Экологические проблемы производства полимеров и утилизации пластмассовых отходов

Производство полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида приносит немалые экологические проблемы для окружающей природной среды. Это использование различных токсичных мономеров и катализаторов, образование сточных вод и газовых выбросов, обезвреживание которых сопряжено с большими энергетическими, сырьевыми и трудовыми затратами и не всегда добросовестно выполняется производителями [5].

Производство полиэтилена и других полиолефинов относиться к категории пожароопасных и взрывоопасных (категория А): этилен и пропилен образуют с воздухом взрывчатые смеси. Оба мономера обладают наркотическим действием. ПДК в воздухе этилена составляет 0,05 ∙ 10 ^-3 кг/м³, пропилена - 0,05 ∙ 10 ^-3 кг/м³. Особенно опасно производство полиэтилена высокого давления (ПЭВД), поскольку оно связано с применением высокого давления и температуры. В связи с возможностью взрывного разложения этилена во время полимеризации реакторы оборудуют специальными предохранительными устройствами (мембраны) и устанавливают в боксах. Управление процессом полностью автоматизировано. При производстве полиэтилена низкого давления и полипропилена особую опасность представляет применяемы в качестве катализатора диэтилалюминийхлорид. Он отличается высокой реакционной способностью. При контакте с водой и кислородом взрывается. Все операции с металлоорганическими соединениями должны проводиться в атмосфере чистого инертного газа (очищенный азот, аргон). Небольшие количества триэтилалюминия можно хранить в запаянных ампулах из прочного стекла. Большие количества следует хранить в герметически закрытых сосудах, в среде сухого азота, либо в виде разбавленного раствора в каком-либо углеводородном растворителе (пентан, гексан, бензин – чтобы не содержали влаги). Триэтилалюминий является токсичным веществом: при вдыхании его пары действуют на легкие, при попадании на кожу возникают болезненные ожоги. В этих производствах используется также бензин. Бензин - легковоспламеняющаяся жидкость, температура вспышки для разных сортов бензина колеблется от - 50 до 28 °С. Концентрационные пределы воспламенения смеси паров бензина с воздухом составляют 2-12% (объемных). На организм человека оказывает наркотическое действие. ПДК бензина в воздухе = 10,3 ∙ 10 ^-3 кг/м³. Порошкообразные полиолефины образуют взрывоопасные смеси. ПДК полипропилена составляет: 0,0126 кг/м³. При транспортировании порошкообразных полиолефинов происходит образование аэрозолей и неизбежно накапливание зарядов статического электричества, что может привести к искрообразованию. Транспортирование полиолефинов по трубопроводу производят в атмосфере инертного газа. Для защиты окружающей среды все вентиляционные выбросы из производственных помещений должны подвергаться очистке на специальных установках. Сточные воды при отмывке полиэтилена низкого давления и полипропилена от остатков катализатора и продуктов его распада, а также образующиеся при регенерации промывной жидкости должны подвергаться нейтрализации и тщательной очистке на специальных очистных сооружениях.

Сходным полимером является поливинилхлорид. Если к ацетилену присоединить хлороводород, то образуется газообразное вещество винилхлорид, или хлорвинил.

Винилхлорид полимеризуется также, как и этилен. Из поливинилхлорида получают химически и механически стойкую пластмассу.

Производство и использование винилхлорида относят также к категории взрывоопасных и пожароопасных (категория А). Винилхлорид в газообразном состоянии оказывает наркотическое действие, продолжительное пребывание в помещение, в атмосфере которого содержится большое количество винилхлорида, вызывает головокружение и потерю сознания. ПДК в рабочих помещениях составляет 3∙ 10^-5 кг/м³. При концентрации 1 ∙ 10^-4 кг/м³ вызывает раздражение слизистых оболочек, а запах начинает ощущаться даже при 2 ∙ 10^-4 кг/м³. Вдыхание паров при открытом испарении мономера вызывает острое отравление. Другие мономеры, используемые при производстве политетрафторэтилена, политрифторхлорэтилена, поливинилфторидов также не менее токсичны.

В настоящее время для очистки окружающей природной среды от пластмассовых отходов активно разрабатываются два основных подхода:

- захоронение (хранение отходов на свалках);

- утилизация.

Захоронение пластмассовых отходов – это бомба замедленного действия и перекладывание сегодняшних проблем на плечи будущих поколений.

Более щадящим приемом является утилизация, которую можно разделить на ряд главных направлений:

- сжигание;

- пиролиз;

- рециклизация – переработка.

Однако как сжигание, так и пиролиз отходов кардинально не улучшают экологическую обстановку [6]. Повторная переработка в определенной степени решает этот вопрос, но и здесь требуются значительные трудовые и энергетические затраты: отбор из бытового мусора пластической тары и упаковки, разделение по виду пластиков, мойка, сушка, измельчение и только затем переработка в конечное изделие. Для активизации направления по рециклизации пластмассовых отходов в ряде стран принимаются законодательные нормативы по обязательному сбору и переработке пластиковой тары и упаковки. Так Европейские директивы предусматривают при изготовлении пластмассовой упаковки применять 15% вторичных пластмасс, а в Германии эта квота составляет 50% и должна увеличиваться до 60%. Специалисты считают, что это технически невозможно, так как только для транспортных и непищевых продуктов возможно применение до 25% вторичных пластмасс, но не для пищевых продуктов [7].

Следует отметить, что сбор и повторная переработка полимерной тары и упаковки приводит к удорожанию упаковки, качество рециклизованного продукта также ниже продукта, полученного непосредственно первичным изготовителем. К тому же не каждый потребитель согласен использовать упаковку из рециклизованного полимера.

Радикальным решением проблемы «полимерного мусора», по мнению специалистов, является создание и освоение широкой гаммы полимеров, способных при соответствующих условиях биодеградировать на безвредные для живой и неживой природы компоненты.

Именно биоразлагаемость высокомолекулярных соединений и будет приоритетным направление разработки, которое позволит исключить значительное число проблем «полимерного мусора», возникающего при использование полимерной тары и других изделий из полимеров [8].

В настоящий период можно выделить три основных направления развития этой области:

- полиэфиры гидроксикарбоновых кислот;

- пластические массы на основе природных воспроизводимых природных полимеров;

- придание биоразлагаемости промышленным высокомолекулярным синтетическим материалам.

Первый в мире биоразлагаемый полимер Биопол (Biopol) – полигидроксиолконоаты на основе 3-гидроксивалериановой кислот – был получен в процессе ферментации полисахаридов (сахара, крахмала) под действием бактерии Alcaligenes eutrophys. Биопол – термопласт, который перерабатывается экструзией, выдуванием и другими традиционными методами. Полученные из этого полимера изделия за несколько недель разлагаются микроорганизмами почвы с образованием углекислого газа и воды. С использованием указанных бактерий сложные сополиэфиры получают из такого сырья как бутиленгликоль, бутиролактон, масляная и хлормасляная кислота. Пленки из таких сополимеров разлагаются в почве через 2 недели после захоронения.

Использование смесей полимеров для получения различных материалов с необходимым комплексом свойств также является очень прогрессивным направлением с различных точек зрения. При создании биоразлагаемых смесей полимеров, как правило, применяется следующий принцип: к синтетическому полимеру добавляют хорошо биоразлагаемый полимер (природный или синтетический). В качестве природных чаще всего используют полисахариды, в первую очередь крахмал и целлюлозу.