Degradarea polietilenei și a materialelor polimerice derivate din biocomponente O prezentare generală SpringerLink
Abstract
Abstract grafic
Introducere
După origine, polimerii sunt împărțiți în: polimeri naturali (biopolimeri), polimeri sintetici (obținuți prin sinteză chimică) și polimeri modificați (polimeri naturali sau sintetici a căror structură a fost modificată chimic sau fizic) [1, 4, 5]. Polimerii naturali sunt un element indispensabil al lumii animate (de exemplu, carbohidrați, proteine, grăsimi, acizi nucleici, celuloză, amidon, uleiuri) și sunt supuși proceselor naturale de descompunere în mediu (fotodegradare, degradare chimică, degradare mecanică, biodegradare). Aceste procese au loc simultan și se completează reciproc [1]. La rândul lor, polimerii sintetici sunt produși în principal din materii prime petrochimice (țiței, gaze naturale) și constituie de obicei un corp străin în mediu, a cărui descompunere poate dura de la zeci la chiar sute de ani. Se estimează că polimerii sintetici reprezintă aproape 98% din materialele polimerice produse în prezent, dintre care peste 80% sunt produse de industria petrochimică [2, 10].
Revizuire de literatura
În ultimele decenii, a existat o intensificare progresivă a producției și utilizării materialelor polimerice [10, 11]. Datele din literatură arată că, din 1950, producția globală de materiale polimerice a crescut de la 1,3 la 335 milioane de tone în 2017, iar creșterea prognozată a producției acestora în anii următori va fi de cca. 1,5-2,5% pe an [12]. Creșterea dinamică a producției de materiale polimerice este strâns legată de utilizarea lor pe scară largă și multidirecțională în multe ramuri ale economiei [13, 14]. În plus, prelucrarea simplă prin care se obțin materiale polimerice, precum și prețurile scăzute ale produselor care îmbunătățesc semnificativ calitatea și confortul vieții au făcut ca aceste materiale să devină produse populare de uz zilnic. Datorită diversității lor, materialele polimerice au o gamă largă de proprietăți fizico-chimice care le fac să înlocuiască din ce în ce mai mult lemnul, sticla și ambalajele din lemn utilizate până acum.
Compoziția morfologică a deșeurilor municipale din Polonia [17]
Deșeurile de materiale polimerice sunt considerate una dintre cele mai oneroase deșeuri [11, 18], constituind o amenințare enormă pentru mediul natural [4, 14, 16]. Din acest motiv, reciclarea materialelor polimerice este în prezent una dintre cele mai importante probleme de gestionare a deșeurilor [5, 10, 15]. După cum sa menționat mai sus, gestionarea și eliminarea materialelor polimerice post-consum în statele membre ale Uniunii Europene este implementată în prezent prin trei metode: reciclare, recuperare a energiei și stocare. În același timp, în conformitate cu tendințele aplicabile legate de metodele de gestionare a deșeurilor de materiale polimerice, se recomandă supunerea acestora la reciclarea chimică (de exemplu, producția de păcură), reciclarea materiilor prime (prelucrarea în materii prime din care au fost fabricate aceste materiale) sau reciclarea materialelor (fragmentare - se aplică numai materialelor curate și omogene) [19]. Aceste metode reprezintă o abordare oarecum diferită de ierarhia deșeurilor recomandată de autoritățile Uniunii Europene (în ordine de la cel mai puțin dorit): prevenire, reutilizare, reciclare, eliminare [20].
Problemele legate de protecția mediului, metodele relativ scumpe de reciclare a materialelor polimerice sintetice, precum și aspectele de dezvoltare durabilă au schimbat imaginea funcționalității multidirecționale a materialelor polimerice în ultimii ani. Prin urmare, în prezent, în întreaga lume se desfășoară studii științifice intensive în numeroase facilități de cercetare și dezvoltare, cu scopul de a găsi tehnologii pentru producerea de materiale polimerice ecologice, menținându-și în același timp funcțiile actuale [5, 11, 14, 21, 22].
În zilele noastre, polietilena (PE) este unul dintre cele mai populare și mai utilizate polimeri din lume [8, 10]. Datorită proprietăților sale funcționale specifice, acest polimer a devenit utilizat în mod obișnuit la producerea diferitelor materiale de ambalare. Din păcate, după un timp relativ scurt de utilizare, devine extrem de rezistent la biodegradare, constituind o povară asupra mediului. Rezistența polietilenei la degradare rezultă din greutatea moleculară ridicată a acestui polimer și conținutul său de antioxidanți și stabilizatori [9, 10]. Potrivit acestor autori, adăugarea acestor substanțe protejează polietilena împotriva oxidării deja în stadiul de producție. Pająk și colab. [8] și Szumigaj-Tarnowska [21] au raportat că rezistența polietilenei la degradare este mai mare în comparație cu alte termoplastice și este crescută și mai mult prin absența heteroatomilor și a dublei legături în lanț.
Metode de accelerare a degradării materialelor polimerice din polietilenă
Modificarea polietilenei cu amidon
(Bio) degradarea materialelor polimerice din polietilenă
Rolul important al biofilmelor în descompunerea materialelor polimerice a fost remarcat de Gilan și colab. [27] precum și Mohan și Srivastava [23]. Potrivit acestor autori, colonizarea suprafeței materialelor polimerice de către microorganisme care contribuie la formarea biofilmelor pe suprafața lor este o condiție prealabilă pentru începerea descompunerii inițiale a acestor materiale. Biofilmul este un strat de protecție neadeziv pentru diferite tipuri de bacterii, constând în 80-95% dintr-o matrice hidratată de biopolimeri și apă, care îi conferă un caracter spațial. După cum au raportat Mohan și Srivastava [23], acoperirea suprafeței polimerului cu un strat de biofilm poate provoca micro-umflarea acestuia și, în consecință, poate duce la pierderea stabilității mecanice a materialului polimeric. Astfel, structura perturbată a suprafeței polimerului poate deveni mai susceptibilă la acțiunea microorganismelor. Cu toate acestea, Arutchelvi și colab. [7] a subliniat că rata de degradare a polimerilor depinde în mod clar de tipul suprafeței lor, adică polimerii cu o suprafață rugoasă (neomogenă) sunt degradați mai repede decât cei cu o suprafață netedă.
Exemplele de studiu prezentate mai sus sunt o expresie a aspirației de a reduce neplăcerile materialelor polimerice pentru mediul natural și de a sublinia importanța proceselor care susțin protecția mediului natural. Din acest motiv, dezvoltarea tehnologiilor moderne și fără deșeuri (așa-numitele „curate”), minimizând emisia de poluanți în mediu, a fost observată în ultimii ani, pe lângă analiza amenințărilor ecologice [33]. . Reciclarea pe scară largă a materialelor polimerice, menționată la începutul capitolului, este considerată una dintre cele mai ecologice și raționale soluții [5, 16].