создания и применения быстроразлагаемых упаковок должно иметь ограничение и контролируемое применение.

Таким образом, возможны несколько путей сокращения количества полимерных отходов:

–создание облегченной упаковки – снижения массы применяемой упаковки за счет рациональной конструкции, применения новых материалов и улучшения качества существующих полимеров;

–создание съедобной упаковки – создание и применение для пищевых продуктов съедобной упаковки на основе природных и синтетических полимеров (желатина, крахмала, ПВС, гидроксипропилцеллюлозы и т.п.);

–использование многооборотной упаковки – создание и применение полимерной упаковки, допускающей многократное использование после соответствующей обработки (отмывки, просушки, стерилизации и др.);

–изготовление упаковки различного повторного использования – создание полимерной упаковки, которая после использования и удаления упакованной в нее продукции может повторно применяться по новому назначению (полимерные игрушки, подставки под светильники, опалубка для бетонных опор, дорожные и сигнальные знаки, ограждения и др.);

–повторное использование отходов в производстве упаковки – сбор, сортировка, разделение, очистка, измельчение и переработка отходов в полноценную полимерную упаковку;

–повторное использование отходов в производстве изделий другого назначения – сбор, сортировка, очистка, измельчение и переработка отходов в неответственные полимерные изделия: дренажные и кабельные трубопроводы, плитка для настила полов в промышленных зданиях, катушки для кабелей и др.; применение измельченных отходов в качестве добавок к бетону, асфальту; в смесях с неорганическими наполнителями для производства черепицы, облицовочных панелей сельскохозяйственных сооружений и т.п.;

–уничтожение использованной упаковки с получением полезных продуктов и энергии – сбор и сжигание использованной упаковки с улавливанием соляной кислоты, сажи и других продуктов, а также тепловой энергии;

79

–безвозвратное уничтожение использованной упаковки – самоуничтожение использованной полимерной упаковки под действием микроорганизмов (биодеградация), ультрофиолетового излучения (фотодеградация), воды (гидродеградация).

Помимо биоразлагаемых материалов существуют так называемые оксо-измельчающие добавки. Некоторые считают, что оксо-добавка – это биоразлагаемая добавка. Однако, это не так. Оксо-измельчающая добавка является катализатором, который в небольшом количестве (1–5 %) добавляется в обычный полимер (полипропилен или полиэтилен). Такая добавка позволяет ускорить процесс измельчения целой упаковки (например, пакета) до мелких кусочков. Упаковка разрушается на полимерные кусочки в течение 1–2 лет, но сами кусочки, равно, как и обычный полимер, разлагаются в почве в течение очень длительного времени (более 100 лет).

Другая большая проблема заключается в том, что так называемая «биоразлагаемая добавка» имеет в своем составе соли тяжелых металлов (кобальта, марганца, железа, цинка, меди, церия, никеля), которые после разрушения упаковки остаются в почве и воде.

В отличие от продуктов, сделанных с применением оксодобавок, биоразлагающаяся пленка, пакет или другая упаковка, изготовленные полностью из 100 % биодеградирующего материала (не добавок!) полностью разрушается в компостных условиях в течение короткого времени (до 6 месяцев), в результате чего от биоупаковки из биодеградируемых полимеров не остается и следа. Таким образом, биоразлагаемый материал (биополимер) – это экологичный продукт, который не содержит солей тяжелых металлов.

Кроме того, упаковку из биоразлагаемых полимеров возможно уничтожать с пользой для хозяйства:

–вторично перерабатывать для производства новой биоразлагаемой упаковки;

–перерабатывать в установках промышленного компостинга для получения ценного сельскохозяйственного сырья – перегноя/гумуса;

80

–вместе с пищевыми и прочими органическими отходами использовать для промышленной выработки биогаза;

–утилизировать на мусоросжигательных заводах. Учитывая указанные факты, можно утверждать следую-

щее. Используя биополимеры, т.е. 100% биоразлагаемый (биодеградирующий) материал, можно не только получить экологичную упаковку, но и направить образующийся при разложении гумус на нужды сельского хозяйства.

Пока биоразлагаемые пластики из природного сырья не могут составить конкуренцию традиционным по самой простой причине – ценовой. Точно так же использование дорогих биоразлагающих добавок приводит к удорожанию изделий и из традиционных полимеров.

Однако прогнозы развития рынка биопластиков более чем оптимистичны. Его объем в 2010 г. оценивался в $640 млн, а в 2012 г. произошел рост до $1,3 млрд.

Ожидается, что самые дешевые из сегодняшних биопластиков смогут конкурировать с традиционными по цене к 2020 г. Вместе с тем, осознание той реальной цены, которую человечество должно платить за сохранение среды своего обитания, так или иначе приведет к введению серьезных ограничений на использование неразрушающихся изделий массового спроса и переходу к пусть более дорогим, но более экологичным материалам. Поэтому крупнейшие частные компании и научные центры многих стран занимаются поисками новых, более дешевых технологий получения биопластиков.

В Российской Федерации разработкой биоразлагаемых крахмалсодержащих материалов для упаковки занимается НПО по крахмалопродуктам совместно с Проблемной лабораторией полимеров МГУПБ. Создаются новые композиции и проводятся исследования по разработке широкого ассортимента материалов на основе различных видов крахмалов, крахмалсодержащих продуктов, технических лигнинов и белков.