Ķīmija un sabiedrības ilgtspējīga attīstība

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.).

 

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.

 

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.

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.

 

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.).

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.).