Ķīmija un sabiedrības ilgtspējīga attīstība

Site: Profesionālajā izglītībā iesaistīto vispārizglītojošo mācību priekšmetu pedagogu kompetences paaugstināšana
Course: ĶīmiT026 : Mūsdienīgs un atvērts mācību process ķīmijā profesionālajā izglītībā
Book: Ķīmija un sabiedrības ilgtspējīga attīstība
Printed by: Guest user
Date: Saturday, 25 June 2022, 9:19 PM

Description

Ķīmija un sabiedrības ilgtspējīga attīstība

Titullapa

ESF + ES + IEGULDĪJUMS TAVĀ NĀKOTNĒ logo_LU

logo_Projekts


Sagatavojis: Jāzeps Logins

Ķīmija un sabiedrības ilgtspējīga attīstība

Materiāls izstrādāts
ESF Darbības programmas 2007. - 2013.gadam „Cilvēkresursi un nodarbinātība”
prioritātes 1.2. „Izglītība un prasmes”
pasākuma 1.2.1.„Profesionālās izglītības un vispārējo prasmju attīstība”
aktivitātes 1.2.1.2. „Vispārējo zināšanu un prasmju uzlabošana”
apakšaktivitātes 1.2.1.1.2. „Profesionālajā izglītībā iesaistīto pedagogu
kompetences paaugstināšana”
Latvijas Universitātes realizētā projekta
„Profesionālajā izglītībā iesaistīto vispārizglītojošo mācību priekšmetu pedagogu
kompetences paaugstināšana”
(Vienošanās Nr.2009/0274/1DP/1.2.1.1.2/09/IPIA/VIAA/003,
LU reģistrācijas Nr.ESS2009/88) īstenošanai.

Rīga, 2010

ZAĻĀ ĶĪMIJA

Ievads

Pasaulē mūsdienās ir ļoti daudz problēmu, kassaistītas ar dabas piesārņojumu, ko rada rūpniecības un ķīmijas industrijasražotnes. Tāpēc pēdējos pāris gadu desmitos tiek veltīts daudz pūļu, laisamazinātu industrializācijas kaitīgo ietekmi uz vidi. Šis process aizsākāsbūtībā pateicoties problēmai par ozona slāņa noārdīšanos un tai sekojošajaidažādu valstu reakcijai.

1985. gada 22. martā tika pieņemta Vīneskonvencija par ozona slāņa saglabāšanu un tam kaitīgo savienojumu lietošanasierobežojumiem [1]. Šis process attīstījās tālāk un tika uzsākti vairākiprojekti, kas vērsti uz to, lai ķīmiju padarītu videi draudzīgāku.

Zaļās ķīmijas pamatprincipi pirmo reizi tikanoformulēti Paula Anastasa (Paul Anastas) un Džona Vārnera (John Warner)grāmatā Green Chemistry: Theory and Practice [2].

Mūsdienās zaļā ķīmija ir attīstījusies krietnitālāk, taču joprojām tajā daudz kas vēl nav noformulēts līdz galam, bet tā ļotistrauji attīstās. Daudzi pētījumi, kas tiek veikti zaļās ķīmijas jomā, var rastpielietojumu citās ķīmijas (un ne tikai) jomās.

Pasaulē tiek plašiatbalstīti pētījumi zaļās ķīmijas jomā. Tos atbalsta gan privātās firmas, ganvaldības, gan starptautiskas organizācijas [3]. Sagaidāms, ka nākotnēzaļās ķīmijas jautājumi kļūs vēl aktuālāki un tā kļūs par pastāvīgu jebkurasrūpnieciskās saimniecības pavadoni, pretējā gadījumā mūsu nākotnes vīzija irvisai drūma...

Šajā darbā mēs centāmies iekļaut apskatu pargalvenajiem zaļās ķīmijas pamatprincipiem un attīstības virzieniem.

Kas ir zaļā ķīmija?

Zaļā ķīmija ir gan rītdienas, gan šodienas ķīmija. Tā balstās uz vairākiem principiem (sk.1.pielik.), kas nodrošina, lai gan procesi, gan produkti ir tīri un nekaitīgi videi. Zaļajā ķīmijā cenšas taupīt gan enerģiju, gan izejas materiālus. Praktiski tas nozīmē, ka “zaļie” procesi bieži ir lētāki kā tradicionālās (ierastās) metodes. Daži pašreiz rūpniecībā lietotie procesi jau ir “zaļi”, un zaļās ķīmijas lietošana kļūst plašāka, jo tā ir videi draudzīga. Arī likumdošanas un starptautiskās vienošanās paredz samazināt vides piesārņošanu (Vīnes konvencija u.c.).

Viena no zaļās ķīmijaspamatidejām ir censties novērst kaitīgu un agresīvu, vidi piesārņojošu materiālu rašanos nevis ražot tos un tad satīrīt.

Zaļā ķīmija:
1) ir droša,
2) taupa izejmateriālus un enerģiju,
3) efektīvāk izmanto (investīcijas) ieguldītoslīdzekļus.

Zaļā ķīmija praksē

Centieni padarīt ķīmiskos procesus “zaļākus” iekļauj:

1) ražošanas metožu pārprojektēšanu, lai lietotu dažādus izejmateriālus,
2) dažādu reakcijas apstākļu, katalizatoru un šķīdinātāju lietošana,
3) ražošanas metožu lietošana ar mazāku pakāpju skaitu.

Iznākums un atomu ekonomija

Viena no zaļas ķīmijas pamatdomām ir atomu ekonomija. Tajā apskata, cik daudz no izejvielām iesaistās gala produktā. Ideālā gadījumā visi izejvielu atomi būtu iesaistīti gala produktā, tādā reakcijā vispār nebūtu atkritumu, taču tas reti ir iespējams. Reakcijas atomu ekonomija parāda cik procentu izejvielas tiešām tiek iesaistīti produktos.

Ķīmiskās reakcijas iznākums

Pārsvarā ķīmiskā industrija nodarbojas ar viena materiāla pārvēršanu citā, kas ir vērtīgāks un ir izmantojams tālāk. Tas irveids kā šī industrija pelņa – pārvēršot mazāk vērtīgus materiālus vērtīgākos. Šim procesam bieži vien ir nepieciešami vairāki posmi un to sauc par ķīmisko sintēzi. Saprotams, ka ķīmiķi, kas veic sintēzi grib maksimāli efektīvi izejvielas pārvērst produktos, taču ir loti maz reakciju, kurās produkts rodas kvantitatīvi (100% iznākums). Pirmkārt, reakcija var būt apgriezeniska un veidot līdzsvara maisījumu. Otrkārt, var būt vairāki alternatīvi reakcijas produkti. Turklāt šeit nenovēršami būs zaudējumi vēlamā produkta izdalīšanā unattīrīšanā. Praksē nevienā reakcijā netiek iegūts produkts ar 100% iznākumu. Pat, ja reakcija notiek līdz galam un ir tikai viens iespējamais produkts,vienmēr ir zaudējumi, kas saistīti ar praktisko atdalīšanas procesu.

Atomu ekonomija

Ķīmiskās reakcijas iznākuma ideja ir noderīga, bet,ja vērtē no zaļās ķīmijas viedokļa, tā tomēr nav pilnīga. Tas ir tāpēc, ka iznākumu rēķina pēc tā reaģenta, kas ir mazākumā, un netiek ņemts vērā pārējās izejvielas, kas tiek pievienotas pārākumā. Viens no zaļās ķīmijas principiem nosaka, ka vajag censties izmantot maksimāli visas izejvielas, lai tās būtu iesaistītas gala produktos. Tādā veidā vairs nepaliek tik daudz reakcijas atkritumu, kas bieži vien ir ļoti toksiski un kaitīgi dabai. Bet reakcijas ar augstu procentuālo iznākumu ne vienmēr atbilst šim principam. Atomu ekonomija balstās uz to, lai reakcijās kā atkritumu produkti, kas ir neizbēgami atšķelšanas un aizvietošanas reakcijās, saturētu pēc iespējas mazāk atomu.

Selektivitāte

Vēl atomu ekonomija un reakcijas iznākums ir saistīts ar reakcijas selektivitāti. Vairumam reakciju ir iespējami dažādi reakcijas ceļi un produkti, tāpēc rodas nepieciešamība virzīt reakciju vēlamā produkta rašanās virzienā. Reakcijas, kurā rodas līdzīgi daudzumi visu iespējamo reakcijas produktu, nav selektīvas un šādās reakcijās radušies blakusprodukti, ko var uzskatīt par atkritumiem, satur ievērojamu daļu no izejas materiāla, kas nav izlietots lietderīgi. Lai nodrošinātu labāku izejvielu izmantošanu, nepieciešams padarīt šīs reakcijas selektīvākas. To var izdarīt ļoti daudzos dažādos veidos (mainot reakcijas apstākļus, tipu,izejvielas, enerģijas pievadīšanas veidu u.c.). Tā piemēram izmantojot nātrija borhidrīdu ir iespējams reducēt vienas molekulas C=O saiti neskarot C=C saiti. Šajā gadījumā nātrija borhidrīds ir selektīvs reaģents atšķirībā no Pd vai Ni katalizatoriem, ar kuriem notiktu abu šo saišu reducēšana. Pasaulē aktuāla problēma ir optiski aktīvo savienojumu selektīva sintēze. Bieži medicīnā tiek lietoti optiski aktīvie savienojumi, taču bieži vien bioloģiskā aktivitāte piemīt tikai vienam enantiomēram, bet otrs ir vai nu neaktīvs (labākajā gadījumā) vai arī tam ir pilnīgi citādāka bioloģiskā aktivitāte (nereti tas pat ir toksisks). Gadījumos, kad nevajadzīgā enantiomēra bioloģiskā aktivitāte to atļauj, zālēs tiek lietots racēmiskais maisījums, jo enantiomēru atdalīšana ir dārgs un diezgan sarežģīts process. Arī šādu savienojumu sintēzē netiek pilnībā lietderīgi izmantotas izejvielas. Piemēram, Ibuprofen, kam (S) forma irefektīvs pretsāpju līdzeklis, bet (R) forma ir neaktīva.

Reakcijas vide

Parasti ķīmiskās reakcijas tiek veiktas šķīdumos, kuri paši ir dabai kaitīgi vai ienes tajā sintēzes produktus, izejvielas u.c. Pašlaik tiek attīstīti vairāki virzieni, lai maksimāli samazinātu gaistošu organisko savienojumu lietošanu sintēzēs.

Pastāv četras alternatīvas stratēģijas:

1) ūdens lietošana,
2) superkritisko šķīdumu lietošana,
3) jonu šķidrumu lietošana,
4) reakcijas bez šķīdinātāja.

Ūdens kā šķīdinātājs

Ūdens tiek uzskatīts par labu šķīdinātāju, jo tas pats par sevi nav dabai kaitīgs, jo ir dabisko ķīmisko procesu vide. Pēdējā laikā ir atklāts, ka daudzas klasiskas ķīmiskās sintēzes ir iespējams veikt ūdens vidē, nevis tikai, kā tika uzskatīts iepriekš, organiskajos šķīdinātājos.

Superkritiskie šķīdumi

Par šķīdinātājiem un reakcijas vidi var izmantot arīvielas superkritiskā stāvoklī, t.i., stāvoklī, kad nevar atšķirt šķidro fāzi nogāzvaida (skat. 2.pielik.). Šādā stāvoklī vielām piemīt īpatnējas fizikālās īpašības. Visbiežāk izmanto superkritisko CO2.

Jonu šķidrumi

Par šķīdinātājiem var izmantot jonu savienojumus [4,5,6], kam ir organiskie katjoni. Ir izmantojami savienojumi ar relatīvi zemām kušanas temperatūrām. Pēdējo piecdesmit gadulaikā izmantojamo jonu šķidrumu kušanas temperatūra ir samazinājusies no +800oClīdz -96oC un tie ir daudz mazāk korozīvi.

Jonu šķidrumi tiek uzskatīti par zaļiem šķīdinātājiem, jo tiem ir labas šķīdinātāju īpašības un tie ir praktiski negaistoši, termiski stabili, ir izmantojami vairākkārt un dažās reakcijās nerada papildus atkritumu produktus.

Reakcijas bez šķīdinātāja

Ļoti daudzas reakcijas ir iespējams veikt bezšķīdinātāja klātbūtnes, vienkārši sajaucot izejvielas un katalizatoru un sakausējot reakcijas maisījumu. Šādā veidā vispār tiek novērsta jebkāda šķīdinātāja lietošana un ir iespējams iegūt savienojumus, ko savādāk būtu ļoti grūti iegūt.

Kopsavilkums

· Jāveido procesi, kuros ražošanā nerodas atkritumi, nevis jāsaražo tie un tad jāsatīra.

· Ražošanas process jāorganizē tā, lai pēc iespējas lielāka daļa izejmateriāla iesaistītos gala produktā, tādējādi samazinot atkritumu veidošanos.

· Vajadzētu izmantot izejvielas no atjaunojamajiemavotiem.

· Procesa enerģijas patēriņš jāsamazina līdzminimumam.

· Kur iespējams jālieto katalizatori, nevis reaģenti, kas reakcijas laikā tiek patērēti.

· Ķīmiskie savienojumi jāveido tādi, lai tie pēc izmantošanas sabruktu veidojot nekaitīgus produktus.

· Sintēzes metodes vajadzētu veidot tādas, kas nevar nodarīt kaitējumu ne dabai, ne cilvēku veselībai un kas nevar izraisīt negadījumus, piem., ugunsgrēkus, sprādzienus u.tml.

· Jāraugās, lai ražošanas procesā nerastos agresīvas vielas.

1. pielikums. Zaļās ķīmijas 12 principi

1. Labāk ir radīt bezatlikumu tehnoloģijas, nekā nodarboties ar radušos atkritumu savākšanu un pārstrādi.

2. Sintēzes metodes jāizstrādā tādā veidā, lai vēlamajā produktā iekļautos pēc iespējas visi procesā nepieciešamie materiāli.

3. Kur vien tas ir iespējams, sintēzes metodikas jāizstrādā tādā veidā, lai būtu jāpielieto un jārada vielas, kuras būtu pēc iespējas nekaitīgas veselībai un apkārtējai videi.

4. Jārada tāds ķīmiskais produkts, lai saglabātos tā vērtīgās īpašības, bet samazinātos tā toksicitāte.

5. Jācenšas iztikt bez palīgmateriāliem (piem. šķīdinātājiem, izgulsnēšanai, atdalīšanai izmantojamiem aģentiem u.c.), vai vismaz tiem jābūt nekaitīgiem.

6. Enerģijas patēriņš jāsamēro ar apkārtējai videi un ekonomikai radītiem zaudējumiem un, kur vien iespējams, tas jāsamazina. Jāatrod reakcijas apstākļi, lai reakcijas varētu veikt apkārtējās vides temperatūrā un atmosfēras spiedienā.

7. Jārada tehniski un ekonomiski izdevīgi risinājumi rūpniecisko izejvielu atjaunošanai, nepieļaujot to izzušanu.

8. Ja iespējams, jācenšas izvairīties no derivatizācijas: bloķējošo grupu,aizsarggrupu ievešanas/noņēmšanas, īslaicīgas fizikālo/ķīmisko procesu modifikācijas.

9. Priekšroka selektīviem katalizatoriem salīdzinājumā ar stehiometrisko reaģentu pielietošanu.

10.Jārada tādi, ķīmiski produkti, lai to funkcionēšanas beigās tie vairs nevarētu jūtami iedarboties uz apkārtējo vidi un lai tie sabruktu nekaitīgos produktos.

11. Analītiskās metodoloģijas jāattīsta tā, lai tās atļautu reālā laikā novērot un kontrolēt bīstamo produktu veidošanos.

12. Ķīmisko vielu un procesu izvēlei jābūt tādai, lai minimizētu nelaimes gadījumu (noplūdes, eksplozijas, ugunsgrēki u.c.) iespējas.

Paul T. Anastas*, Mary MKirchhoff. Origins, Current Status, and Future Challenges of GreenChemistry. Acc. Chem.Res., 35 (9), 686-694.

2. pielikums. CO2 stāvokļa diagramma

ĶĪMIJA UN ILGTSPĒJĪGA ATTĪSTĪBA. ANOTĀCIJAS

Ilgtspējīgas attīstības princips ir aktuāls arī ķīmijas apguvē. Atverot pdf dokumentu, būs iespējams izlasīt dažu informācijas resursu anotācijas. Pēc tām Jūs varēsiet atrast šos resursus internetā vai bibliotēkā.

Skatīt šeit.

ATKRITUMI UN TO PĀRSTRĀDE. ANOTĀCIJAS

Par atkritumu problēmām un to pārstrādi informācijas avotu norādes un anotācijas skatīt šeit.

BIODEGRADĒJAMIE POLIMĒRI

Lai gan bez plastmasām mūsu ikdienas dzīvi grūti iedomāties, taču pagājušā gadsimta sākumā plastmasas izstrādājumi vēl neeksistēja un praktiski visi izstrādājumi, tai skaitā, arī mums tik ierastais iepakojums, bija izgatavoti no organiskas izcelsmes materiāliem.

Pagājušā gadsimta vidū cilvēce pārdzīvoja ievērojamu sintētisko materiālu revolūciju, pēc kuras polimēru materiāli ļoti īsā laika sprīdī aizvietoja daudzus līdz tam izmantotos materiālus. Tā iemesls bija divas polimēru materiālu priekšrocības. Pirmkārt, polimēriem piemita augsts izmantojamības praktiskums, un, otrkārt, to ražošana bija relatīvi lēta un efektīva.

Mūsdienu iepakojuma materiālu ražošanā plastmasas, t.i. polimēri, tiek izmantoti praktiski visās jomās: pārtikas produktu, medicīnisko preparātu, elektronikas, bīstamo šķīdumu iepakošanai. Šāda plaša plastmasu izmantošana ir skaidrojama ar to īpašībām – pielietošanas universālumu (ļauj radīt krāsu un formu plašu daudzveidību, kas ir svarīgi produktu dizaina veidošanā); iespēju iegūt polimēru materiālus ar plašu vajadzīgo fizikālo īpašību kopumu; relatīvi zemajām izejvielu izmaksām; vieglumu; mazu enerģijas patēriņu ražošanas procesā (salīdzinot ar stikla, metāla vai papīra ražošanu) [1].

Plastmasas iepakojuma kopapjoms pasaules tirgu pašlaik sasniedz aptuveni 40 % no visa lietotā iepakojuma apjoma, un tam ir tendence palielināties par 3-5 % gadā (1. att.).

1att

Plastmasu patēriņa pieaugumu veicina jaunie iepakojuma veidi. Visvairāk plastmasas iepakojumu patērē pārtikas un dzērienu industrija – kopā apmēram 70 % (2. att.).

2att

Tikai izlietoto polietilēna maisiņu daudzums vien katru gadu sasniedz desmit miljardus. Taču, neskatoties uz visām polimēriem piemītošajām pievilcīgām īpašībām, tiem ir arī vairāki trūkumu. Divi būtiskākie konvencionālo plastmasu trūkumi.

1. Plastmasas ražošanas procesā tiek izmantotas fosilās izejvielas, bet to daudzums uz mūsu planētas ir ierobežots – to krājumu cilvēcei pietiks mazāk kā 100 gadiem.

2. Plastmasas ilgmūžība, ko tā tiecās sasniegt tās izgudrotāji un kas tika uzskatīta par vienu no tās labākajām īpašībām, ilgtermiņa perspektīvā kļuva par vienu no tās būtiskākajiem trūkumiem. Tradicionālie plastmasas izstrādājumi, kas pārsvarā tiek ražoti no parastajiem polimēriem, dabas vidē praktiski nesadalās. Konkrētāk, tie fotooksidēšanas procesā – gaismas un skābekļa iedarbībā – tomēr sadalās, bet šim procesam ir nepieciešami daži gadsimti. Pašlaik pastāv dažu polimēru atkārtotas pārstrādes veidi, taču ne visus no polimēriem var pilnīgi pārstrādāt, pie kam ne visur atkritumu utilizācijas sistēmas sniedz iespēju pielietot šādas tehnoloģijas. Katru gadu plastmasas pielietošanas apjoms pieaug, un līdz ar to pieaug arī nedegradējošo atkritumu kaudzes, kas piesārņo apkārtējo vidi.

Problēmas, kas ir saistītas ar plastmasas izmantošanu, 20. gadsimta beigās veicināja sabiedrību un zinātniekus aizdomāties par materiāla radīšanu, kas atbilstu gan ekonomiskajām, gan ekoloģiskajām prasībām. Un tādi ir biodegradējamie polimēri.

Biodegradējamie polimēri ir polimēri, kas dabīgi sadalās aerobos vai anaerobos apstākļos mikroorganismu iedarbībā [3]. Biodegradējamie polimēri ir nākotnes iepakojuma materiāli. Šo polimēru priekšrocība – tie atbilst gan ekoloģiskajām, tā arī ekonomiskajām prasībām.

Biodegradējamie polimēri ir alternatīvs risinājums tradicionālajiem uz naftas produktu bāzes ražotajiem polimeru materiāliem. To attīstība un ieviešana ražošanā sākās, pateicoties daudzu zinātnieku un pētniecisko institūciju darbam.

Biodegradējamie polimēri noārdās, iekļaujoties dabiskajā dabas vielu aprites cikla. Tas nozīme, ka šo materiālu atkritumi augsnē esošo mikroorganismu, mitruma un noteiktas temperatūras ietekmē tiek pārvērsti vielās, no kurām sākotnēji tie ir iegūti – par CO2, ūdeni un biomasu (skat. 3. att.) [2].

3att

1.1. Biodegradējamo polimēru iedalījums

Pastāv vairāki biodegradējamo polimēru iedalījuma veidi. Piemēram, biodegradējamos polimērus iedala pēc to degradācijas tipa – hidrolīzes ceļā degradējami polimēri un enzimātiski degradējami polimēri [4]. Otru biodegradējamo polimēru iedalījumu veidu piedāvā organizācija "European Bioplastics", t.i., tos iedala pēc polimēru izcelsmes un producēšanas veida (skat. 4. att.). Biodegradējamo polimēru iedalījumā atsevišķi tiek izdalīti un aplūkoti arī tradicionālie polimēri ar biodegradējamām piedevām.

4att

Iedalījums pēc polimēru ražošanas veida

Biodegradējamos polimērus ražo divējādi:

· no dabā regulāri atjaunojamām izejvielām;

· no fosilām izejvielām – naftas produktiem, dabas gāzes, akmeņoglēm, respektīvi, no neatjaunojamiem dabas resursiem.

Biodegradējamie polimēri, kas izgatavoti no regulāri atjaunojamām izejvielām, ir biopolimēri.

Biopolimēriem piemīt šādas priekšrocības:

· Tie ir izgatavoti no augu vai dzīvnieku izcelsmes produktiem – atjaunojamiem dabas resursiem.

· Lielākā daļa biopolimēru ir biodegradējami (bioloģiski sadalāmi) un kompostējami.

Biodegradējamie polimēri, kas ir izgatavoti uz naftas produktu bāzes, ir sintētiskie biodegradējamie polimēri.

Sintētiskie biodegradējamie polimēri arī ir biodegradējami un kompostējami, tomēr tiem ir trūkums – šie polimēru izgatavošanā izmanto neatjaunojamos dabas resursus.

Iedalījums pēc polimēru izcelsmes un producēšanas veida

Atkarībā no biodegradējamo polimēru izcelsmes un producēšanas veida biodegradējamos polimērus var iedalīt četras galvenajās grupas:

· 1. grupa – uz cietes bāzes izgatavotie biopolimēri (skat. 5. att. a). Tos iegūst no dabā regulāri atjaunojamiem resursiem – kukurūzas, kartupeļiem, kviešiem, rīsiem u.c.

· 2. grupa – polilaktīdi (turpmāk tekstā – PLA) – biopoliesteri, kuri polimerizēti no pienskābes monomēriem un viegli producējami no ogļhidrātu izejvielām – kukurūzas, kviešiem, melases, piena sūkalām, zaļo augu sulas u.c. (skat. 5. att. b).

· 3. grupa – polihidroksialkanāti (turpmāk tekstā – PHA) – ir polimēri, kurus producē mikroorganismi – speciālas baktērijas, kā barības vielas izmantojot augu izcelsmes ogļhidrātus, piemēram glikozi, saharozi. Nozīmīgākie šis grupas pārstāvji ir PHB (poli-B-hidroksibutirāts) un PHV (polihidroksivalerāts) (skat. 5. att. c).

· 4. grupa – sintētiskie biodegradējamie polimēri – alifātiskie un aromātiskie kopolimēri, kurus izgatavo no fosilām izejvielām (skat. 5. att. d).

5att

Ražošanā visplašāk pašlaik ir ieviesti galvenokārt otrās grupas biopolimēri – PLA plēves, termoformēti trauki, pudeles u.c.

Polimēri ar biodegradējamām piedevām

Atsevišķu polimēru grupu veido polimēri ar degradējamām polimēru piedevām. Piemēram, pašlaik populāri ir okso-biodegradējamie (oksi-sadalāmie) konvencionālie (izgatavoti no neatjaunojamiem dabas resursiem – uz naftas produktu bāzes) polimēri ar degradējamā polimēra TDPA® piedevu. Plaši tiek modificēti poliolefīni, piemēram, polietilēns, pievienojot piedevas, kas veicina C-C saites šķelšanos, līdz ar to arī palielina polimēra degradācijas ātrumu [6].

Pēc firmas EPI Kanādā informācijas pēdējos gados ir izstrādāts un vairākās valstīs ieviests jauns savienojums – pilnīgi degradējama polimēru piedeva TDPA®, kura atbilst tikai ASV standartam ASTM D6954-04. Piedevu pievieno konvencionālajiem polimēriem PE, PP, PS, iegūstot biodegradējamos polimērus. Tiem ir tās pašas kvalitatīvās īpašības, mehāniskā izturība un barjerīpašības kā konvencionālajiem polimēriem bez piedevām, taču to destrukcijas process ir ievērojami ātrāks (skat. 5. att.).

6att

Okso-biodegradējamie polimēri ir standartizēti tikai pēc ASV standarta (ASTM D6954-04), bet tie neatbilst Eiropas Savienības (turpmāk tekstā ES) standartam EN 13432.

Okso-biodegradējamās piedevas rada šaubas par produkta drošību, jo:

· Piedevas var saturēt dažas toksiskas vielas, kas var būt kaitīgas videi.

· Piedevas var destabilizēt no jauktām atkritumu izejvielām iegūtos plastmasas pārstrādes produktus, to kvalitāti.

Dažas ES valstīs pašlaik notiek piemērojamu standartu izstrāde okso-biodegradējamiem produktiem.


1.1. Biodegradējamo polimēru destrukcija

Biodegradējamos polimērus uzskata par vienu no iespējamajiem risinājumiem mūsu planētas atkritumu uzkrāšanās problēmai. Tomēr to degradācija noris ātrāk salīdzinājumā ar konvencionālajiem polimēriem tikai optimālos apstākļos, ko nosaka vairāku faktoru kopums.

Šajā apakšnodaļā ir apkopota informācija par biodegradējamo polimēru destrukciju noteicošajiem faktoriem, detalizētāk apskatot biodegradējamo polimēru kvalitāti raksturojošas īpašības – biodegradējamību un kompostējamību –, nepieciešamo faktoru kopumu pilnīgai biodegradējamo polimēru destrukcijai un polimēru kvalitātes prasības, kā arī iespējamās to pārstrādes metodes.

Biodegradējamība un kompostējamība

Biodegradējamība bioloģiskas sadalīšanas īpašība procesā, kurā materiāla degradēšanās jeb sairšana notiek dabā sastopamu mikroorganismu (baktēriju, raugu, pelējumu, aļģu) ietekmē un rezultātā tas pārvēršas par CO2 (gaisa klātbūtnē) vai metānu (bezgaisa vidē), ūdeni un biomasu (skat. 7. att.).

7att

 

Kompostējamība – bioloģiskas sadalīšanās īpašība tāda pašā ātrumā, kas atbilstošs citiem kompostējamiem mājsaimniecības atkritumiem procesā, kura laika dabisko bioloģisko apstākļu ietekmē materiāls pakļauts satrūdēšanai, izdalot CO2, ūdeni, neorganiskos sāļus, biomasu un neradot toksisku atlikumu.

Materiāls kompostējams atbilstošos apstākļos, kurus nodrošina industriālās un mājsaimniecībās sastopamas kompostēšanas ierīces, kurās var kontrolēt procesa temperatūru un mitrumu.

Materiāla kompostējamību raksturo šādas īpašības (8. att.):

· Materiālā nav ķīmisko savienojumu, smago metālu un organisko piesārņotājvielu.

· Pilnīga biodegrabilitāte, kas noteikta laboratorijas izmēģinājumos.

· Bioloģiska sadalīšanās sastāvdaļās fiksēta noteiktā laika periodā.

· Iegūtais komposts ir ekoloģiski drošs, nav toksisks.

Tikai tad, ja visas iepriekšminētās īpašības piemīt materiālam, to klasificē, kā kompostējamu.

8att

 

Biodegradējamie polimēri, kompostējot tos optimālos apstākļos, sadalās ievērojami ātrāk kā konvencionālie polimēri. Piemēram, salīdzinot polietilēna un uz cietes bāzes izgatavota biopolimēra destrukcijas procesu laikā (8. att.), var secināt, ka uz cietes bāzes balstītais polimēra materiāls sadalās ievērojami ātrāk.

9att


Biodestrukcijas ātrumu noteicošie faktori

Biopolimēru materiālu sadalīšanas ātrums ir atkarīgs no daudziem faktoriem – polimēra veida, mitruma, temperatūras, gaismas iedarbības, mikrobioloģiskās populācijas u.c. Vislielākā destrukcijas spēja ir tiem dabiskajiem un sintētiskiem polimēriem, kuri satur ķīmiskās saites, kas relatīvi vieglāk hidrolizējas. Biodestrukcijas ātrums ir būtiski atkarīgs no polimēra virknes ķīmiskās uzbūves – no polimēru makromolekulu izmēriem un aizvietotāju esamības polimēru makromolekulās.

Faktors, kas ietekmē polimēru noturību pret biosadalīšanos – to makromolekulu lielums. Ja monomērus vai oligomērus var viegli pārstrādāt dažādi mikroorganismi, tad biopolimēri ar lielu molekulmasu ir noturīgāki pret to iedarbību.

Lielāko daļu tehnisko polimēru degradējas nebioloģisko procesu rezultātā, piemēram, termiskās oksidēšanās un fotooksidēšanās, termolīzes, mehāniskā degradācijas ceļā. Sintētisko polimēru biodegradāciju būtiski ietekmē to virsmolekulārā struktūra. Ir zināms, ka puskristālisko un kristālisko polimēru struktūras fragmentu kompaktais izvietojums ierobežo to uzbriešanas ātrumu ūdenī un traucē fermentu iekļūšanai polimēru matricā. Tas apgrūtina mikroorganismu fermentu iedarbību ne tikai uz galveno polimēra oglekļa virkni, bet arī uz biodegradējamiem virknes posmiem. Bez tam, polimēra amorfā daļa vienmēr ir mazāk noturīga pret biodestrukciju kā tā kristāliskā daļa.

Biodestrukcijas ātrumu ietekmē aizvietotāju esamība makromolekulas virknē. Ātrumu ietekmē virknes aizvietošanas pakāpe un tās posmu garums starp funkcionālām grupām, makromolekulu lokanība.

Biodegradējamība kā risinājums pasaules atkritumu problēmai

Biodegradējamo polimēru iepakojumu lietošanu bieži piedāvā, kā risinājumu piemēslotas apkārtnes un netīrumu problēmas samazināšanai. Tomēr biodegradējamības īpašību vien nevar uzskatīt par atkritumu jautājuma problēmas vispārēju risinājumu, jo patiesībā materiāla bioloģiskā sadalīšanās bez nepieciešamajiem nosacījumiem (mikroorganismu klātbūtnes, vajadzīgās temperatūras un mitruma) tāpat ir ļoti lēns process, kas var ieilgt daudzu gadu garumā.

Biodegradējamo polimēru destrukcijai jābūt kontrolējamai un jāievēro, lai sadalīšanās procesā radušies produkti nebūtu toksiski.

Biodegradējamie polimēri dabā sadalās dažādos laika periodos atkarība no to producēšanas un izcelsmes veida, ka arī no izlietotā iepakojuma apsaimniekošanas veida:

· Izvietojot izgāztuvēs – gadiem ilgi.

· Pareizi kompostējot – no 1 līdz 3 mēnešiem.

Izgāztuvēs atšķirībā no komposta kaudzēm ir gandrīz bez skābekļa (anaerobi) apstākļi, kuros darbojas anaerobas mikroorganismu asociācijas, kas izraisa metāna rūgšanu. Sadalīšanās process šādos apstākļos parasti saistīts ar metāna, ūdens, oglekļa dioksīda, un biomasas veidošanos (skat. 10. att.). Būtiski ir atzīmēt, ka metāna gāze ir viena no gāzēm, kas veicina globālo sasilšanu.

 

10att

Viens no svarīgākajiem aspektiem, kas veicina biodegradējamo polimēru ieviešanu, ir tieši to kompostējamības īpašību nodrošināšana.

Biodegradējamo polimēru kvalitātes prasības

Biodegradējamo polimēru kvalitāti raksturo to biodegradējamība un kompostējamība. Lai garantētu produkta drošību un palīdzētu to atšķirt no konvencionālajām plastmasām, biodegradējamie polimēri Eiropā ir jāsertificē atbilstoši ES standartam EN 13432.

ES standarts EN 13432 Eiropā ieviests 2000.gadā, un kā saskaņots standarts tas lietojams visās ES dalībvalstīs.

Kompostējamo polimēru produktiem ir šādas prasības:

· Atbilstība visiem EN 13432 standarta kritērijiem.

· Produkta sertifikācija atbilstoši EN 13432 standartam.

· Marķēšana ar aizsargātu kompostējamības zīmi.

Produktus, kas atbilst ES standarta 13432 kritērijiem marķē. Produktu marķēšanai ir šādas priekšrocības:

· Patērētājs spēj identificēt produktu tirgū.

· Zīme dod iespēju veicināt pareizu atkritumu šķirošanu un pārstrādi.

· Garantē produkta kvalitāti atbilstoši ES standarta EN 13432 kritērijiem.

Lai palīdzētu izvērtēt produkta atrašanās vietu atkritumu plūsmā, daudzās Eiropas valstīs ir ieviesti nacionālie marķēšanas logo (skat. 11. att.).

11att

Biodegradējamo polimēru pārstrāde

Biodegradējamo polimēru iespējamie pārstrādes veidi ir šādi:

· Industriālā kompostēšana (industrial composting) – viena no galvenajam bioloģisko atkritumu pārstrādes metodēm, ko veic centralizēti speciālās kompostēšanas ierīcēs, apstrādājot lielu daudzumu atkritumu, kas savākti dažādās vietās, aerobos (skābekļa klātbūtnē) apstākļos, nodrošinot paaugstinātu apstrādes temperatūru 60 – 65 ºC. Temperatūra liela apjoma kompostēšanas ierīcēs aerobos apstākļos paaugstinās galvenokārt dabīgi, biodegradēšanās procesā izdaloties siltumam.

· Kompostēšana mājas apstākļos (home composting) nozīmē, ka kompostēšana notiek individuālās mājās iekārtotās komposta kaudzēs vai speciālās kompostēšanas atkritumu tvertnēs (kompostieros).

· Biogazifikācija – bioloģiska atkritumu pārstrādes sistēma anaerobos (bezgaisa) apstākļos. Procesā rodas deggāze (metāns) un tikai nedaudz siltuma enerģijas.

· Sadedzināšanas metodi izmanto industriāli kompostējamo biodegradējamo polimēru pārstrādei, lai iegūtu siltuma enerģiju. Šo bioloģisko atkritumu pārstrādes veidu, kā ekoloģiskāko metodi atbalsta aizvien vairāk biomateriālu ražotāji.

Biodegradējamo polimēru izvietošana izgāztuvēs nav atļauta, jo tur nav ne skābekļa klātbūtnes, ne mikroorganismu, tādēļ sadalīšanās process var ieilgt uz nenosakāmu laika periodu, līdzīgi kā ar konvencionālajām plastmasām.

Lai palīdzētu izvērtēt biodegradējamo plastmasas izstrādājumu iespējamo pārstrādes veidu, uz šiem produktiem ir attēloti atbilstošie logo, kas raksturo to kompostēšanas iespējamību vai nu rūpnieciskos, vai mājas apstākļos (skat. 12. att.).

12att

Kas sekmē biodegradējamo polimēru ieviešanu?

Galvenie faktori, kas virza pieprasījumu pēc biodegradējamiem polimēriem Rietumeiropā un citur pasaulē ir:

· Patērētāju pieaugošā interese par vides aizsardzību.

· Izlietotā iepakojuma pārstrādes un atkritumu samazināšanas veicināšana.

· Kompostēšanas infrastruktūras izveidošana aizvien vairākās valstīs.

· Cenu starpības izlīdzināšanās pēdējos gados starp biopolimēriem un konvencionālajiem polimēriem.

Viena no biopolimēru ražošanas priekšrocībām ir siltumnīcas efektu radošo gāzu (CO2) izplūdes samazināšana ražošanas procesā. Izgatavojot vienu tonnu biopolimēra materiāla uz cietes bāzes, CO2 izplūdi var samazināt aptuveni par 0,8 dz 3,2 tonnām, salīdzinot ar tradicionālo no naftas iegūto polimēru materiālu ražošanas procesu.

Pēdējos gados interese tirgū par biodegradējamiem materiāliem ir ievērojami palielinājusies iepakojuma, lauksaimniecības un medicīnas vajadzībām [9] Tomēr, attīstot biopolimēru ražošanas tehnoloģijas, kompleksi jāizvērtē gan dabā regulāri atjaunojamo, gan fosilo izejvielu resursu krājumi.

Biodegradējamo polimēru ražošanas kapacitāte ļoti strauji saka palielināties kopš 1990. gada. Eiropas valstīs saskaņā ar Eiropas biopolimēru asociācijas pārskatu pieprasījums pēc biopolimēriem savu pirmo uzplaukumu piedzīvoja 2006. gadā. Pašlaik biodegradējamo polimēru tirgus daļa Eiropā ir aptuveni 1 % no tradicionāli lietoto polimēru materiālu kopapjoma. Turpmākajos gados paredzama šī sektora nepārtraukta attīstība.

2001. gadā ES valstīs biodegradējamo materiālu kopapjoms bija 20 000 tonnas gadā, 2003. gadā – 40 000 tonnas. Eiropas biodegradējamo polimēru asociācija paredz, ka biodegradējamā iepakojuma tirgus apjoms 2011. gadā varētu palielināties sešas reizes un sasniegt 1 502 000 tonnas gadā (13. att.).

13att

Pašlaik biodegradējamo polimēru tirgus sekmīgi aptver vairākas valstis Eiropā. Biodegradējamie materiāli jau tuvākajos gados pakāpeniski tiks ieviesti visās valstīs Eiropā.

Attiecība uz komerciāli ražotajiem biopolimēriem līdz 2007. gadam pasaulē iezīmējās divas galvenās tendences izejvielu ieguvē:

· Uz cietes bāzes veidoti materiāli modificēta vai nemodificēta ciete kompleksā ar citiem polimēriem.

· Sākotnēji ciete tiek fermentēta par pienskābi, tad polimerizēta par PLA.

PHA grupas un no celulozes iegūtie biopolimēri aizņem tikai nelielu, bet stabilu tirgus daļu. PHA ražošanas apjoms 2002./2003. gadā bija aptuveni 2% no visa saražoto biodegradējamo materiālu daudzuma pasaulē. Situācija pašlaik sāk krasi mainīties, jo 2008. gadā tiek uzsākta vairāku lielas jaudas PHA ražotņu celtniecība. Līdz ar to paredzams, ka minētās klases biopolimēra cena strauji samazināsies.

No visā pasaulē saražotā apjoma 2005. gadā Rietumeiropā biodegradējamo polimēru tirgus apjoms bija vislielākais – 59 % (biodegradējamo polimēru patēriņu Rietumeiropā skat. 1. tabulā). Biodegradējamo polimeru ražošanu šajā reģionā, salīdzinot ar ASV un Japānu, virza regulas – ES Direktīva par iepakojuma atkritumiem un izgāztuvēm. Tas prasa arvien lielāku atkritumu daudzumu novirzīt pārstrādei un kompostēšanai.

1tab

Kā redzams, 2005. g. Rietumeiropā patērēja 55 700 tonnas biodegradējamo polimēru gadā. Bet nākotnē biodegradējamo polimēru patēriņa apjoms tiek prognozēts 129 000 tonnu apmērā, paredzot 18,4 % apjoma pieaugumu gadā.


Biodegradējamo materiālu izmantošanas jomas

No biodegradējamo polimēru patēriņa kopapjoma līdzīgi kā pasaulē, arī Rietumeiropā iepakojuma vajadzībām patērē 37 % (skat. 14. att.). Visvairāk lieto cietā iepakojuma formas. Tās vispirms sāka ieviest Anglijā 2001 – 2002. g., pēc tam Itālijā, Šveicē, Beļģijā, Nīderlandē. Dažādas nozīmes maisiņi Rietumeiropā ieņem 21 % no biodegradējamo polimēru patēriņa kopapjoma.

14att


Biodegradējamo polimēru pielietojums sadzīvē

Biodegradējamo polimēru pielietojums sadzīvē ir ļoti plašs un daudzveidīgs. To pielietojamība ir līdzvērtīga konvencionālajai plastmasai. No biodegradējamiem polimēriem ražo plēvi, maisiņus, pudeles dzērienu pildīšanai, trauciņus pārtikas produktu glabāšanai, vienreizlietojamos traukus un daudzus citus izstrādājumus.

Uz cietes bāzes tiek izgatavots granulu veida pildījums (loosefill) (skat. 15. att.). Tas saskarē ar ūdeni ātri izšķīst. Šis bija viens no pirmajiem uz cietes bāzes izgatavoto biodegradējamo polimēru lietošanas veidiem, kuru sekmīgi saka lietot dažādu patēriņa preču transportiepakojuma nostiprināšanai, kā alternatīvu putuplastam, ko parasti izgatavo no konvencionālajiem polimēriem – PS un PP.

15att

Iepirkuma maisiņi ir viens no nozīmīgākajiem biodegradējamo plastmasu lietošanas virzieniem. Piemēram, Novamont Mater-Bi – no cietes ražoti plēves iepirkumu maisiņi ir kā caurspīdīgi, tā arī biodegradējami (skat. 16. att.).

16att

No biodegradējamiem polimēriem var tikt izgatavots kompostējams maizes iepakojums (skat. 17. att.). Maizes iepakojuma lodziņš ir izgatavots no caurspīdīgas celulozes plēves NatureFlex® (IBAW) vai PLA. PLA uzglabāšanas laika nodrošina maizei nemainīgi kraukšķīgu garoziņu. PLA plēves var lietot produktu īslaicīgai uzglabāšanai līdz 6 dienām.

17att

NatureWorks PLA biodegradējamas pudeles (skat. 18. att.) ir ieviestas lielveikalos Vācijā. Vāciņi ir biodegradējami, izgatavoti no Mater-Bi cietes polimēra IhrPlatz. BIOTA – pirmā dzērienu pildīšanas kompānija, kas 2003. gadā ūdens pildīšanai ieviesa NatureWorks PLA pudeles. Tās ir sertificētas „Biodegradable Products Institute BPI”. Pudeles rūpnieciskos apstākļos sadalās 75 – 80 dienās.
18att

No biodegradējamiem polimēriem vēl tiek izgatavoti svaigas produkcijas iepakojuma trauki, termoformētas paplātes, vienreiz lietojamie galda piederumi, glāzes (skat. 19. att.).

19att

No biodegradējamiem polimēriem izgatavotās melnas plēves, kas galvenokārt ir 12-15 μm biezas, lieto nezāļu apkarošanai dārzeņu un zemeņu stādījumos (skat. 20. att.). Šādu plēvju sadalīšanās laiks augsnē ir 1 – 6 mēneši.

20att

Sintētiskiem biodegradējamiem polimēriem piemīt laba izmantojamība biomedicīnā audu pārstādīšanas un kontrolēta zāļu transporta jomā, kur tiek izmantotas polimēru degradācijas procesa īpašības, kas novērš nepieciešamību pēc atkārtotas ķirurģiskas iejaukšanās [10].


1.6. Biodegradējamie polimēri Latvijā

Pašlaik Latvijā tiek veikti pirmie soļi biodegradējamo produktu ražošanas jomā, konkrētāk, tiek veikta biodegradējamo produktu ražošana no biopolimēru pusfabrikātiem - granulām. To veic uzņēmumi, kā, piemēram, Flexoplastics un Multipacks un Baltic BioPlastics.

Biodegradējami iepakojuma materiāli tiek izmantoti arī vairākos pārtikas ražošanas uzņēmumos un pakalpojumu sniegšanas uzņēmumos Latvijā, piemēram, veikalu tīklā Sky, Maxima, Rimi, Elvi (skat. 21. att.).

21att

Ja aplūko iespējamās biodegradējamo polimēru ražošanas iespējas Latvijā un iespējamās izejvielas, tad perspektīvākā no izejvielām ir cukurbietes. No cukurbietēm iegūta PLA cena ir vismazākā salīdzinājumā ar citām izmantojamām izejvielām (skat. 2. tabulu), līdz ar to šāds ražošanas process, iespējams, būtu ekonomiski visizdevīgākais.

1. tabula

Izejvielu patēriņš un izmaksas 1 kg PLA ražošanai Latvijas apstākļos [8]

 

Izejvielas veids

Cietes/cukura saturs, %

Izejvielu patēriņš, kg/kg PLA

Ls/kg izejvielas

Ls/kg PLA

Kartupeļi

18,1

8,51

0,170

1,45

Kvieši

61,0

2,52

0,092

0,23

Mieži

58,0

2,66

0,096

0,26

Cukurbietes

17,0

9,00

0,022

0,19

Sausās piena sūkalas, mitrums 4%

69,8

2,21

0,270

0,60

Literatūra

1. D. Pahare. Biodegradējamie materiāli: kursa darbs. Latvijas Lauksaimniecības

universitāte, Pārtikas tehnoloģijas fakultāte, 2007.

2. Biedrība "Latvijas Zaļā Josta". Informatīvais materiāls "no dabas sev...", 2008 – [atsauce: 07.04.2010]. Pieejams internetā: http://www.lzj.lv/tools/download.php?file=images/files//biopol_infobiletens2.pdf

3. Wikipedia, online encyclopedia. Biodegradable plastic. [atsauce 06.04.2010]. Pieejams internetā: http://en.wikipedia.org/wiki/Biodegradable_plastic.

4. L. S. Naira, C. T. Laurencin. Biodegradable polymers as biomaterials, 2007 – [atsauce 14.04.2010]. Pieejams internetā: http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TX2-4NY3YP8-1&_user=590287&_coverDate=09%2F30%2F2007&_alid=1296369675&_rdoc=2&_fmt=high&_orig=search&_cdi=5578&_sort=r&_st=4&_docanchor=&_ct=26149&_acct=C000030180&_version=1&_urlVersion=0&_userid=590287&md5=7c152ae6324fb463b95bff5c083dc595.

5. R. A. Gross, B. Kalra. Biodegradable Polymers for the Environment, 2002 –[atsauce 09.04.2010]. Pieejams internetā: 162.105.153.170/page/liy/puhua/files/Biodegradable%20Polymers.pdf.

6. R. Scharathow. Biodegradable & Bio-based Plastics Marcet and Introduction & Policies, 2008 [atsauce 07.04.2010]. Pieejams internetā:

http://www.zalajosta.lv/tools/download.php?file=////images/files//Roland_Scharathow.ppt.ppt.

7. Azomaterials, The A to Z of materials. [atsauce 09.04.2010.] Pieejams intenetā: http://www.azom.com/details.asp?articleID=1337.

8. L. Dukaļska. Kas ir biodegradējamie iepakojuma materiāli?, 2008 – [atsauce 07.04.2010]. Pieejams internetā:

http://www.zalajosta.lv/tools/download.php?file=//images/files//Lija_Dukalska.ppt.

9. M. Kolybaba, L.G. Tabil, S. Panigrahi, W.J. Crerar, T. Powell, B. Wang. Biodegradable Polymers: Past, Present, and Future, 2003 – [atsauce 10.04.2010]. Pieejams internetā: http://averousl.free.fr/fichiers/Biodegradable%20Polymers%20Past,%20Present,%20and%20Future%20%28Eng%29.pdf.

10. Wikipedia, online encyclopedia. Synthetic_biodegradable polymer. [atsauce 09.04.2010.]. Pieejams internetā: http://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic_biodegradable_polymer.