Polimery a środowisko naturalne
Polimery są to związki chemiczne o bardzo dużych cząsteczkach, które mogą mieć budowę liniową lub usieciowaną. Związki o budowie liniowej są często termoplastyczne, to znaczy są topliwe i rozpuszczalne w określonych rozpuszczalnikach, natomiast polimery usieciowane są nietopliwe i nierozpuszczalne. Polimery są rozpowszechnione w przyrodzie i są budulcami organizmów roślinnych i zwierzęcych. Należą do nich skrobia, celuloza, białka i chityna.
W XX wieku wynaleziono metody otrzymywania polimerów syntetycznych, które ze względu na swoje specyficzne właściwości zna-lazły szerokie zastosowanie jako tworzywa sztuczne do celów konstrukcyjnych, włóknotwórczych, wyrobu folii i sztucznej skóry, a także jako kleje i lakiery.
Odkrycie wielu z nich dokonano przypadkowo podczas prowadzenia innych badań naukowych. Przykładem takiego wynalazku jest synteza polietylenu, który odkryto podczas badań reakcji etylenu z aldehydem benzoesowym pod wysokim ciśnieniem. W reakcji tej nieoczekiwanie otrzymano polietylen, który okazał się lekkim, elastycznym, topliwym materiałem, wykazującym cechę "ciągliwości na zimno". Przypadkowo dowiedział się o tym J. N. Dean - jeden z pracowników brytyjskiego przedsiębiorstwa telegraficznego. Postanowił on wykorzystać ten materiał jako izolator do budowy podmorskiego kabla telefonicznego między Anglią, a Francją. Na podstawie szacowanych wówczas potrzeb w zakresie kabli podmorskich uruchomiono w Wielkiej Brytanii niewielką fabrykę polietylenu, w której produkcja została uruchomiona 1.09.1939 r., a więc dokładnie w dniu napaści hitlerowskich Niemiec na Polskę.
Z chwilą wybuchu wojny zrodziła się gwałtowna potrzeba użycia lekkich giętkich izolatorów do urządzeń radarowych, które mogłyby być montowane w samolotach i samochodach. Wykorzystano do tego celu polietylen, który w ten sposób odegrał dużą rolę jako podstawowy składnik radarów w zwycięstwach powietrznych, morskich i lądowych, a tym samym wpłynął na losy wojny i świata. Zamontowanie urządzeń radarowych w samolotach umożliwiło namierzenie i zatapianie z powietrza niemieckich łodzi podwodnych, a tym samym przerwanie blokady morskiej.
Kolejnym polimerem, który wpłynął na przebieg II Wojny Światowej jest poliamid znany pod nazwą handlową Nylon, którego nazwa pochodzi od słów N. Y - New York, London. Poliamid ten ma budowę podobną do jedwabiu. Otrzymane z niego włókno początkowo nie miało dobrych właściwości mechanicznych. Podczas nieobecności profesora Carothersa młodzi chemicy w ramach zabawy postanowili sprawdzić, na jaką długość można rozciągnąć takie włókna. Nabierali więc pewną ilość stopionego polimeru na bagietkę i pędzili przez korytarz budynku, a włókna rozciągały się niczym guma. Wtedy właśnie zorientowali się, że podczas rozciągania włókien na zimno cząsteczki polimeru zostają uporządkowane, przez co otrzymany materiał uzyskuje bardzo dobrą wytrzymałość mechaniczną. Początkowo z Nylonu produkowano cienkie włókna na pończochy, lecz po ataku Japończyków na Peari Harbor w grudniu 1941 r. i przystąpieniu Stanów Zjednoczonych do wojny stał się on dla aliantów (po odcięciu dostaw jedwabiu przez Japończyków i Niemców) jedynym, nieocenionym surowcem do produkcji spadochronów, dzięki któremu możliwe było utworzenie dywizji spadochronowych i wykorzystanie ich podczas lądowania w Normandi i bitwie pod Arnheim.
Również pozytywnie w historii II Wojny Światowej zapisał się politetrafluoroetylen, znany pod nazwą Teflon, którego odkrycie nastąpiło przez przypadek. Dr Roy J. Plunkett, pracujący w firmie "Du Pont", zamierzał wykorzystać tetrafluoroetylen jako nietoksyczny środek chłodzący do wytwarzania lodówek sprężarkowych. Okazało się jednak, że w jednym z pojemników, zamiast gazowego tetrafluoroetylenu, znajdował się biały proszek o wyglądzie wosku, charakteryzujący się bardzo dobrą odpornością chemiczną i brakiem rozpuszczalności we wszystkich znanych rozpuszczalnikach. Odkrycie to zbiegło się w czasie z badaniami nad rozczepianiem uranu w Los Alamos. Generał Leslie R. Groves, wojskowy szef projektu, odpowiedzialny z ramienia armii amerykańskiej za konstrukcję bomby atomowej, poszukiwał materiału na uszczelki w aparaturze do destylacji silnie korodującego i toksycznego heksafluorku uranu (potrzebnego do otrzymania izotopu uranu o liczbie masowej 235, niezbędnego do wyprodukowani uranowej bomby atomowej). Ze względu na ważność sprawy, sfinansował on badania wdrożeniowe i uruchomienie produkcji Teflonu. Dzięki temu poznany Teflon mógł jako dostępny materiał znaleźć szereg innych zastosowań w elektronice, przemyśle samolotowym, a także jako materiał powłokotwórczy do produkcji powszechnie używanych garnków i patelni.
Ogromne znaczenie techniczne polimerów i ich wpływ na rozwój cywilizacji i przebieg wojny spowodowały lawinowy rozwój badań w tej dziedzinie przez tysiące chemików i badaczy innych dyscyplin naukowych na całym świecie. Obecnie nie ma dziedziny życia, w której nie odgrywałyby większej lub mniejszej roli polimery lub wytworzone z nich tworzywa sztuczne. Oprócz powszechnie znanych polimerów, które często kojarzymy jako izolatory znane są już polimery o właściwościach półprzewodników, a ostatnio polimery przewodzące prąd elektryczny równie dobrze jak metale, które stosowane są w technice kosmicznej do wytwarzania baterii słonecznych.
Tak duże obecnie powszechne stosowanie polimerów i tworzyw sztucznych nasuwa pytanie, jaki wpływ one wywierają na środowisko naturalne i czy nie stanowią dla niego poważnych zagrożeń. Po dokładnej analizie tego zagadnienia można wykazać, że niektóre polimery mogą znaleźć zastosowanie w ochronie środowiska do usuwania groźnych zanieczyszczeń, oczyszczenia ścieków i kultywacji gleby. Z drugiej zaś strony wielkotonażowa produkcja tworzyw sztucznych powoduje powstanie odpadów, oraz zużytych produktów, które bez odpowiedniego zagospodarowania stanowią problem, a nawet zagrożenie dla środowiska. Zagadnienia te zostaną kolejno omówione w niniejszym artykule.
Rozwój przemysłu powoduje dużą emisję zanieczyszczeń stałych, ciekłych i gazowych. Szczególnie niebezpieczne są rozpuszczalne w wodzie sole metali ciężkich takich jak rtęć, ołów, kadm, arsen, nikiel, chrom i miedź. Przedostają się one ze ścieków do rzek, a z nimi do morza. Związki te się tam kumulują i dostają do organizmów żywych, powodując ich częściowe lub całkowite zatrucie. Przykładem takim jest odkładanie się związków rtęci w wątrobie ryb np. dorszy. Ptaki, które wyłącznie karmią się rybami ulegają zatruciu i często giną. Próby wytrącania soli metali ciężkich w postaci osadów dają efekt tylko przy dużych stężeniach tych związków. Z pomocą przyszły tak zwane wymieniacze jonowe zdolne do chemicznego wyłapywania jonów metali ciężkich z rozcieńczonych roztworów. Wymieniacze jonowe są to nierozpuszczalne polimery, do których w wyniku reakcji chemicznych wprowadzono reaktywne grupy funkcyjne, zdolne do wiązania się z jonami. Metodą tą można całkowicie oczyścić ścieki od soli metali ciężkich, a ponadto odzyskać, czyli zregenerować te metale.
Oprócz wymieniaczy jonowych i bardziej nowoczesnych membran jonowymiennych dużą rolę w procesach oczyszczania znalazły polimery porowate. W zależności od wielkości porów w materiałach polimerowych można je wykorzystać do zatrzymywania jonów metali w procesach osmozy, usuwania małych cząsteczek np. barwników i cukrów ze ścieków przy nanofiltracji, bratek przy ultrafiltracji, pigmentów, azbestu i dymu papierosowego w procesie mikrofiltracji. Polimery porowate mogą być również użyte jako adsorbenty do oczyszczania powietrza z zanieczyszczeń gazowych. Duże znaczenie w ochronie środowiska mają polimery rozpuszczalne w wodzie. Należy do nich poliakryloamid produkowany w Polsce pod nazwami Gigtar i Rokrysol. Produkty te są używane jako środki flokulujące w procesie klarowania ścieków, powodujące wytrącenie zanieczyszczeń. Używa się je również do uzdatniania wody do picia, a także do kondycjonowania gleby w celu poprawienia jej struktury z pylistej na gruzełkowatą. Polimery mogą być również użyte do oczyszczania rzek w trakcie awarii powodującej ich zanieczyszczenie ropą naftową lub produktami oleistymi. Używa się do tego celu watę z włókna poliestrowego (w Polsce produkuje się pod nazwą Elana). Z waty tej sporządza się długie wałki, które przerzuca się w poprzek rzeki, a za nimi umieszcza się rynienkę. Płynące na powierzchni wody substancje oleiste zatrzymają się na polimerowym wałku i spływają do rynienki, z której są odpompowywane do beczkowozów. Metoda ta nie może być jednak użyta podczas skażenia morza przez tankowce ze względu na duże fale.
Polimery stanowią również zagrożenie dla środowiska naturalnego. Duża produkcja i olbrzymie zastosowanie tworzyw sztucznych powoduje, że znaczna ilość odpadów i zużytych materiałów trafia na wysypiska. Najwięcej odpadów z tworzyw sztucznych dostarcza przemysł opakowaniowy, budownictwo, elektrotechnika, przemysł motoryzacyjny i rolnictwo.
Recykling tworzyw sztucznych zużywa odpady tylko częściowo Szacuje się, że na wysypiska trafiają tworzywa sztuczne w ilości od 3- 10% całkowitej masy odpadów, co stanowi aż 3Q% objętościowych składowiska. Powierzchnie wysypisk śmieci w Polsce zajmowała w roku 1985 ok. 2300ha, a w 1994 r. już ponad 3100ha. Przytoczone dane statystyczne nie obejmują "dzikich" wysypisk śmieci oraz zanieczyszczania lasów, jezior i morza. Nietonące w wodzie i gromadzące się na lądzie odpady to nie tylko problem estetyczny, lecz zagrożenie dla zwierząt, które po połknięciu odpadków polimerowych często giną. Zagubione lub porzucone w wodach sieci z nieulegających rozkładowi polimerów, takich jak polietylen, polipropylen lub poliamidy, mogą stać się śmiertelnymi pułapkami na zwierzęta żyjące w morzach.
Podczas wytwarzania tworzyw sztucznych do polimerów wprowadza się różne dodatki, które czasami mają właściwość toksyczne i z polimerów nietoksycznych powstają materiały, które po zużyciu są bardziej szkodliwe dla środowiska. Przykładem takich dodatków są ołowiowe stabilizatory PVC, fosforoorganiczne plastyfikatory i niektóre pigmenty. Bardzo ważne jest ponowne wykorzystania odpadów i zużytych wyrobów z tworzyw sztucznych, które beztrosko wyrzucane są bardzo trudno resorbowane przez przyrodę, a więc są zagrożeniem środowiska naturalnego. Z tego powodu opracowano recykling materiałów polimerowych.
Recykling tworzyw sztucznych można podzielić na recykling materiałowy, chemiczny i termiczny.
Recykling materiałowy polega na wykorzystania odpadów i zużytych materiałów do produkcji nowych wyrobów. Bardzo ważne są tu podstawowe systemy zbierania tworzyw sztucznych. Należą do nich: gromadzenie odpadów bezpośrednio u producenta wyrobów z tworzyw sztucznych; takie odpady są stosunkowo czyste i nie ma konieczności ich sortowania gromadzenie odpadów tworzyw sztucznych bezpośrednio z przemysłu, rzemiosła, handlu, i rolnictwa; uzyskane w ten sposób odpady muszą być czyszczone i sortowane zbieranie odpadów z gospodarstw domowych; może być rozwiązane przez dostarczenie mieszkańcom specjalnych kolorowych worków, do których zbierane byłyby różne odpady, a odzyskane w ten sposób tworzywa czyszczone i dodatkowo sortowane, przy czym oznakowanie wyrobów z tworzyw sztucznych ułatwiałoby ich rozdzielenie odzyskiwanie tworzyw sztucznych z odpadów komunalnych; ten sposób wymaga szczególnie dużych nakładów na oczyszczanie i sortowanie zbieranie zużytych tworzyw sztucznych bezpośrednio u użytkownika, np. w szpitalach; stosunkowo łatwe jest ich sortowanie, natomiast wymagane jest ich dodatkowe czyszczenia stosowanie niemieckiego Systemu Dualnego polegającego na kaucjonowaniu opakowań i obowiązku przyjmowania ich ze zwrotem zastawu.
Zbieranie tworzyw sztucznych jest bardzo ważnym problemem w całym łańcuchu recyklingu Duże znaczenie ma tu uświadomienie społeczeństwa i znalezienie odpowiednich do tego motywacji, gdyż w ten sposób można odzyskać tworzywa przy stosunkowo małych nakładach na ich sortowanie i oczyszczanie.
Recykling chemiczny polega na rozpadzie materiału polimerowego w wyniku reakcji chemicznej z wodą lub innymi związkami chemicznymi w wyniku, której powstają związki małocząsteczkowe, służące do ponownego otrzymania czystych polimerów lub do innych celów.
Recykling termiczny polega na rozpadzie materiału polimerowego pod wpływem temperatury. Do recyklingu termicznego zaliczamy pirolizę, hydrokraking, czyli uwodornienie, zgazowanie i bezpośrednie spalanie z odzyskiem ciepła. Piroliza polega za rozkładzie termicznym polimerów bez dostępu powietrza w temperaturze 700-1000°C. Otrzymuje się produkty w postaci gazu (44%), oleju (26%) i odpadów stałych (30%). Gaz i odpady stałe używa się do celów opałowych natomiast olej przerabia się na surowce do syntezy polimerów.
Hydrokraking polega na uwodornieniu substancji powstałych w wyniku rozpadu polimeru pod ciśnieniem w wysokiej temperaturze. Produkty po odpowiedniej przeróbce można rozdzielić na benzynę i olej opałowy. Zgazowanie odpadów z tworzyw sztucznych polega na częściowym utlenieniu produktów rozpadu w temperaturze 1350-1600°C pod zwiększonym ciśnieniem. Powstający gaz palny składa się z tlenku węgla i wodoru, natomiast pozostałość stanowi węgiel i nieorganiczne i napełniacze. W procesie tym nie tworzą się produkty ciekłe. Spalenie odpadów polimerowych dla celów energetycznych jest technicznie możliwe i od dawna stosowane. W Niemczech spala się około 30% odpadów komunalnych i uzyskuje się znaczną ilość energii. Ciepło spalania większości polimerów jest duże, a masa popiołu powstałego po spaleniu stanowi poniżej 10% masy materiału wejściowego, przez co uzyskuje się znaczną oszczędność kosztów składowania odpadów. Spalanie musi być jednak prowadzone w odpowiednich instalacjach w wysokiej temperaturze, aby nie powstawały niekompletnie spalone półprodukty rozpadu takie jak toksyczne dioksyny. Nie należy również dopuścić, aby do atmosfery przedostały się szkodliwe związki chloru, siarki i azotu. Pomimo łatwości utylizacji odpadów tworzyw sztucznych metodą spalania należy ją stosować tylko wówczas, gdy nie ma możliwości ponownego wykorzystania materiałów polimerowych.
Ostatnio opracowano nowe, biodegradowalne polimery, które otrzymuje się metodami biotechnologicznymi. Należą do nich Bipol, produkowany przez brytyjską firmę Zeneca, który jest poliestrem otrzymanym z kwasów 3-hydroksymasłowego i 3-hydroksywalerianowego oraz polimer otrzymany z kwasu mlekowego Z polimerów tych można otrzymać bardzo dobre tworzywa termoplastyczne do wyrobu opakowań. Odpady i zużyte wyroby z tych tworzyw mogą być wyrzucane na kompost, gdzie ulegają naturalnej biodegradacji nie zagrażając środowisku naturalnemu.
Z powyższych rozważań wynika, że polimery i otrzymane z nich tworzywa sztuczne odgrywają coraz to większą rolę w przemyśle i życiu codziennym, a równocześnie umiejętnie wykorzystane nie stanowią zagrożenia dla środowiska naturalnego. Ważną jednak sprawą jest znajomość ich właściwości i ciągłe pogłębianie wiedzy na ten temat.
Autor: Andrzej Puszyński
Literatura:
1. J. Pielichowski, A. Puszyński: Technologia tworzyw sztucznych, WNT, Warszawa 2003,
2. J. Pielichowski, A. Puszyński: Chemia polimerów, WNT - TEZĄ, Kraków 2004,
3. H. Karczmarek: Polimery 1997, 42, 521,
4. T. Winnicki: Zastosowanie polimerów w ochronie środowiska. Arkady, Warszawa 1978.
W XX wieku wynaleziono metody otrzymywania polimerów syntetycznych, które ze względu na swoje specyficzne właściwości zna-lazły szerokie zastosowanie jako tworzywa sztuczne do celów konstrukcyjnych, włóknotwórczych, wyrobu folii i sztucznej skóry, a także jako kleje i lakiery.
Odkrycie wielu z nich dokonano przypadkowo podczas prowadzenia innych badań naukowych. Przykładem takiego wynalazku jest synteza polietylenu, który odkryto podczas badań reakcji etylenu z aldehydem benzoesowym pod wysokim ciśnieniem. W reakcji tej nieoczekiwanie otrzymano polietylen, który okazał się lekkim, elastycznym, topliwym materiałem, wykazującym cechę "ciągliwości na zimno". Przypadkowo dowiedział się o tym J. N. Dean - jeden z pracowników brytyjskiego przedsiębiorstwa telegraficznego. Postanowił on wykorzystać ten materiał jako izolator do budowy podmorskiego kabla telefonicznego między Anglią, a Francją. Na podstawie szacowanych wówczas potrzeb w zakresie kabli podmorskich uruchomiono w Wielkiej Brytanii niewielką fabrykę polietylenu, w której produkcja została uruchomiona 1.09.1939 r., a więc dokładnie w dniu napaści hitlerowskich Niemiec na Polskę.
Z chwilą wybuchu wojny zrodziła się gwałtowna potrzeba użycia lekkich giętkich izolatorów do urządzeń radarowych, które mogłyby być montowane w samolotach i samochodach. Wykorzystano do tego celu polietylen, który w ten sposób odegrał dużą rolę jako podstawowy składnik radarów w zwycięstwach powietrznych, morskich i lądowych, a tym samym wpłynął na losy wojny i świata. Zamontowanie urządzeń radarowych w samolotach umożliwiło namierzenie i zatapianie z powietrza niemieckich łodzi podwodnych, a tym samym przerwanie blokady morskiej.
Kolejnym polimerem, który wpłynął na przebieg II Wojny Światowej jest poliamid znany pod nazwą handlową Nylon, którego nazwa pochodzi od słów N. Y - New York, London. Poliamid ten ma budowę podobną do jedwabiu. Otrzymane z niego włókno początkowo nie miało dobrych właściwości mechanicznych. Podczas nieobecności profesora Carothersa młodzi chemicy w ramach zabawy postanowili sprawdzić, na jaką długość można rozciągnąć takie włókna. Nabierali więc pewną ilość stopionego polimeru na bagietkę i pędzili przez korytarz budynku, a włókna rozciągały się niczym guma. Wtedy właśnie zorientowali się, że podczas rozciągania włókien na zimno cząsteczki polimeru zostają uporządkowane, przez co otrzymany materiał uzyskuje bardzo dobrą wytrzymałość mechaniczną. Początkowo z Nylonu produkowano cienkie włókna na pończochy, lecz po ataku Japończyków na Peari Harbor w grudniu 1941 r. i przystąpieniu Stanów Zjednoczonych do wojny stał się on dla aliantów (po odcięciu dostaw jedwabiu przez Japończyków i Niemców) jedynym, nieocenionym surowcem do produkcji spadochronów, dzięki któremu możliwe było utworzenie dywizji spadochronowych i wykorzystanie ich podczas lądowania w Normandi i bitwie pod Arnheim.
Również pozytywnie w historii II Wojny Światowej zapisał się politetrafluoroetylen, znany pod nazwą Teflon, którego odkrycie nastąpiło przez przypadek. Dr Roy J. Plunkett, pracujący w firmie "Du Pont", zamierzał wykorzystać tetrafluoroetylen jako nietoksyczny środek chłodzący do wytwarzania lodówek sprężarkowych. Okazało się jednak, że w jednym z pojemników, zamiast gazowego tetrafluoroetylenu, znajdował się biały proszek o wyglądzie wosku, charakteryzujący się bardzo dobrą odpornością chemiczną i brakiem rozpuszczalności we wszystkich znanych rozpuszczalnikach. Odkrycie to zbiegło się w czasie z badaniami nad rozczepianiem uranu w Los Alamos. Generał Leslie R. Groves, wojskowy szef projektu, odpowiedzialny z ramienia armii amerykańskiej za konstrukcję bomby atomowej, poszukiwał materiału na uszczelki w aparaturze do destylacji silnie korodującego i toksycznego heksafluorku uranu (potrzebnego do otrzymania izotopu uranu o liczbie masowej 235, niezbędnego do wyprodukowani uranowej bomby atomowej). Ze względu na ważność sprawy, sfinansował on badania wdrożeniowe i uruchomienie produkcji Teflonu. Dzięki temu poznany Teflon mógł jako dostępny materiał znaleźć szereg innych zastosowań w elektronice, przemyśle samolotowym, a także jako materiał powłokotwórczy do produkcji powszechnie używanych garnków i patelni.
Ogromne znaczenie techniczne polimerów i ich wpływ na rozwój cywilizacji i przebieg wojny spowodowały lawinowy rozwój badań w tej dziedzinie przez tysiące chemików i badaczy innych dyscyplin naukowych na całym świecie. Obecnie nie ma dziedziny życia, w której nie odgrywałyby większej lub mniejszej roli polimery lub wytworzone z nich tworzywa sztuczne. Oprócz powszechnie znanych polimerów, które często kojarzymy jako izolatory znane są już polimery o właściwościach półprzewodników, a ostatnio polimery przewodzące prąd elektryczny równie dobrze jak metale, które stosowane są w technice kosmicznej do wytwarzania baterii słonecznych.
Tak duże obecnie powszechne stosowanie polimerów i tworzyw sztucznych nasuwa pytanie, jaki wpływ one wywierają na środowisko naturalne i czy nie stanowią dla niego poważnych zagrożeń. Po dokładnej analizie tego zagadnienia można wykazać, że niektóre polimery mogą znaleźć zastosowanie w ochronie środowiska do usuwania groźnych zanieczyszczeń, oczyszczenia ścieków i kultywacji gleby. Z drugiej zaś strony wielkotonażowa produkcja tworzyw sztucznych powoduje powstanie odpadów, oraz zużytych produktów, które bez odpowiedniego zagospodarowania stanowią problem, a nawet zagrożenie dla środowiska. Zagadnienia te zostaną kolejno omówione w niniejszym artykule.
Rozwój przemysłu powoduje dużą emisję zanieczyszczeń stałych, ciekłych i gazowych. Szczególnie niebezpieczne są rozpuszczalne w wodzie sole metali ciężkich takich jak rtęć, ołów, kadm, arsen, nikiel, chrom i miedź. Przedostają się one ze ścieków do rzek, a z nimi do morza. Związki te się tam kumulują i dostają do organizmów żywych, powodując ich częściowe lub całkowite zatrucie. Przykładem takim jest odkładanie się związków rtęci w wątrobie ryb np. dorszy. Ptaki, które wyłącznie karmią się rybami ulegają zatruciu i często giną. Próby wytrącania soli metali ciężkich w postaci osadów dają efekt tylko przy dużych stężeniach tych związków. Z pomocą przyszły tak zwane wymieniacze jonowe zdolne do chemicznego wyłapywania jonów metali ciężkich z rozcieńczonych roztworów. Wymieniacze jonowe są to nierozpuszczalne polimery, do których w wyniku reakcji chemicznych wprowadzono reaktywne grupy funkcyjne, zdolne do wiązania się z jonami. Metodą tą można całkowicie oczyścić ścieki od soli metali ciężkich, a ponadto odzyskać, czyli zregenerować te metale.
Oprócz wymieniaczy jonowych i bardziej nowoczesnych membran jonowymiennych dużą rolę w procesach oczyszczania znalazły polimery porowate. W zależności od wielkości porów w materiałach polimerowych można je wykorzystać do zatrzymywania jonów metali w procesach osmozy, usuwania małych cząsteczek np. barwników i cukrów ze ścieków przy nanofiltracji, bratek przy ultrafiltracji, pigmentów, azbestu i dymu papierosowego w procesie mikrofiltracji. Polimery porowate mogą być również użyte jako adsorbenty do oczyszczania powietrza z zanieczyszczeń gazowych. Duże znaczenie w ochronie środowiska mają polimery rozpuszczalne w wodzie. Należy do nich poliakryloamid produkowany w Polsce pod nazwami Gigtar i Rokrysol. Produkty te są używane jako środki flokulujące w procesie klarowania ścieków, powodujące wytrącenie zanieczyszczeń. Używa się je również do uzdatniania wody do picia, a także do kondycjonowania gleby w celu poprawienia jej struktury z pylistej na gruzełkowatą. Polimery mogą być również użyte do oczyszczania rzek w trakcie awarii powodującej ich zanieczyszczenie ropą naftową lub produktami oleistymi. Używa się do tego celu watę z włókna poliestrowego (w Polsce produkuje się pod nazwą Elana). Z waty tej sporządza się długie wałki, które przerzuca się w poprzek rzeki, a za nimi umieszcza się rynienkę. Płynące na powierzchni wody substancje oleiste zatrzymają się na polimerowym wałku i spływają do rynienki, z której są odpompowywane do beczkowozów. Metoda ta nie może być jednak użyta podczas skażenia morza przez tankowce ze względu na duże fale.
Polimery stanowią również zagrożenie dla środowiska naturalnego. Duża produkcja i olbrzymie zastosowanie tworzyw sztucznych powoduje, że znaczna ilość odpadów i zużytych materiałów trafia na wysypiska. Najwięcej odpadów z tworzyw sztucznych dostarcza przemysł opakowaniowy, budownictwo, elektrotechnika, przemysł motoryzacyjny i rolnictwo.
Recykling tworzyw sztucznych zużywa odpady tylko częściowo Szacuje się, że na wysypiska trafiają tworzywa sztuczne w ilości od 3- 10% całkowitej masy odpadów, co stanowi aż 3Q% objętościowych składowiska. Powierzchnie wysypisk śmieci w Polsce zajmowała w roku 1985 ok. 2300ha, a w 1994 r. już ponad 3100ha. Przytoczone dane statystyczne nie obejmują "dzikich" wysypisk śmieci oraz zanieczyszczania lasów, jezior i morza. Nietonące w wodzie i gromadzące się na lądzie odpady to nie tylko problem estetyczny, lecz zagrożenie dla zwierząt, które po połknięciu odpadków polimerowych często giną. Zagubione lub porzucone w wodach sieci z nieulegających rozkładowi polimerów, takich jak polietylen, polipropylen lub poliamidy, mogą stać się śmiertelnymi pułapkami na zwierzęta żyjące w morzach.
Podczas wytwarzania tworzyw sztucznych do polimerów wprowadza się różne dodatki, które czasami mają właściwość toksyczne i z polimerów nietoksycznych powstają materiały, które po zużyciu są bardziej szkodliwe dla środowiska. Przykładem takich dodatków są ołowiowe stabilizatory PVC, fosforoorganiczne plastyfikatory i niektóre pigmenty. Bardzo ważne jest ponowne wykorzystania odpadów i zużytych wyrobów z tworzyw sztucznych, które beztrosko wyrzucane są bardzo trudno resorbowane przez przyrodę, a więc są zagrożeniem środowiska naturalnego. Z tego powodu opracowano recykling materiałów polimerowych.
Recykling tworzyw sztucznych można podzielić na recykling materiałowy, chemiczny i termiczny.
Recykling materiałowy polega na wykorzystania odpadów i zużytych materiałów do produkcji nowych wyrobów. Bardzo ważne są tu podstawowe systemy zbierania tworzyw sztucznych. Należą do nich: gromadzenie odpadów bezpośrednio u producenta wyrobów z tworzyw sztucznych; takie odpady są stosunkowo czyste i nie ma konieczności ich sortowania gromadzenie odpadów tworzyw sztucznych bezpośrednio z przemysłu, rzemiosła, handlu, i rolnictwa; uzyskane w ten sposób odpady muszą być czyszczone i sortowane zbieranie odpadów z gospodarstw domowych; może być rozwiązane przez dostarczenie mieszkańcom specjalnych kolorowych worków, do których zbierane byłyby różne odpady, a odzyskane w ten sposób tworzywa czyszczone i dodatkowo sortowane, przy czym oznakowanie wyrobów z tworzyw sztucznych ułatwiałoby ich rozdzielenie odzyskiwanie tworzyw sztucznych z odpadów komunalnych; ten sposób wymaga szczególnie dużych nakładów na oczyszczanie i sortowanie zbieranie zużytych tworzyw sztucznych bezpośrednio u użytkownika, np. w szpitalach; stosunkowo łatwe jest ich sortowanie, natomiast wymagane jest ich dodatkowe czyszczenia stosowanie niemieckiego Systemu Dualnego polegającego na kaucjonowaniu opakowań i obowiązku przyjmowania ich ze zwrotem zastawu.
Zbieranie tworzyw sztucznych jest bardzo ważnym problemem w całym łańcuchu recyklingu Duże znaczenie ma tu uświadomienie społeczeństwa i znalezienie odpowiednich do tego motywacji, gdyż w ten sposób można odzyskać tworzywa przy stosunkowo małych nakładach na ich sortowanie i oczyszczanie.
Recykling chemiczny polega na rozpadzie materiału polimerowego w wyniku reakcji chemicznej z wodą lub innymi związkami chemicznymi w wyniku, której powstają związki małocząsteczkowe, służące do ponownego otrzymania czystych polimerów lub do innych celów.
Recykling termiczny polega na rozpadzie materiału polimerowego pod wpływem temperatury. Do recyklingu termicznego zaliczamy pirolizę, hydrokraking, czyli uwodornienie, zgazowanie i bezpośrednie spalanie z odzyskiem ciepła. Piroliza polega za rozkładzie termicznym polimerów bez dostępu powietrza w temperaturze 700-1000°C. Otrzymuje się produkty w postaci gazu (44%), oleju (26%) i odpadów stałych (30%). Gaz i odpady stałe używa się do celów opałowych natomiast olej przerabia się na surowce do syntezy polimerów.
Hydrokraking polega na uwodornieniu substancji powstałych w wyniku rozpadu polimeru pod ciśnieniem w wysokiej temperaturze. Produkty po odpowiedniej przeróbce można rozdzielić na benzynę i olej opałowy. Zgazowanie odpadów z tworzyw sztucznych polega na częściowym utlenieniu produktów rozpadu w temperaturze 1350-1600°C pod zwiększonym ciśnieniem. Powstający gaz palny składa się z tlenku węgla i wodoru, natomiast pozostałość stanowi węgiel i nieorganiczne i napełniacze. W procesie tym nie tworzą się produkty ciekłe. Spalenie odpadów polimerowych dla celów energetycznych jest technicznie możliwe i od dawna stosowane. W Niemczech spala się około 30% odpadów komunalnych i uzyskuje się znaczną ilość energii. Ciepło spalania większości polimerów jest duże, a masa popiołu powstałego po spaleniu stanowi poniżej 10% masy materiału wejściowego, przez co uzyskuje się znaczną oszczędność kosztów składowania odpadów. Spalanie musi być jednak prowadzone w odpowiednich instalacjach w wysokiej temperaturze, aby nie powstawały niekompletnie spalone półprodukty rozpadu takie jak toksyczne dioksyny. Nie należy również dopuścić, aby do atmosfery przedostały się szkodliwe związki chloru, siarki i azotu. Pomimo łatwości utylizacji odpadów tworzyw sztucznych metodą spalania należy ją stosować tylko wówczas, gdy nie ma możliwości ponownego wykorzystania materiałów polimerowych.
Ostatnio opracowano nowe, biodegradowalne polimery, które otrzymuje się metodami biotechnologicznymi. Należą do nich Bipol, produkowany przez brytyjską firmę Zeneca, który jest poliestrem otrzymanym z kwasów 3-hydroksymasłowego i 3-hydroksywalerianowego oraz polimer otrzymany z kwasu mlekowego Z polimerów tych można otrzymać bardzo dobre tworzywa termoplastyczne do wyrobu opakowań. Odpady i zużyte wyroby z tych tworzyw mogą być wyrzucane na kompost, gdzie ulegają naturalnej biodegradacji nie zagrażając środowisku naturalnemu.
Z powyższych rozważań wynika, że polimery i otrzymane z nich tworzywa sztuczne odgrywają coraz to większą rolę w przemyśle i życiu codziennym, a równocześnie umiejętnie wykorzystane nie stanowią zagrożenia dla środowiska naturalnego. Ważną jednak sprawą jest znajomość ich właściwości i ciągłe pogłębianie wiedzy na ten temat.
Autor: Andrzej Puszyński
Literatura:
1. J. Pielichowski, A. Puszyński: Technologia tworzyw sztucznych, WNT, Warszawa 2003,
2. J. Pielichowski, A. Puszyński: Chemia polimerów, WNT - TEZĄ, Kraków 2004,
3. H. Karczmarek: Polimery 1997, 42, 521,
4. T. Winnicki: Zastosowanie polimerów w ochronie środowiska. Arkady, Warszawa 1978.
Tworzywa sztuczne to obecnie prawdziwe utrapienie dla środowiska naturalnego – występują pod różnymi postaciami, dlatego warto znać ich podstawowe rodzaje, aby wiedzieć które z nich łatwo poddają się ponownemu użyciu. Polietylen jest jednym z popularniejszych materiałów, który występuje w dwóch wersjach: polietylen wysokiej gęstości – PE-HD i polietylen niskiej gęstości – PE-LD. Tworzywo to ze względu na swoje właściwości znajduje zastosowanie w przemyśle spożywczym, kosmetycznym, motoryzacyjnym, a także przemysłowym. Wykorzystuje się je głównie do produkcji różnego rodzaju opakowań.
OdpowiedzUsuń