پلاستیک ها در دهه های اخیر به جهت خواص مکانیکی بالا، انعطاف پذیری، مقاومت در برابر نفوذ مواد، مقاومت و دوام شیمیایی بالا، دسترسی زیاد و تنوع بالا در فرایند پذیری جایگاه مهمی در صنعت پیدا کرده اند. برای مثال در صنعت بسته بندی با جایگزینی پلاستیک ها با مواد سنتی (کاغذ) ضمن بهره وری از خواص بهتر، قیمت کمتر و ساخت راحت تر، از تخریب جنگل ها جلوگیری و به حفظ محیط زیست نیز کمک می شود. اما از چالش های اصلی صنعت پلاستیک مدیریت ضایعات و زباله های پلاستیکی است. سه راه حل برای مدیریت پسماندهای پلاستیکی ارائه و اجرا می شود.
- بازیافت استفاده مجدد (مکانیکی و شیمیایی)
- بازیافت تولید انرژی
- بازیافت بیولوژیکی
در بازیافت مکانیکی، پسماند پلاستیکی پس از جمع آوری و جداسازی خرد شده و مجدد فراورش می شود. قطعاتی که از مواد بازیافتی در این روش تولید می شوند عموما خواص و کیفیت مواد اولیه تازه را ندارند و در صنایع غذایی نیز قابل استفاده نمی باشند. به علاوه در صورت رنگی بودن مواد بازیافتی، استفاده مجدد از آن ها بسیار محدود تر است. در بازیافت شیمیایی پسماند پلیمری در شرایط فرایندی خاص تبدیل به کوچک مولکول و اجزای سازنده آن می شود. سپس از آن ها در تهیه مجدد پلیمر و یا دیگر کاربرد های شیمیایی استفاده می شود. همچنین در بازیافت شیمیایی قابلیت جداسازی اجزایی همچون پرکننده ها نیز وجود دارد. اما بازیافت شیمیایی روشی گران قیمت و با تکنولوژی محدود و نسبتا گران قیمت است و برای هر نوع ضایعاتی قابل استفاده نیست.
در روش دوم، به دلیل ساختار هیدروکربنی پلیمرها، پسماند جهت سوزاندن و تولید انرژی در کوره های صنعتی به کار می رود. این روش به دلیل تولید آلاینده های سمی و مخرب روشی موثر و مفید نبوده و مضرات زیادی به همراه دارد.
هر دو روش بالا دارای یک محدودیت مشترک تحت عنوان جمع آوری و جداسازی هستند. با توجه به استفاده گسترده از پلاستیک های با کاربری عمومی (به عنوان مثال پلی الفین ها) خصوصا در صنایع بسته بندی و محصولات یک بار مصرف، تجمیع پسماند این محصولات به طور کامل مقدور نبوده و سالانه حجم زیادی از آن ها در طبیعت رها می شوند. به همین دلیل روش سوم که بازیافت بیولوژیکی و تخریب پلیمرها و تبدیل آن ها به مواد بی اثر توسط عوامل طبیعی زنده و غیر زنده است، راهکار موثری جهت حذف زباله های رها شده در طبیعت خصوصا زباله های بسته بندی با هدف حفظ محیط زیست می باشد.
تجزیه زیستی پلیمرها در طبیعت
یکی از خواص پلیمر هایی همچون پلی اتیلن و پلی پروپیلن مقاومت بالا در برابر تخریب توسط عوامل محیطی مانند اکسیژن است. اما در واقع با وجود اینکه طول عمر کاربری این قطعات در معرض اکسیژن و عوامل محیطی بالا است، تخریب و افت خواص پدیده ای حتمی در پلیمرها هر چند با سرعت بسیار کم به شمار می رود. شکل زیر مکانیزم تخریب پلی اتیلن در معرض اکسیژن، گرما و یا اشعه فرابنفش (شرایط محیطی) را نشان می دهد. اکسیژن ضمن واکنش با زنجیرهای پلیمر باعث تشکیل گروه های کربونیل شده که این پدیده باعث پارگی زنجیر، افت وزن مولکولی آن ها می شود. با بررسی شاخص کربونیل توسط آزمون FTIR می توان پیشرفت فرایند تخریب پلیمر را بررسی کرد.
شکل 1) مکانیزم تخریب اکسایشی پلیمرها
شکست زنجیرهای پلیمر در اوایل فرایند تخریب موجب کاهش گره خوردگی زنجیرها و افت خواص مکانیکی می شود. مدت زمان وقوع این پدیده که برای پلاستیک خالص بسته به ساختار مولکولی و شرایط محیطی بین چند ماه تا چند سال رخ می دهد، مشخصه انبار داری (shelf life) نامیده می شود. پس از گذشت از زمان انبار داری ماده اولیه یا قطعه پلاستیکی کاربری خواص و ویژگی های مطرح شده در برگه اطلاعات فنی آزمایشگاه را نداشته و برای استفاده از آن باید احتیاط های لازم را انجام داد. در صورت استفاده از افزودنی های آنتی اکسیدان (anti-oxidant) زمان عمر قطعه و طول انبار داری آن افزایش می یابد. آنتی اکسیدان ها مواد فعالی هستند که سرعت اکسایش آن ها بسیار بیشتر از اکسایش پلیمرهاست. با افزودن آن ها به پلیمر، آنتی اکسیدان در رقابت با پلیمر جهت اکسایش پیشی گرفته، تخریب ماده اولیه و محصول پلاستیکی را به تاخیر می اندازد و خواص محصول را حفظ می کند. شکل 2 نمودار تغییر وزن مولکولی، استحکام، درصد کشش شکست و شاخص کربونیل که نشان دهنده میزان اکسایش پلیمر و تخریب آن است را نشان می دهد. در این شکل محدوده سمت چپ بازه زمانی انبارداری، بخش وسط زمان نهایی قابل استفاده بودن ماده یا قطعه پلاستیکی و بخش سمت چپ مربوط به زمان تخریب قطعه و گذر از زمان انقضا محصول است.
شکل 2) نمودارهای تقریبی تغییرات وزن مولکولی، استحکام و درصد کشش شکست پلیمرها بر حسب زمان
با ادامه اکسایش پلاستیک (پسماند پلاستیکی در طبیعت) تعداد گروه های کربونیل بیشتر شده و زنجیرها کوچک تر می شوند. در نهایت درشت مولکول های پلیمری تبدیل به کوچک مولکول های آلی مثل الکل، استر و اسید می شوند. مواد آلی به جا مانده تغذیه مناسبی برای میکروارگانیسم ها هستند که این مواد را کاملا تجزیه و تبدیل به مواد بی اثری چون آب و CO2 می کنند. شکل 3 تصاویر میکروسکوپ الکترونی با ابعاد مختلف از سطح یک فیلم در حال تجزیه توسط باکتری ها را نشان می دهد. فرایند تجزیه زنجیرهای پلیمر به کوچک مولکول های آلی (اکسایش) به خودی خود بین 100 تا 400 سال به طول می انجامد. در حالی که زمان تغذیه شدن کوچک مولکول ها توسط میکرواورگانیسم ها در حد چند ماه است. نکته قابل توجه این است که پس از تخریب اولیه و از بین رفتن خواص مکانیکی پسماند پلاستیکی، آن ها به شکل ذرات و قطعات ریز در آمده و به راحتی در خاک، آب و دریا پخش می شوند. از آنجایی که زمان تخریب کامل آن ها بسیار زیاد است، وجود این ذرات پلاستیکی مقاوم آثار زیان باری بر محیط زیست دارد.
شکل 3) تصاویر میکروسکوپ الکترونی از تخریب و تجزیه سطح فیلم پلیمری توسط باکتری ها.
با توجه به زمان بسیار طولانی بازیافت بیولوژیکی پلاستیک ها، این روش در ظاهر برای از بین بردن پسماند پلاستیکی در طبیعت مناسب نیست. اما در دو دهه اخیر نسل جدیدی از افزودنی های هوشمند تحت عنوان اکسا-زیست تخریب پذیر (Oxo-biodegradable) این روش را ممکن کرده است. این افزودنی که از نمک های فلزی تشکیل شده، عملکرد کاتالیزوری داشته و سرعت اکسایش و تخریب پلاستیک ها را تا 90 برابر حالت عادی تسریع می کند. در واقع عملکرد این افزودنی عکس عملکرد آنتی اکسیدان ها که تاخیر انداز اکسایش پلیمرها هستند می باشد. یکی از نمونه های تجاری شده آن، افزودنی d2w ساخت شرکت symphony است. d2w مناسب برای زیست تخریب پذیر سازی پلی اتیلن و پلی پروپیلن بوده و با افزودن درصد بسیار کمی از آن به مواد اولیه، باعث تخریب پسماند پلاستیکی بین یک تا سه سال پس از رهاسازی آن در طبیعت می شود. لازم به ذکر است که این افزودنی تاثیر مخربی بر خواص محصول نهایی و نوع فراورش آن ندارد. به همین جهت با استفاده از چنین افزودنی هایی می توان ضمن ارائه محصول با کیفیت و بی ضرر، به حفظ محیط زیست نیز کمک کرد.
جهت بررسی و آزمایش عملکرد زیست تخریب پذیری افزودنی، از آنجایی که در حالت عادی آزمایش زمان بر و عملا غیر قابل انجام می باشد، از روش های شبیه سازی شرایط محیطی و شتابدهی سرعت تخریب استفاده می شود. برای انجام آزمایش دو نمونه که یکی خالص و دیگری حاوی افزودنی است در انتخاب می شوند. سپس از یکی از دو روش حرارت دهی در دمای حدودا 70 °C یا تابش اشعه فرابنفش برای شبیه سازی پر سرعت شرایط تخریب استفاده می شود. پس از 5 تا 9 روز از اعمال شرایط تخریب، آزمون هایی مثل کشش، MFI و FTIR روی دو نمونه انجام می گیرد. نمونه حاوی افزودنی اکسا زیست تخریب پذیر افت شدیدی در خواص مکانیکی داشته و معمولا به علت ضعف زیاد نمونه آزمون های خواص مکانیکی بر آن قابل انجام نبوده و یا در مقایسه با نمونه خالص به شدت تخریب رشده است. در آزمون MFI نیز به علت شکست زنجیرها و کاهش گره خوردگی آن ها با هم، مقدار MFI به چند برابر می رسد. به وسیله آزمون طیف سنجی مادون قرمز (FTIR) می توان مقدار گروه های کربونیل را بررسی کرده که در نمونه حاوی افزودنی میزان گروه های کربونیل بسیار بیشتر است.
نتیجه گیری
با توجه به توضیحات گفته شده می توان گفت که حجم زیادی از ضایعات پلاستیکی که عموما در صنایع غذایی و بسته بندی به کار می روند، عملا قابل جمع آوری و بازیافت نیستند. به همین دلیل پس از استفاده به عنوان پسماند در طبیعت رها شده که آسیب های زیادی برای محیط زیست به همراه دارد. استفاده از افزودنی اکسا-زیست تخریب پذیر باعث تسریع در فرایند اکسایش و در نهایت تخریب بیولوژیکی پسماند پلاستیکی شده و راه حل مفیدی جهت جلوگیری از گسترش زباله های پلاستیکی در طبیعت است. این روش برای مدیریت پسماند پلاستیک ها و حفظ محیط زیست به عنوان روشی کارامد و تجاری در دنیا شناخته شده است.
منابع
[1]. D. Wiles a and G. Scott, Polyolefins with controlled environmental degradability, Polymer Degradation and Stability 91 (2006) 1581-1592.
[2]. S. Bonhommea, A. Cuerb, A-M. Delortb, J. Lemairea and M. Sancelmeb, Environmental biodegradation of polyethylene, Polymer Degradation and Stability 81 (2003) 441–452.
[3]. Scott G. (2002) Degradable Polymers: Principles and Applications 2nd Edition, DOI 10.1007/978-94-017-1217-0
[4]. M. M. Reddy, M. Deighton, Rahul K. Gupta, S. N. Bhattacharya and R. Parthasarathy, Biodegradation of Oxo-Biodegradable Polyethylene, Journal of Applied Polymer Science 111, (2009) 1426–1432.