понедельник, 21 сентября 2015 г.

Оксо-биоразложение как оптимальный способ решения экологических проблем

Тема био- и оксобиоразложения очень популярна в России. Об этом пишут федеральные и отраслевые газеты и журналы, этой теме посвящены семинары и конференции. В обсуждениях активно участвуют специалисты и неспециалисты. Но в сфере потребления ситуация оставляет желать лучшего. Спрос растет крайне медленно. Иностранные компании понемногу применяют добавки и продают оксобиоразлагаемую упаковку. Российские компании осторожничают, но проявляют интерес. Возникает ощущение, что производители ждут, когда органы власти начнут регулировать этот процесс. Но судя по тенденциям в законодательной сфере, соответствующие законы и поправки в ближайшее время приняты не будут. 

«МУСОРНАЯ ПРОБЛЕМА» В РОССИИ 


В России проблема борьбы с бытовыми отходамичрезвычайно актуальна. По данным председателя Мособлдумы Игоря Брынцалова, ежегодно в нашей стране размещается более 50 млн т бытовых отходов. Из них 10 млн т приходится на Московскую область. 


Основным способом утилизации является полигонное захоронение. Попытки перенять мировой опыт по раздельному сбору и переработке мусора пока не дали видимых результатов. В стране работает менее 400 предприятий по сортировке и утилизации ТБО и 1 092 мусорных полигона. На индустриальную переработку отходов не перешел ни один из регионов. Рынок вторичного сырья практически не развит. Из всего объема образующегося мусора лишь 4–5 % перерабатывается. Остальное либо так и остается на полигонах, либо сжигается. Например, в Москве собирают полиэтилен, стекло, бумагу и картон. Все, что невозможно переработать, вывозится в Московскую область на захоронение либо направляется на мусоросжигательные заводы. 

В европейских странах мусоросжигательные заводы оснащены дорогостоящими мощными фильтрами и специальными очистными сооружениями, чтобы не навредить экологии и здоровью проживающих вблизи людей. При этом ведущие переработчики научились извлекать пользу из сгорающего мусора, перерабатывая полученную энергию в электрическую. 
Российские специалисты получать электроэнергию таким способом пока не умеют, мусор они просто сжигают. И, как показывает опыт, в погоне за экономией зачастую не соблюдают нужных технологий очистки.

А чтобы избежать жалоб от местного населения, стараются работать по ночам. 
Так, например, происходит в подмосковном Нахабине. В последнее время жители постоянно чувствуют запах едкого удушливого дыма по вечерам, который распространяется от мусоросжигательного завода, построенного недавно. В подмосковных Люберцах также регулярно проходят митинги с требованием 
о закрытии мусоросжигательного завода «Эколог». 

Так что вопрос, что больше вредит экологии – мусорные свалки или токсичные продукты горения в воздухе, – остается открытым. 

ЗАКОНОДАТЕЛЬНЫЕ ИНИЦИАТИВЫ 

Законодательные инициативы также вызывают вопросы. В последнее время активно обсуждают поправки к Федеральному закону № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления», но их принятие пока откладывается. Существующие законы и законопроекты (ФЗ «Об отходах производства и потребления» [1], законопроект «Об упаковке и упаковочных отходах» ) направлены на повышение ответственности производителей за утилизацию отходов

Но является ли такой подход эффективным? Предприятия уже платят за негативное воздействие на окружающую среду. К тому же отобранные полимерные отходы никто не выбрасывает, так как это ценное сырье. 
Основным источником пластикового мусора являются не предприятия, а население. Именно частные лица оставляют пакеты, одноразовую посуду на улицах городов, в парках, лесах, на берегах водоемов и в других местах. И в этом отношении вопрос утилизации стоит очень остро. Названные законодательные инициативысудя по всему, на частных лиц повлияют мало. Какие еще способы решения обсуждаются? Их немного. Это частичный запрет на полиэтиленовую упаковку (например, толщиной до 12 мк). Или, как предлагает РСПП, запрет выдачи бесплатных пакетов. Но, как показывает международный опыт, такой подход также нельзя назвать эффективным. 

Так, налог на полиэтиленовые пакеты, введенный в Ирландии, повлек за собой. . . значительное увеличение количества (на 300–500 %) пластиковых мешков для мусора! А запреты пакетов в разных странах приводили к некоторому снижению продаж и увеличению числа краж при обслуживании в розничной торговле. 

К тому же вклад полимерных отходов в общемировое загрязнение не так уж и весом. По данным производителей биоразлагаемых материалов, полимерные отходы составляют менее 1 % от общего количества мусора на улицах, берегах водоемов, в парках, лесах, на трассах и меньше чем 0,5 % от того, что находится на свалках. При этом при производстве и утилизации альтернативных видов упаковки (например, бумажной или изготовленной из органического сырья) в атмосферу и воду выбрасывается гораздо больше вредных веществ и парниковых газов, чем при производстве традиционных пластиковых изделий. 

А сами альтернативные виды упаковки не столь удобны и функциональны. В полиэтиленовом пакете весом около 7 г можно переносить до 20 кг, то есть более чем в 2 500 раз больше собственного веса. Бумажный пакет весит примерно в 6 раз больше пластикового, в 4 раза дороже и занимает в 10 раз больше места при хранении. 
Можно приводить еще множество доводов, подтверждающих очевидный факт: пластиковая упаковка стала неотъемлемой и незаменимой частью нашей бытовой жизни. Запреты или ограничения на ее использование не приводят к желаемому результату и не могут быть эффективным способом решения «мусорной» проблемы. Бороться с привычкой наших соотечественников бросать пакеты «где придется» можно двумя основными способами:

  • раздельно собирать и перерабатывать мусор;
  • делать полимерную упаковку, одноразовую посуду и другие изделия оксобиоразлагаемыми.

ОПТИМАЛЬНЫЙ ВЫХОД 


Почему же оксобиоразложение можно назвать оптимальным способом решения экологических проблем? 

Во-первых, он самый низкозатратный и технологичный (например, по сравнению с биоразлагаемыми компостируемыми пластиками , изготовленными из органического сырья). При производстве оксобиоразлагаемых пластиков используют крупнотоннажные полимеры ПЭ, ПП, которые модифицируются (включают специальную добавку-катализатор) на стадии производства изделия методом экструзии или литья. Процесс производства изделий не требует изменения технологий или специального оборудования. 
Во-вторых, такая упаковка разлагается в обычных условиях: на городских улицах, свалках, в земле или в воде. Не нужны никакие специальные условия. Нужен только кислород (для первой стадии) и для запуска процесса – ультрафиолетовое излучение и некоторые другие механические и температурные факторы. 
В-третьих, доказана экологическая безопасность оксобиоразлагающих добавок и конечных продуктов разложения. 

Технология оксобиоразложения была открыта, исследована и впервые применена на практике канадской компанией EPI (Environmental Technologies Inc.) в 1992 г. В нашу страну оксо-биоразлагающие добавки первой стала поставлять российская компания ООО «Интернешнл Пластик Гайд» в 2006 г. 

Первым отечественным производителем, изготовившим оксобиоразлагаемый пакет, стало ООО «Евробалт» (Санкт- Петербург). Вслед за ним по данной технологии начали работать уже многие российские компании: ООО «Пропластик», ЗАО «Тико-пластик » , ООО «Кенгуру » , ООО «Спринт-пласт» и др. 

ТОНКОСТИ ТЕХНОЛОГИИ 

Оксобиоразложение – это двухстадийный процесс. Первая стадия – разложение при окислении. Под действием добавки-катализатора длинные молекулярные цепи с гидрофильной поверхностью распадаются на короткие, имеющие гидрофобную поверхность (рис. 1). Вторая – биоразложение. Бактерии легко атакуют такой разрушенный пластик и превращают его в том числе в биомассу, полезную для почвы. 

Почему же обычный пластик становится пищей для микроорганизмов? Основной питательной средой для них служит углерод. Поскольку полимеры состоят в основном из углерода, бактерии активно потребляют его и перерабатывают в углекислый газ, воду и биомассу. 
Казалось бы, чудо-пластик «тает» и превращается в безопасные для экологии элементы. Но это научный факт, подтвержденный и производителями, и известными экспертами. 

Впервые независимая экспертиза оксобиоразлагаемых полимеров была проведена научно-исследовательской группой департамента химии и индустриальной химии Университета Пизы (Италия), которую возглавлял профессор Эмо Чьеллини [2]. 
Специалисты более трех лет изучали полиолефины, в состав которых входили биоразлагаемые композиции TDPA® (Totally Degradable Plastic Additive) компании EPI. Были исследованы в основном образцы отдельных типов и марок ПЭ в сочетании с различными биоразлагающими добавками. Образцы помещались в почву или компостные сооружения. Полиэтиленовые пленки ПЭНП (LDPE) и ЛПЭНП (LLDPE) показывали высокую способность к окислению. В результате этого углеродные цепи разбивались на все более и более мелкие молекулы.


         




Пленки становились хрупкими и распадались на мелкие частицы. Скорость разложения зависела от температ уры и относительной влажности. Она росла с увеличением температуры и уменьшением относительной влажности.
Как показали исследования профессора Чьеллини, окисленные частицы пластика становились гидрофильными и при захоронении в земле или при нахождении в компосте поедались микроорганизмами. В результате биоразложения образовывались продукты в таких пропорциях: 65–75 % минеральных веществ (с помощью микробов углерод преобразовывался в углекислый газ) и 10–15 % клеточной биомассы (рис. 2). Сроки образования конечных продуктов зависели от степени окисления пластиковых фрагментов и от условий окружающей среды. 

Образцы ПЭ с добавками TDPA проявляли способность к биодеградации в тех условиях, в которых обычный ПЭ инертен. Профессор Эмо Чьеллини подтвердил, что пленки со специальными добавками, которые были исследованы в его лаборатории, могут быть классифицированы как оксобиоразлагаемые. Процедура его исследования соответствовала положениям ASTM Standard Guide D6954-04 (полное название «Экспонирование и исследование пластиков, которые разлагаются в окружающей среде при сочетании окисления и биодеградации»). 

РАЗЛОЖЕНИЕ НА МУСОРНОМ ПОЛИГОНЕ 

Не так давно сотрудники научной лаборатории EPI завершили исследование процесса разложения упаковки на мусорных свалках. Они испытывали изделия с оксобиоразлагающими добавками на нескольких континентах, в разных климатических зонах.
Как известно, внутри мусорного полигона кислород сохраняется в течение примерно трех лет. Поэтому нужна высокая скорость разложения полимера, чтобы уложиться в этот отрезок времени, иначе полимер останется в толще отходов, лишенной кислорода, и разложение прекратится. Исследования показали, что упаковка с добавками TDPA® разлагается на кусочки в течение 10 месяцев с момента захоронения отходов на свалке (рис. 3). 

Для второй стадии разложения – с помощью микроорганизмов или биодеградации – кислород не обязателен. Поэтому такой окисленный пластик в дальнейшем успешно разложится до конца.
Ученые в лабораторных условиях воспроизвели процесс разложения внутри свалки и исследовали пакеты с добавками других производителей. 
Таких производителей немного – всего 8 крупных компаний. По заданным условиям, если изделие не разложится на кусочки в лабораторных условиях в течение 20 дней, значит, оно не успеет разложиться в глубине свалки до момента, когда закончится кислород, и не будет пригодно для стадии биоразложения (рис. 3). 

Результаты этого исследования показывают, что упаковка с добавками других ведущих производителей внутри свалки не успевает разложиться. Такие изделия смогут деградировать только на поверхности мусорного полигона. 

РАЗЛАГАЮТСЯ ЛИ ИЗДЕЛИЯ ИЗ ПС? 

На сегодняшний день биоразлагаемыми делают многие изделия повседневного спроса из ПЭ и ПП. Это пакеты, одноразовая посуда, палочки и обертка для леденцов, коробки для тортов, упаковочная пленка и многое другое (рис. 4). Но до сих пор нет оксобиоразлагаемых изделий из полистирола (ПС). Это не случайно. По результатам многочисленных исследований ПС поддается только оксодеградации, то есть распадается на кусочки, и совсем не поддается биодеградации, так как его не поедают бактерии. Надо относиться с осторожностью к тем производителям, которые обещают, что их добавки разложат изделия из данного полимера. Также можно назвать неоправданными заявления тех производителей, которые обещают, что один вид добавок пригоден для разложения сразу нескольких полимеров: ПЭ, ПП, ПС. В арсенале основных мировых производителей (EPI, Willow Ridge, Symphony, Wells и др.) есть несколько десятков видов добавок, которые подбираются в зависимости от полимера, конечного назначения, наличия функциональных добавок при производстве изделия и других факторов. 

КАК ВЕДУТ СЕБЯ КУСКИ РАЗЛОЖИВШЕГОСЯ ПЛАСТИКА? 


Многих специалистов да и просто интересующихся людей волнует вопрос: как будут вести себя куски разлагающегося пакета - не будут ли они летать в воздухе и не станет ли это еще большей проблемой, чем валяющиеся на земле целые пакеты? Как уже говорилось, окисленный пластик (кусочки изделия) имеет гидрофильную, то есть способную к смачиванию, поверхность, которая будет цепляться за неровности почвы. Благодаря этому фрагменты изделия практически не будут разноситься вокруг. 


Кроме того, специалисты Университета Суссекса в Великобритании изучили, как поведут себя мельчайшие частицы пластика после первой стадии биоразложения. Не вредно ли для человека их присутствие в воздухе? Руководитель кафедры химии профессор Норман Билингхем [3] сделал следующее заключение: «В атмосфере существует много различных включений, в том числе аэрозольные взвеси. Большинство из них – это песок пустынь, вулканическая пыль, частицы соли и продукты человеческой жизнедеятельности. Это около 3×109 натуральных и 3×108антропогенных (выработанных человеком) частиц в год. Больше всего в аэрозольных взвесях растительных частиц, которые являются пылью, оставшейся после разложения растений. Они намного более токсичны, чем любой возможный продукт разложения ПЭ». Пластиковый пакет, который содержит оксобиоразлагающую добавку в нужной дозировке (не менее 1 %), в предусмотренное время начинает разлагаться. Этот процесс происходит стремительно и существует большая вероятность быстрого исчезновения остатков. Нет никаких фактов, подтверждающих токсичность оксодеградирующих пластиков. Нет никаких фактов, которые бы говорили, что пластиковые фрагменты, частицы в принципе токсичны и тем более что они вреднее (токсичнее) частиц растительного происхождения, находящихся в окружающей среде. Билингхем пишет: «Таким образом, мы можем заключить, что оксодеградирующие фрагменты полиэтиленовых и полипропиленовых полимеров должны иметь ничтожный эффект воздействия на среду по сравнению с частицами, присутствующими в воздухе, которым мы дышим». 

ДАЖЕ ЛИСТЬЯ ДУБА НЕ СООТВЕТСТВУЮТ СТАНДАРТАМ КОМПОСТИРОВАНИЯ 

Как известно, существуют два способа биоразложения полимеров. Это оксобиоразложение, о котором говорилось ранее, и гидробиоразложение. Гидробиоразлагаемые полимеры чаще всего изготовлены из растительного сырья (кукурузы, тростника и др.). Для их производства требуется специальное оборудование, а для утилизации – промышленные компостные сооружения. Но в обоих случаях конечными продуктами деградации являются углекислый газ, вода и биомасса. 

У оксобиоразлагаемых полимеров есть значительные преимущества по сравнению с гидробиоразлагаемыми. Это доступность сырья, простота и дешевизна технологии, возможность разложения изделия в естественных условиях. 

Главным аргументом противников технологии оксобиоразложения стало то, что оксобиоразлагаемые полимеры не соответствуют существующему стандарту компостирования (ASTM D6400), по которому биоразлагаемый пластик обязательно должен разложиться в течение 180 дней. Чтобы возразить своим оппонентам, производитель оксобиоразлагающих добавок процесс разложения такой упаковки сравнили с процессом разложения листьев дуба. Природные листья разлагаются в течение 1 года. Упаковка с оксобиоразлагающими добавками – в течение 1,5–2 лет при нахождении на свалке или в почве. И оба эти материала не соответствуют стандарту компостирования ASTM D6400 с его жестким сроком 180 дней (рис. 5). Это стандарт исключительно для пластиков из органического сырья, а никак не для оксобиоразлагаемых и даже природных материалов. Этот главный аргумент противников технологии оксобиоразложения, которые настаивают на том, что не надо создавать отдельных стандартов для новой технологии оксобиоразложения, а тестировать по существующим стандартам для компостирования, не выдерживает критики. 

Оксобиоразлагаемые пластики тестируют по другим методикам. Для первой стадии разложения на данный момент действует несколько стандартов, например ASTM D5272 Standard Practice for Outdoor Exposure Testing of Photodegradable Plastics (стандартная методика для тестирования фотодеградирующих пластиков, находящихся на открытом воздухе), ASTM D5208 Standard Practice for Fluorescent Ul traviolet (UV) Exposure of Photodegradable Plastics (стандартная методика для тестирования фотодеградирующих пластиков, находящихся при люминесцентном освещении) и др. 

Для второй стадии – ASTM D6954-04 Standard Guide for Exposing and Testing Plastics that Degrade in the Environment by a Combinat ion of Oxidat ion and Biodegradation (стандартная методика для экспозиции и тестирования пластиков, которые разлагаются в окружающей среде при сочетании окисления и биодеградации) или аналогичные стандарты. 

ПРЕДСТАВИТЕЛИ КОНКУРИРУЮЩИХ ОТРАСЛЕЙ УСИЛИЛИ НЕДОБРОСОВЕСТНУЮ ПРОПАГАНДИСТСКУЮ КАМПАНИЮ 

Несмотря на более чем 20-летний рок применения добавок и сильную научную базу, оппоненты не оставляют попыток найти слабые места в данной технологии. 
В марте текущего года руководители компании-разработчика вынуждены были выступить с официальным заявлением. В нем говорится, что представители конкурирующих отраслей усилили недобросовестную пропагандистскую кампанию, аргументируя свои доводы безосновательными утверждениями, которые противоречат объективным научным данным. Так, некоторые специалисты заявляют, что «в естественной среде так называемые оксобиоразлагаемые пластики не подвергаются полному биологическому разложению, а лишь трансформируются в микрочастицы вторичных пластиков. Таким образом, употребление термина «биоразлагаемые» по отношению к данным материалам некорректно, поскольку фактически их фрагментация лишь превращает видимые отходы в невидимые загрязнения». 

Руководители компании-разработчика категорически опровергают это предположение. В действительности в процессе разложения оксобиоразлагаемые материалы полностью перерабатываются в формы, поглощаемые и усваиваемые природными микроорганизмами. Об этом неопровержимо свидетельствуют многочисленные научные исследования высокого уровня. Это и исследования Эмо Чьеллини, о которых говорилось ранее, и недавние исследования шведской группы ученых под руководством Якубовича [4] (SP Technical Research Ins t i tute of Sweden). Последние наблюдали процесс биоразложения в почвенной среде. В течение двух лет конверсия составила 91 % [4] К тому же оксобиоразлагающие добавки к пластикам обычно тестируются на соответствие стандартам BS8472 (Великобритания), ASTM D6954 (США) и AFNOR Accord T51808 (Франция), являясь, таким образом, высококачественными и экологически безвредными продуктами. 

Также конкуренты часто указывают, что данные добавки обычно представляют собой соли металлов. Термин «соли металлов» употребляется в техническом контексте; под ним подразумеваются соли натрия. Следует сказать, что наиболее распространенное соединение натрия, известное как поваренная соль, также подпадает под определение «соли металлов». Ведущие производители оксобиоразлагающих добавок подтверждают, что их продукция не содержит ни солей тяжелых металлов, ни каких-либо других экологически вредных компонентов. Окс-биоразлагаемые материалы производятся в соответствии с теми же стандартами экологической безопасности (например, EN13432) и экотестами на токсичность, какие применяются в производстве компостируемых пластиков. Кроме того, оксобиоразлагающие добавки в течение длительного времени используются для изготовления пленки, применяемой в сельском хозяйстве для мульчирования, и до сих пор не зафиксировано ни одного случая их биологической опасности или негативного влияния на плодородие почв. Таким образом, ни оксобиоразлагающие добавки, ни продукты биоразложения с их участием не являются токсичными. 

Производители оксобиодобавок Руководители компании-разработчика считают, что технология производства оксобиоразлагаемых полимеров стала жертвой преднамеренной дезинформации. По их мнению, ирония ситуации заключается в том, что единственными источниками ложной информации, дискредитирующей данную технологию, являются ни на чем не основанные заявления лоббистов, защищающих коммерческие интересы конкурирующих отраслей. 

В официальном заявлении говорится: «Ограничения в использовании оксобиоразлагаемых технологий нанесут ущерб нашей экологии, в первую очередь потому, что эти технологии предлагают возможности широкого применения доступной и незатратной стратегии минимизации отрицательного воздействия пластиковых отходов на окружающую среду». 

РЫНОК ОКСОБИОРАЗЛАГАЕМЫХ ПОЛИМЕРОВ 

На сегодняшний день уже более 90 стран мира используют биоразлагаемую упаковку, контейнеры, пленку. 
Такие изделия производят в Америке, Европе. Но особое распространение технология получила в азиатских и африканских странах. В силу невысокого уровня культуры и невозможности использовать другие способы борьбы с пластиковым мусором (например, раздельный сбор), данный метод в этих регионах стал единственно возможным путем решения проблемы. В некоторых странах на государственном уровне запретили производство, импорт и использование традиционных пакетов и оставили только разлагаемые. Это Руанда, Эритрея, Занзибар и др. 


В России в силу отсутствия законодательной поддержки и других причин спрос на биоразлагаемые изделия растет крайне медленно. Например, в 2013 г. было потреблено всего около 16 т оксобиоразлагающих добавок. Эта цифра составляет менее 1 % от объема потребления на мировом рынке. Совокупный объем потребления во всех странах – более 2 тыс. т в год. 

Но потенциал у рынка гораздо выше. По оценкам экспертов, в перспективе емкость мирового рынка оксобиоразлагающих добавок может составить 10 % от рынка гибкой упаковки. Последний на сегодняшний день, по оценкам компании Smithers Pira, достиг объема 24,3 млн т. То есть рынок оксо-биоразлагаемой упаковки мог бы составлять 2,4 млн т, а добавок для ее изготовления – 24 тыс. т.