Забруднення пластиком: пластик стає загрозою, коли розпадається на мікрочастинки

Пластик - один із найшкідливіших у складі відходів для всієї планети. Пластмаси або пластики - матеріали, основою яких є синтетичні або природні високомолекулярні сполуки (полімери). Винятково широке застосування набули пластмаси на основі синтетичних полімерів. Назва «пластмаси» означає, що ці матеріали під дією нагрівання та тиску здатні формуватися та зберігати задану форму після охолодження або затвердіння.

Такий статус пластику обґрунтовується двома причинами. Перша це його міцність, і як наслідок дуже довгий термін розкладання, і другий - після розкладання він перетворюється на мікропластик, який ще шкідливіший для всього живого.

Мікропластик добирається до найвіддаленіших куточків Землі, він був виявлений у таких місцях як Еверест і дно Маріанської западини, він дістався клітин організмів - його знайшли в антарктичній рибі та шкаралупі пінгвінів, у морських та прісних водах, у пиві та коралах. А також його виявили і в тілі людини.

Щодня ми вдихаємо мікропластик у легені, вживаємо з їжею та п'ємо з рідинами, в результаті в організм потрапляє 5 грам мікропластику на тиждень, а за рік його кількість може досягати 250 грам. Для порівняння стільки ж важить 230 пластикових трубочок або 8 півлітрових пластикових пляшок.

За оцінками, 5,25 трильйона частинок пластику плавають в океанах Землі, загрожуючи не тільки здоров'ю морських екосистем та тварин, а й здоров'ю людей, у воді, яку ми п'ємо, та в їжі, яку ми їмо.

Світовий океан зі стрімкою швидкістю забруднюється сміттям із пластику: все ще не знайдено ефективний метод його переробки. Саме тому вченими регулярно робляться спроби винайти методології, що дозволяють 100% переробити найпопулярніший полімер на нашій планеті. Розповідаємо про них докладніше.

^{Морські тварини проживають все життя у пластикових кайданах, отримуючи деформації тіла, фото: profile}

Як розкладається пластик

Середнє час розкладання пластмасових виробів від 400 до 700 років. Поліетиленові пакети, які щодня використовує майже кожен із нас, потрапляючи в природу, розкладаються від 100 до 200 років. Міцність і довговічність виробів із пластику має і зворотний бік — пластик стійкий і лише поступово розпадається на все дрібніші частинки.

Будь-які пластикові шматочки розміром від 5 міліметрів до мікрометра — це в 40–120 разів тонше за людське волосся, називають мікрополістиком. Є дрібніші елементи — субмікропластик, а потім нанопластик. Вони практично не вивчені, хоча вже відомо, що такі частинки можуть проникати крізь клітинні мембрани (яку шкоду це завдає живим організмам, також поки що не з'ясували). Саме мікропластик є найбільшою загрозою.

Побоювання вчених пов'язані з тим, що пластмаса, опиняючись у ґрунті, розпадається на дрібні частки після чого може початися процес викиду в навколишню природу токсичних хімічних речовин, які використовували у їх складі або під час виробництва. До таких речовин відносять - хлор, різноманітні хімікати, токсичні чи канцерогенні протизаймисті. Всі ці речовини можуть просочуватися в ґрунтову воду або будь-які найближчі джерела води, що в свою чергу завдаватиме значної шкоди флорі та фауні.

Навіть так званий біорозкладний пластик, який у складі світового виробництва пластмас складає всього 1%, у міру розкладання сприяє вивільненню метану, який є сильним парниковим газом, що робить значний внесок у глобальне потепління.

^{Порівняльний період розкладання різних матеріалів: profile}

У разі коли пластик потрапляє на спеціально обладнані місця для звалищ, які створюються для захисту навколишнього середовища та перешкоди забрудненням ґрунтів та підземних вод – він не такий шкідливий. Шкода завдає той пластик, який викинутий людиною у непередбаченому для цього місці та який потрапляє безпосередньо у природу.

Як би це дивно не звучало, поки пластик видно людському оку, наприклад як плаваюча у воді і пластикова пляшка, що валяється на землі - він не становить небезпеки навколишньому середовищу. Коли ж він починає розпадатися і перетворюватися на мікропластик - він починає становити загрозу. Через те, що мікропластик непомітний для ока людини ми не помічаємо, як він проникає в наш організм. Але це зауважують вчені. Розповідаємо, де вченим уже удалося знайти мікропластик.

Сеча

Дослідниками з Інституту Роберта Коха та Міністерства навколишнього середовища Німеччини протягом трьох років вивчалися зразки сечі та крові 2500 дітей віком від 3 до 17 років. У 97% проб сечі дослідники виявили сліди 11 з 15 різних видів пластику.

У зразках крові було виявлено перфтороктанову кислоту, яку використовують для виробництва антипригарних покриттів, водонепроникного одягу та упаковки. Вчені сильно стурбувалися тим, що у 485 дітей, які брали участь у дослідженні, граничне значення було перевищено.

Фекалії

Вчені з Віденського медичного університету запросили 8 добровольців з різних країн, у тому числі з Росії, і попросили вести щоденник харчування, а за сім днів здати зразки стільця до лабораторії. Виходячи з інформації дослідження, добровольці купували упаковані в пластик їжу та напої, а 6 з них вживали в їжу океанічну рибу.

Мікропластик було знайдено у всіх зразках фекалій. Усього було виявлено 9 видів пластмас, серед них поліпропілен та поліетилентерефталат (ПЕТ), які використовують виробники пластикових пляшок та контейнерів. Це означає, що пластик у вигляді крихітних частинок дістався нашого кишечника.

^{Новонароджена дитина, фотоnaked-science}

Плацента

Італійські вчені взяли зразки у 6 здорових жінок одразу після пологів. Щоб не допустити потрапляння пластику з-поза, акушери працювали в бавовняних рукавичках і використовували металеві інструменти.

В результаті вчені виявили 12 фрагментів мікропластика у 4 жінок. До того ж частки були на плаценті як з боку плода, так і з боку матері. Три частинки виявилися забарвленим поліпропіленом, а решта дев'яти вчених не змогли визначити, але виявили в них пігмент, який використовують для косметики, засобів особистої гігієни, фарб, клею. Знайдений мікропластик був різних кольорів: синього, червоного, рожевого та помаранчевого.

Цей результат отримано щодо всього 4 % плаценти, і це свідчить, що концентрація мікропластику в цілому може бути значно більше.

Достеменно невідомо, як саме мікропластик впливає організм. Вчені припускають, що мікропластик потенційно небезпечний через хімічні речовини, які містяться в деяких його видах. Саме вони можуть накопичуватися в організмі та завдавати шкоди репродуктивній системі, призводити до ожиріння, запалення тканин, затримки розвитку у дітей та зниження імунітету.

Багатьма компаніями ведеться розробка нових способів, які зможуть прискорювати розкладання та здешевлювати процеси переробки пластмас. До таких відносяться нові види пластмаси, яка розпадається за 3 - 6 місяців, такі види пластику називають біорозкладними . На відміну від звичайних, їх виготовляють не з нафтопродуктів, а з крохмалю, жирів, кукурудзи або інших біомас.

Безліч видів переробки пластику ділять на фізичні, термічні, експериментальні та повторне використання.

^{Види пластику, що підлягають переробці, фото: dela}

Фізичні

Механічний рециклінг

Серед фізичних методів найпоширеніший це механічний рециклінг. Спосіб є подрібненням, дробленням і перетиранням пластикових матеріалів для отримання рециклату — полімерного матеріалу, що згодом використовується для виготовлення інших пластмасових виробів.

На першому етапі відходи сортують за типом пластику, станом матеріалу та ступенем забрудненості. Потім етап попереднього дроблення, сортування, миття та сушіння. Наступний етап це обробка в термоустановках та отримання розплаву однорідної консистенції, який називають рециклатом. Згодом вже розплавлений матеріал відправляють в екструдер для формування проміжних гранул або виготовлення вторинної продукції.

^{Механічна переробка пластику, фото: abcbiznes}

Хімічний рециклінг

Внаслідок цього методу з пластмас формуються нові матеріали. Хімічний рециклінг використовується для переробки полімерних молекул, в результаті якого утворюються нові структури, які згодом використовуються як сировина для виробництва нових продуктів.

Багато великих міжнародних компаній, таких як Adidas, Unilever, P&G, Danone and Interface, активно інвестують у розвиток цього напряму. В його основі лежить процес деполімеризації або хімічного руйнування полімерного сполучного.

В результаті хімічної реакції утворюється готова вторинна сировина: полімери, вид пластику; мономери, сировина для виготовлення нового пластику; нафта для виробництва нового пластику та хімічних речовин; основні хімікати, такі як метанол, транспортне паливо для авіації та автомобілів; віск для свічок та крейди; а також синтетична сира нафта.

Безперечною перевагою цього методу є можливість переробляти пластик, коли його поділ для механічного рециклінгу або технічно неможливо, або економічно невигідно. Найчастіше цей метод використовують для переробки забрудненого матеріалу.

^{Поділ, глибоке сортування пластикових відходів, фото з відкритих джерел}

Гідроліз та гліколіз

При гідролізі пластик взаємодіє з водою в кислому, лужному або нейтральному середовищі. В результаті відбувається деполімеризація матеріалу та розщеплення на мономери.

Сільволіз

Сольволіз - це найбільш часто використовуваний метод хімічного рециклінгу. Суть методу полягає у застосуванні широкого діапазону розчинників, температур, тисків та каталізаторів, таких як надкритична вода та спирти.

У ролі каталізатора виступають солі лужних металів. Порівняно з піролізом для процесу сольволізу необхідні нижчі температури. У процесі утворюються відновлене волокно та хімічна речовина, яка згодом може бути використана з комерційною метою.

Метаноліз

В основі методу лежить розщеплення пластмаси за допомогою метанолу в резервуарах із високими температурами. У процесі використовуються каталізатори, такі як магнію ацетат, ацетат кобальту і діоксид свинцю.

Термокаталіз

Процес утилізації пластику компоненти рідкого палива з використанням каталізатора разового дії на основі шламів деяких металургійних виробництв. Спочатку пластмасові відходи подрібнюються, а потім додаванням каталізатора надходять в реактор, де суміш нагрівається понад 400 °C.

Отримана в результаті реакції суміш вуглеводнів подається на спалювання як готове котельне паливо, яке також може застосовуватися як пластифікатор деяких компонентів дорожнього покриття. Далі продукт може бути перероблений з метою одержання бензину, дизеля та мазуту.

Перевага методу - низьке енергоспоживання, а основний недолік - складність контролю процесу та технологічного обладнання через необхідність вести процес при високому тиску.

Термічний

Способи термічної деструкції полімерів за вмістом кисню ділять кілька видів. До них належать: піроліз, метаноліз, газифікація, спалювання.

^{Завод із переробки пластику, фото: equipnet}

Піроліз

Піроліз це найефективніший метод, але й найдорожчий спосіб переробки пластику. Процес є термічним розкладанням пластику при температурі від 300 до 900° C в умовах відсутності кисню. В результаті такого способу відбувається термічне розкладання та вивільнення частинок водню, які містяться у пластиці. Утворюється ряд вуглеводнів, які придатні для використання як основи паливних речовин. В результаті хімічного процесу утворюються газ, теплова енергія та мазут.

В результаті розщеплення пластикових відходів методом піролізу отримують бензинову фракцію, яка може досягати 80% від маси вихідної сировини.

Піроліз руйнує 99% шкідливих складених речовин, які входять до складу пластику, що робить його одним з найбільш екологічних варіантів переробки відходів, проте потребує великої кількості енергії.

Газифікація

Газифікації метод при якому з не сортованого та брудного матеріалу утворюють синтетичний газ, який згодом може бути використаний для будівництва нових полімерів, одержання теплової та електричної енергії, метанолу, електрики, кормових білків та різної біомаси.

Відходи обробляються потоком плазми за нормальної температури 1200 °C, у процесі руйнуються токсичні речовини і утворюються смоли. Згодом сміття перетворюється на попіл, який часто пресують у брикети та закладають у фундамент будівель. Метод газифікації особливо популярний у Японії.

Головна перевага методу – можливість переробляти пластик без сортування. Серед недоліків є висока ймовірність викиду шкідливих газів в атмосферу.

Експериментальні методи

Деполімеризація

Термічна деполімеризація це один із експериментальних фізико-хімічних способів. Він побудований на процесі піролізу з використанням води. В результаті одержують або суміш вуглеводнів, придатних для створення синтетичного палива, або нові пластикові сплави.

У процесі деполімеризації монопластик типу ПЕТ-пляшок розщеплюється назад у мономери, які можуть бути перероблені на нові ПЕТ-матеріали. Термічна деполімеризація дозволяє переробляти змішані види пластиків, проте в результаті хімічної реакції утворюються побічні продукти, які також є небезпечними.

^{Світові масштаби виробництва ПЕТ пляшок, фото: shinglas}

Радіаційний

Радіаційний метод заснований на використанні високоенергетичного випромінювання для руйнування полімерної матриці, причому фізичні характеристики наповнювача залишаються незмінними. Передбачається, що в майбутньому цей досі експериментальний метод стане основним способом утилізації армованого пластику.

Серед недоліків процесу виділяють підвищене радіаційне навантаження на людину та довкілля. Більше того, утилізації піддаються лише тонкошарові пластики.

Розкладання мікробами із шлунка корів

Виявляється бактерії із рубця корови, одного з чотирьох відділів її шлунка, можуть руйнувати пластик.

Дослідники з Австрії припустили, що такі бактерії можуть застосовуватися в переробці пластику, оскільки в раціоні корів є натуральні рослинні поліефіри, а вони мають ідентичну з пластиком структуру.

Вчені розглянули 3 види полімерів: ПЕТ, PBAT та поліетиленфураноат. В результаті з'ясувалося, що всі три пластмаси можна зруйнувати мікроорганізмами зі шлунків корів, причому пластикові порошки руйнуються швидше, ніж пластикова плівка.

Розкладання личинками

Ще одне вирішення проблеми переробки – переробка за допомогою жуків, які широко поширені у Кореї. Личинки жуків із загону жорсткокрилих (Plesiophthophthalmus davidis) можуть розкладати полістирол. Кишкова флора комахи може окислювати і змінювати поверхневі властивості полістирольної плівки.

^{Повторне використання пластику, фото: polymers}

Повторне використання

У вигляді монтажної піни

Метод перетворення біорозкладних пластикових ножів, ложок і виделок на піну, яку можна використовувати як ізоляцію стін або у флотаційних пристроях, розробили в Новозеландії.

Як експеримент вчені помістили столові прилади у спеціальну камеру, заповнену вуглекислим газом. Змінюючи рівень тиску, дослідники спостерігали, як діоксид вуглецю розширився всередині пластику, створюючи піну, надалі вчені отримали пінопласт.

При кожній переробці пластик стає менш міцним. Але для монтажної піни та пінопласту це не має значення.

У вигляді ваніліну

Пластик можна перетворити навіть на ванілін, за допомогою ГМО – бактерій його перетворили на популярний ароматизатор.

Винахід цих бактерій за допомогою генної інженерії було зроблено двома вченими з університету у Шотландському Единбурзі. Бактерії перетворюють терефталеву кислоту на ванілін. Відкриття спиралося на той факт, що обидві речовини мають ідентичний хімічний склад, у зв'язку з чим функціонал бактерій лише в тому, щоб внести незначні зміни в кількість атомів водню і кисню, пов'язаних з тим самим вуглецевим «скелетом».

У вигляді палива та мастильних матеріалів

Також існує спосіб переробки пластику на корисні матеріали. Їх відразу ж можна використовувати як реактивне або дизельне паливо та мастильні матеріали.

Дослідниками з Центру інновацій у галузі пластику при Делаверському університеті (CPI) у США було розроблено метод переробки одноразової пластикової упаковки (ПЕТ пакети, пластикові пляшки, кришки, пакети з-під молока тощо) у реактивне або дизельне паливо та мастильні матеріали .

Для такої переробки використовують новий каталізатор і унікальний процес для швидкого руйнування пластмас, що важко переробляються — поліолефінів. Цей метод особливо цікавий, оскільки поліолефіни становлять 60–70% усіх пластмас, що виробляються сьогодні.

^{Мікропластик.}

Проблеми переробки пластику

Основна складність у процесі переробки пластикових відходів – це висока вартість збору, сортування, очищення та переробки матеріалів. Це з тим, що пластик рідко представлений у «чистому» вигляді, найчастіше це метал з полімерів різних типів.

У сукупності з побутовою забрудненістю відходів, що надходять на переробку, це робить процес сортування та очищення трудомістким та фінансово неокупним. Крім цього, організована система збирання та переробки відходів на сьогоднішній день реалізована лише у розвинених країнах.

Саме ці причини гальмують впровадження на міжнародному рівні практики рециклінгу і більшість пластикових виробів не піддається переробці. У більшості випадків пластик просто викидають у природу, а у разі більш просунутого підходу в розвинених країнах піддається спалюванню.

Сьогодні не так багато досліджень присвячених мікропластику та його впливу на здоров'я, але зовсім не тому, що проблема несерйозна чи недооцінена. Причина в іншому: вчені не можуть проводити досліди на людях та вивчають лише біоматеріали.

Незважаючи на розвиток науки на сьогоднішній день гостро відчувається нестача наукових даних про мікропластику. Для пластику меншого розміру, такого як нанопластик (завширшки менше 0,05 мм), ми знаємо ще менше. Ми не знаємо, які концентрації впливу, і ми мало знаємо про наслідки. Однак ми знаємо, що дуже дрібні частинки інших матеріалів, таких як азбест, або дуже дрібні частинки, які негативно впливають на якість повітря, можуть мати негативні наслідки для здоров'я людини при тривалому вдиханні (при) більш високих концентраціях.

Досі не до кінця відомий його вплив на здоров'я. У 2020 році ВООЗ опублікувала доповідь про вміст частинок пластику у воді, в якій визнала той факт, що обсяг наявної інформації не дозволяє повною мірою зробити висновки про вплив поширення мікропластику та його вплив на довкілля та здоров'я живих істот.