Загрязнение пластиком: пластик становится угрозой когда распадается на микрочастицы

Пластик - один из самых вредных в составе отходов для всей планеты. Пластмассы или пластики — материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Исключительно широкое применение получили пластмассы на основе синтетических полимеров. Название «пластмассы» означает, что эти материалы под действием нагревания и давления способны формироваться и сохранять заданную форму после охлаждения или отвердения. 

Такой статус пластика обосновывается двумя причинами. Первая это его прочность, и как следствие очень долгий термин разложения, и второй - после разложения он превращается в микропластик, который еще более вреден для всего живого. 

Микропластик добирается в самые отдаленные уголки Земли, он был обнаружен в таких местах как Эверест и дно Марианской впадины, он добрался в клетки организмов - его нашли в антарктической рыбе и скорлупе пингвинов, в морских и пресных водах, в пиве и кораллах. А также, его обнаружили и в теле человека. 

Ежедневно мы вдыхаем микропластик в легкие, употребляем с пищей и пьём с жидкостями, в результате в организм попадает 5 грамм микропластика в неделю, а за год его количество может достигать 250 грамм. Для сравнения столько же весит 230 пластиковых трубочек или 8 пол-литровых пластиковых бутылок. 

По оценкам, 5,25 триллиона частиц пластика плавают в океанах Земли, угрожая не только здоровью морских экосистем и животных, но и здоровью людей, в воде, которую мы пьем, и в еде, которую мы едим. 

Мировой океан со стремительной скоростью загрязняется мусором из пластика: все еще не найден эффективный метод его переработки. Именно поэтому учеными регулярно предпринимаются попытки изобрести методологии позволяющие 100% переработать популярнейший полимер на нашей планете. Рассказываем о них подробнее.

^{Морские животные проживают всю жизнь в пластиковых оковах, получая деформации тела, фото: profile}

Как разлагается пластик

Среднее время разложения пластмассовых изделий от 400 до 700 лет. Полиэтиленовые пакеты, которые ежедневно использует почти каждый из нас, попадая в природу разлагаются от 100 до 200 лет. Прочность и долговечность изделий из пластика имеет и обратную сторону — пластик устойчив и, лишь постепенно распадается на все более мелкие частицы. 

Любые пластиковые кусочки размером от 5 миллиметров до микрометра — это в 40–120 раз тоньше человеческого волоса, называют микрополастиком. Есть и более мелкие элементы — субмикропластик, а затем нанопластик. Они практически не изучены, хотя уже известно, что такие частицы могут проникать сквозь клеточные мембраны (какой вред это наносит живым организмам, также пока не выяснили). Именно микропластик представляет собой наибольшую угрозу.

Опасения ученых связаны с тем, что пластмасса, оказываясь в почве, распадается на мельчайшие частицы после чего может начаться процесс выброса в окружающую природу токсичных химических веществ, которые использовали в их составе либо при производстве. К таким веществам относят - хлор, разнообразные химикаты, токсичные либо канцерогенные антивоспламенители. Все эти вещества могут просачиваться в грунтовую воду или любые ближайшие источники воды, что в свою очередь будет наносить значительный вред флоре и фауне.

Даже так называемый биоразлагаемый пластик, который в составе мирового производства пластмасс составляет всего 1%, по мере разложения способствует высвобождению метана, который является сильным парниковым газом, что вносит значительный вклад в глобальное потепление.

^{Сравнительный период разложения различных материалов: profile}

В случае когда пластик попадает на специально оборудованные места для свалок, которые создаются для защиты окружающей среды и препятствия загрязнениям почв и подземных вод - он не так вреден. Вред наносит тот пластик, который выброшен человеком в непредусмотренном для этого месте и который попадает непосредственно в природу.

Как бы это странно не звучало, пока пластик виден человеческому глазу, например как плавающая в воде и валяющаяся пластиковая бутылка на земле - он не представляет опасности окружающей среде. Когда же он начинает распадаться и превращаться в микропластик - он начинает представлять угрозу. Из-за того что микропластик незаметен глазу человека мы не замечаем, как он проникает в наш организм. Но это замечают ученые. Рассказываем, где ученым уже удалось найти микропластик.

Моча

Исследователями из Института Роберта Коха и Министерства окружающей среды Германии в течении трех лет изучались образцы мочи и крови 2500 детей в возрасте от 3 до 17 лет. В 97 % проб мочи исследователи нашли следы 11 из 15 различных видов пластика. 

В образцах крови была обнаружена перфтороктановая кислота, которую используют для производства антипригарных покрытий, водонепроницаемой одежды и упаковки. Учёные сильно обеспокоились тем, что у 485 детей которые принимали участие в исследовании, предельное значение было превышено.

Фекалии

Учёные из Венского медицинского университета пригласили 8 добровольцев из разных стран, в том числе из России, и попросили вести дневник питания, а через семь дней сдать образцы стула в лабораторию. Исходя из информации исследования, добровольцы покупали упакованные в пластик еду и напитки, а 6 из них употребляли в пищу океаническую рыбу.

Микропластик был найден во всех образцах фекалий. Всего было обнаружено 9 видов пластмасс, среди них полипропилен и полиэтилентерефталат (ПЭТ), которые использую производители пластиковых бутылок и контейнеров. Это означает, что пластик в виде крошечных частиц добрался до нашего кишечника.

^{Новорожденный ребенок, фотоnaked-science}

Плацента

Итальянские учёные взяли образцы у 6 здоровых женщин сразу после родов. Чтобы не допустить попадание пластика из вне, акушеры работали в хлопковых перчатках и использовали металлические инструменты. 

В результате учёные нашли 12 фрагментов микропластика у 4 женщин. Причём частицы были на плаценте как со стороны плода, так и со стороны матери. Три частицы оказались окрашенным полипропиленом, а остальные девять учёные не смогли определить, но обнаружили в них пигмент, который используют для косметики, средств личной гигиены, красок, клея. Найденный микропластик был разных цветов: синего, красного, розового и оранжевого.

Данный результат получен при изучении всего 4 % плаценты, и это говорит о том, что концентрация микропластика вцелом может быть значительно больше. 

Достоверно неизвестно, как именно микропластик влияет на организм. Учёные предполагают, что микропластик потенциально опасен из-за химических веществ, которые содержатся в некоторых его видах. Именно они могут накапливаться в организме и наносить вред репродуктивной системе, приводить к ожирению, воспалению тканей, задержке развития у детей и снижению иммунитета.

Многими компаниями ведется разработка новых способов, которые смогут ускорять разложение и удешевлять процессы переработки пластмасс. К таким относятся новые виды пластмассы, которая распадается за 3 - 6 месяцев, такие виды пластика называют биоразлагаемыми. В отличии от обычных их изготавливают не из нефтепродуктов, а из крахмала, жиров, кукурузы или других биомасс. 

Множество видов переработки пластика делят на физические, термические, экспериментальные и повторное использование.

^{Виды пластика, которые подлежат переработке, фото: dela}

Физические

Механический рециклинг

Среди физических методов самый распространенный это механический рециклинг. Способ представляет собой измельчение, дробление и перетирание пластиковых материалов для получения рециклата — полимерного материала, впоследствии используемого для изготовления других пластмассовых изделий. 

На первом этапе отходы сортируют по типу пластика, состоянию материала и степени загрязненности. Затем этап предварительного дробления, сортировки, мытья и сушки. Следующий этап это обработка в термоустановках и получение расплава однородной консистенции, который называют рециклат. Впоследствии уже расплавленный материал отправляют в экструдер для формирования промежуточных гранул либо на изготовление вторичной продукции. 

^{Механическая переработка пластика, фото: abcbiznes}

Химический рециклинг

В результате этого метода из пластмасс формируются новые материалы. Химический рециклинг используется для переработки полимерных молекул, в результате которого образуются новые структуры, впоследствии используемые в качестве сырья для производства новых продуктов.

Многие крупные международные компании, такие как Adidas, Unilever, P&G, Danone and Interface, активно инвестируют в развитие этого направления. В его основе лежит процесс деполимеризации или химического разрушения полимерного связующего.

В результате химической реакции образуется готовое вторсырье: полимеры, вид пластика; мономеры, сырье для изготовления нового пластика; нефть для производства нового пластика и химических веществ; основные химикаты, такие как метанол, транспортное топливо для авиации и автомобилей; воск для свечей и мелков; а также синтетическая сырая нефть.

Неоспоримым преимуществом этого метода является возможность перерабатывать пластик, когда его разделение для механического рециклинга либо технически не возможно, либо экономически невыгодно. Чаще всего этот метод используется для переработки загрязненного материала. 

^{Разделение, глубокая сортировка пластиковых отходов, фото из открытых источников}

Гидролиз и гликолиз

При гидролизе пластик взаимодействует с водой в кислой, щелочной или нейтральной среде. В результате происходит деполимеризация материала и расщепление на мономеры.

Сольволиз

Сольволиз это наиболее часто используемый метод химического рециклинга. Суть метода заключается в применении широкого диапазона растворителей, температур, давлений и катализаторов, таких как сверхкритическая вода и спирты.

В роли катализатора выступают соли щелочных металлов. По сравнению с пиролизом для процесса сольволиза необходимы более низкие температуры. В процессе образуются восстановленное волокно и химическое вещество, которое впоследствии может быть использовано в коммерческих целях.

Метанолиз

В основе метода лежит расщепление пластмассы при помощи метанола в резервуарах с высокими температурами. В процессе используются катализаторы, такие как ацетат магния, ацетат кобальта и диоксид свинца.

Термокатализ

Процесс утилизации пластика в компоненты жидкого топлива с использованием катализатора разового действия на основе шламов некоторых металлургических производств. Изначально пластмассовые отходы измельчаются, а затем с добавлением катализатора поступают в реактор, где смесь нагревается свыше 400 °C.

Полученная в результате реакции смесь углеводородов подается на сжигание как готовое котельное топливо, которое также может применяться в качестве пластификатора некоторых компонентов дорожного покрытия. Далее продукт может быть переработан с целью получения бензина, дизеля и мазута.

Преимущество метода - низкое энергопотребление, а основной недостаток - сложность контроля процесса и технологического оборудования по причине необходимости вести процесс при высоком давлении.

Термический

Способы термической деструкции полимеров по содержанию кислорода делят на несколько видов. К ним относятся: пиролиз, метанолиз, газификация, сжигание.

^{Завод по переработке пластика, фото: equipnet}

Пиролиз

Пиролиз это наиболее эффективный метод, но и наиболее дорогостоящий способ переработки пластика. Процесс представляет собой термическое разложение пластика при температуре от 300 до 900° C в условиях отсутствия кислорода. В результате такого способа происходит термическое разложение и высвобождение частиц водорода, которые содержатся в пластике. Образуется ряд углеводородов, которые пригодны для использования в качестве основ топливных веществ. В результате химического процесса образуются газ, тепловая энергия и мазут.

В результате расщепления пластиковых отходов методом пиролиза получают бензиновую фракцию, которая может достигать до 80% от массы исходного сырья.

Пиролиз разрушает 99% вредных сложносоставных веществ, которые входят в состав пластика, что делает его одним из самых экологичных вариантов переработки отходов, однако требует большого количества энергии.

Газификация

Газификации метод при котором из не сортированного и грязного материала образуют синтетический газ, который впоследствии может быть использован для постройки новых полимеров, получения тепловой и электрической энергии, метанола, электричества, кормовых белков и различной биомассы.

Отходы обрабатываются потоком плазмы при температуре 1200 °C, в процессе разрушаются токсичные вещества и не образуются смолы. Впоследствии мусор превращается в пепел, который часто прессуют в брикеты и закладывают в фундамент зданий. Метод газификации особо популярен в Японии.

Главное достоинство метода - возможность перерабатывать пластик без сортировки. Среди недостатков высокая вероятность выброса вредных газов в атмосферу.

Экспериментальные методы

Деполимеризация

Термическая деполимеризация это один из экспериментальных физико-химических способов. Он построен на процессе пиролиза с использованием воды. В результате получают либо смесь углеводородов, пригодных для создания синтетического топлива, либо новые пластиковые сплавы.

В процессе деполимеризации монопластик типа ПЭТ-бутылок расщепляется обратно в мономеры, которые могут быть переработаны в новые ПЭТ-материалы. Термическая деполимеризация позволяет перерабатывать смешанные виды пластиков, однако в результате химической реакции образуются побочные продукты, которые также являются опасными.

^{Мировые масштабы производства ПЭТ бутылок, фото: shinglas}

Радиационный

Радиационный метод основан на использовании высокоэнергетического излучения для разрушения полимерной матрицы, при этом физические характеристики наполнителя остаются неизменными. Предполагается, что в будущем этот все еще экспериментальный метод станет основным способом утилизации армированного пластика.

Среди недостатков процесса выделяют повышенную радиационную нагрузку на человека и окружающую среду. Более того, утилизации подвергаются только тонкослойные пластики.

Разложение микробами из желудка коров

Оказывается бактерии из рубца коровы, одного из четырех отделов ее желудка, могут разрушать пластик.

Исследователи из Австрии предположили, что такие бактерии могут применяться в переработке пластика, поскольку в рационе коров присутствуют натуральные растительные полиэфиры, а они  имеют идентичную с пластиком структуру.

Ученые рассмотрели 3 вида полимеров: ПЭТ, PBAT и полиэтиленфураноат. В результате выяснилось, что все три пластмассы можно разрушить микроорганизмами из желудков коров, причем пластиковые порошки разрушаются быстрее, чем пластиковая пленка.

Разложение личинками

Еще одно решение проблемы переработки  - переработка с помощью жуков, которые широко распространенны в Корее. Личинки жуков из отряда жесткокрылых (Plesiophthophthalmus davidis) могут разлагать полистирол. Кишечная флора насекомого может окислять и изменять поверхностные свойства полистирольной пленки.

^{Повторное использование пластика, фото: polymers}

Повторное использование

В виде монтажной пены

Метод превращения биоразлагаемых пластиковых ножей, ложек и вилок в пену, которую можно использовать в качестве изоляции стен или во флотационных устройствах, разработали в Новозеландии.

В качестве эксперимента ученые поместили столовые приборы в специальную камеру, заполненную углекислым газом. Изменяя уровень давления, исследователи наблюдали, как диоксид углерода расширился внутри пластика, создавая пену, в дальнейшем ученые получили и пенопласт. 

При каждой переработке пластик становится менее прочным. Но для монтажной пены и пенопласта это неважно.

В виде ванилина

Пластик можно превратить даже в ванилин, с помощью ГМО - бактерий его превратили в популярный ароматизатор. 

Изобретение этих бактерий с помощью генной инженерии было произведено двумя учеными из университета в Шотландском Эдинбурге. Бактерии преобразовывают терефталевую кислоту в ванилин. Открытие опиралось на тот факт, что оба вещества обладают идентичным химическим составом, в связи с чем функционал бактерий лишь в том, чтобы внести незначительные изменения в количество атомов водорода и кислорода, связанных с одним и тем же углеродным «скелетом».

В виде топлива и смазочных материалов

Также существует способ переработки пластика в полезные материалы. Их сразу же можно использовать в качестве реактивного или дизельного топлива и смазочных материалов.

Исследователями из Центра инноваций в области пластика при Делавэрском университете (CPI) в США был разработан метод переработки одноразовой пластиковой упаковки (ПЭТ пакеты, пластиковые бутылки, крышки, пакеты из-под молока и т.д.) в реактивное или дизельное топливо и смазочные материалы.

Для такой переработки используют новый катализатор и уникальный процесс для быстрого разрушения трудно перерабатываемых пластмасс — полиолефинов. Этот метод особо интересен, поскольку  полиолефины составляют 60–70% всех производимых сегодня пластмасс.

^{Микропластик, фото versiya}

Проблемы переработки пластика

Основная сложность в процессе переработки пластиковых отходов это высокая стоимость сбора, сортировки, очищения и переработки материалов. Это связано с тем, что пластик редко представлен в «чистом» виде, чаще всего это сплав из полимеров различных типов.

В совокупности с бытовой загрязненностью отходов, поступающих на переработку, это делает процесс сортировки и очистки трудоемким и финансово не окупаемым. Кроме этого, организованная система сбора и переработки отходов на сегодняшний день реализована только в развитых странах.

Именно эти причины тормозят внедрение на международном уровне практики рециклинга и большая часть пластиковых изделий не подвергается переработке. В большинстве случаев пластик попросту выбрасывают в природу, а в случае более продвинутого подхода в развитых странах — подвергается сжиганию.

Сегодня не так много исследований посвященных микропластику и его влиянию на здоровье, но совсем не потому что проблема несерьёзна или недооценена. Причина в другом: учёные не могут проводить опыты на людях и изучают только биоматериалы. 

Не смотря на развитие науки на сегодняшний день остро ощущается недостаток научных данных о микропластике. Для пластика меньшего размера, такого как нанопластик (шириной менее 0,05 мм), мы знаем еще меньше. Мы не знаем, каковы концентрации воздействия, и мы очень мало знаем о последствиях. Однако мы знаем, что очень мелкие частицы других материалов, таких как асбест, или очень мелкие частицы, отрицательно влияющие на качество воздуха, могут иметь негативные последствия для здоровья человека при длительном вдыхании (при) более высоких концентрациях

До сих пор не до конца известно его влияние на здоровье. В 2020 году ВОЗ опубликовала доклад о содержании частиц пластика в воде, в котором признала тот факт, что объем имеющейся информации не позволяет в полной мере сделать выводы о влиянии распространения микропластика и его воздействии на окружающую среду и здоровье живых существ.