XIV Міжнародна наукова інтернет-конференція ADVANCED TECHNOLOGIES OF SCIENCE AND EDUCATION (19-21.04.2018)

Русский English




Научные конференции Наукові конференції

к. ф.-м. н., Караван Ю.В., Ташак М.С. БІОДЕГРАДАЦІЯ СИНТЕТИЧНИХ МАТЕРІАЛІВ

к. ф.-м. н.  Караван Ю. В., Ташак М.С.

Львівський інститут економіки і туризму

БІОДЕГРАДАЦІЯ СИНТЕТИЧНИХ МАТЕРІАЛІВ

У зв'язку зі значним навантаженням на охорону довкілля, все більше робіт дослідників присвячені отриманню синтетичних матеріалів, які після використання підлягали б біодеградації.

Біодеградація є процесом розкладу синтетичних полімерів під впливом мікроорганізмів (наприклад, бактерій, дріжджів, грибів, плісняви) при відповідних температурі та вологості повітря. Зокрема, внаслідок біодеградації порошків для прання чи розчинів для миття посуду шкідливі сполуки, що містяться в цих продуктах, розкладаються на нешкідливі.

Існує також поняття фотодеградації, коли функції мікроорганізмів чи грибів виконує ультрафіолет, який міститься в сонячному світлі і розкладає деякі синтетичні матеріали. Із таких матеріалів виготовляють, наприклад, одноразові столові прибори.

Полімери можуть повністю піддаватися біодеградації з виділенням карбон двооксиду, амоніаку, метану та води або частковій біодеградації, наприклад, одного зі складників синтетичного матеріалу. У такому разі маємо справу з біорозкладом.

Процес біорозкладу характерний для багатокомпонентних полімерів, де біодеградації підлягають допоміжні складники, наприклад, крохмаль чи целюлоза.

Сприятливими для процесів біодеградації в природному середовищі є: відповідна хімічна будова; відповідна фізична структура; менша молекулярна маса; більша водопоглинаюча здатність полімеру; відсутність сіткових зв'язків в полімері.

Перерахованим умовам у значній мірі відповідають полімери натурального походження, наприклад,  крохмаль, целюлоза, натуральний шовк, які внаслідок дії ферментів, мікроорганізмів ззовні або всередині клітин піддаються біодеградації. Синтетичні полімери проявляють  дуже диференційовану схильність до біодеградації і в переважній більшості несприйнятливі до неї.

Природа в різний спосіб справляється з різними відходами. Органічні субстанції, наприклад, овочі та фрукти, розкладаються дуже швидко. Однак шкірки від помаранчів чи бананів вимагають більше часу, ніж недогризок яблука, оскільки містять субстанції, яких не знають бактерії, що присутні в нашому кліматі.

З огляду на те, як вони піддаються атаці  мікроорганізмів, доступні на ринку полімери поділяють на декілька груп:

─ недеградуючі полімери, які цілковито відпорні до дії біологічних елементів;

─ біодеградуючі полімери ─ тобто такі, які під впливом мікроорганізмів повністю мінералізуються;

─ біодисперсні, які є сумішшю недеградуючих та біодеградуючих полімерів.

До біодеградуючих сполук відносять матеріали, які піддаються повній мінералізації протягом 180 днів. Першою групою біодеградуючих полімерів є природні полімери. Джерелом цих полімерів є рослинні чи тваринні організми або мікроорганізми. Найпоширенішим полімером рослинного походження є целюлоза.

Більшість традиційних синтетичних матеріалів, які виробляють сьогодні, відпорні до впливу таких факторів як атмосфера, вода, грунт, випромінювання, температура. Саме ці властивості синтетичних матеріалів, внаслідок багаторічної модифікації їхніх властивостей, стали найбільшою проблемою. Тому спостерігається підвищений інтерес промисловців та споживачів до матеріалів, які після короткої експлуатації можуть розкладатися.

Розрізняють три основні механізми розкладу полімерів: фотохімічний, біологічний та хімічний.

Фотодеградації підлягають синтетичні полімери, що містять фрагменти, які абсорбують ультрафіолетові промені або добавки, чутливі до цих променів, які додаються до полімерів в кількості 0,1-1 % маси. З економічних міркувань виробляють та використовують лише такі полімери, які мають здатність абсорбувати сонячні промені, наприклад, полістирен, поліетилен та поліпропілен. Під впливом випромінювання матеріали стають крихкими внаслідок розпаду під впливом хімічних або біологічних факторів, або можуть бути піддані наступному процесу фотохімічної деградації. З фотохімічно біодеградуючих матеріалів виготовляють упаковки та вироби одноразового вжитку, а також плівки, які застосовують у землеробстві.

 Хімічний розклад полімерів відбувається під впливом спеціальних добавок, завдяки яким полімер стає більш вразливим до дії елементів, які знаходяться в ґрунті або воді. Процес розпочинається через деякий час залежно від виду та кількості доданих модифікаторів. Вони утворюють пероксиди під впливом кисню, які розпадаються на вільні радикали і реагують з полімерною матрицею, наприклад, поліетиленом.

До групи біологічно деградуючих полімери відносять два види полімерів:

•1.     Отримані з відновлювальної рослинної сировини, які в принципі не виявляють тенденції до швидкого розкладу. Їхній розвиток, на думку спеціалістів, приведе до зменшення навантаження на звалища, а також створює нові перспективи для землеробства, охорони середовища внаслідок адсорбції карбон двооксиду.

•2.     Отримані різними методами синтезування, котрі підлягають швидкому розкладу та мінералізації під впливом мікроорганізмів.  Отримані хімічним або біологічним синтезом підлягають повній біодеградації, інколи аж до карбон двооксиду та води.

Окрім перерахованих вище полімерів існують також полімери, які частково деградують, наприклад, суміші синтетичних полімерів із добавками крохмалю. Частково біодеградуючі полімери відносять інколи до біорозкладальних, тобто таких, у яких лише деякі складники підлягають біодеградації, решта ж розпиленню в середовищі. Біодеградація полімерів відбувається в чітко визначених умовах. Обов'язковим є присутність мікроорганізмів та поживного мінерального середовища, доступ кисню та вологи, відповідна для даних бактерій температура, а також рН в межах 5-8. Це складний процес, метою якого є подрібнення полімерного матеріалу з наступним послабленням  його стійкості. Більшість синтетичних полімерів, в тому числі поліолефіни, полівінілхлорид, полістирен, поліметилметакрилат і термореактивні матеріали не піддаються впливу мікроорганізмів. Водночас природні полімери, такі як целюлоза, крохмаль, хітин, дуже вразливі до дії мікроорганізмів і підлягають повній біодеградації.

Біодеградація має місце внаслідок дії ферментів чи грибів, бактерій, плісняви тощо або субстанцій, які вони виробляють, на органічні матеріали. Мікроорганізми атакують також полімери і спричинюють їхнє механічне, хімічне чи ферментальне старіння.

Найважливішим деградаційним параметром є хімічна структура полімеру. Полімери, у яких головний ланцюг складається виключно з атомів Карбону, біодеградації не піддаються. Піддаються впливу мікроорганізмів полімери, які мають в своєму основному ланцюзі карбоксильні, естерні групи або поліаміди, поліуретани, поліацетати тощо.

Біорозпошувальні полімери ─ це матеріали, які складаються з полімерів, що біодеградують, та синтетичних полімерів, які не підлягають біодеградації.  Біодеградуючою складовою в них є крохмаль. Ці матеріали поділяють на дві групи: перша  ─ матеріали, що містять 6-15 % крохмалю; друга ─  40-60 %. В першій біодеградації підлягає лише поверхневий шар, в другій крохмаль повністю доступний для мікроорганізмів, які спричиняють його біодеградацію. В результаті біодеградації крохмалю отримана пориста матриця матеріалу зі збільшеною поверхнею контакту з середовищем стає дуже крихкою і підлягає подрібненню. Матеріали, модифіковані крохмалем, використовують до виготовлення пакетів для покупок та відходів, упаковок, городнього інвентарю.

 


Залиште коментар!

Дозволено використання тегів:
<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <code> <em> <i> <strike> <strong>