Химия высокомолекулярных соединений (стр. 28 из 34)

Вторичная переработка

Это наиболее ресурсосберегающий путь, однако он не всегда рентабелен как в экономическом, так и в экологическом плане. Здесь существует ряд проблем. Первая проблема – сортировка мусора. На свалке это невозможно – автоматов таких нет, а вручную это медленно и опасно для здоровья. Сортировать мусор нужно в момент его выбрасывания. В некоторых зарубежных странах такой сбор мусора давно освоен: в Германии у каждого дома стоит четыре контейнера, каждый имеет свой цвет и предназначение: красный – для пищевых отходов, зеленый – для стекла, синий – для пластика, желтый – для бумаги. Когда-то на эту акцию были затрачены большие деньги, предшествовала мощная рекламная кампания, сейчас все идет само собой и компании по переработке давно оправдали затраты и имеют большие прибыли. В нашей стране эксперимент по раздельному сбору мусора начат в городе Пущино, однако говорить о результатах пока рано.

Вторая проблема – доставка мусора к месту переработки. Не в каждом населенном пункте можно построить завод, т. е. пластиковый мусор нужно везти в другой город или даже регион, а это большие капиталозатраты.

Третья проблема заключается в том, что мусор – сырье нестандартизируемое. Каждая партия пластиков будет принципиально отличаться от предыдущей, поэтому эти отходы невозможно использовать для высококачественной продукции: полимер «грязного» нетоварного вида не может конкурировать с первичными изделиями.

Есть успехи в переработке крупнотоннажных изделий из каучука (шин). Шины дробят в крошку и добавляют в покрытия дорог. Тонкие дисперсии добавляют при производстве новых шин, значительно экономя сырье.

Синтез «экологически чистых» полимеров

«Нам больше не нужны пластмассы, способные храниться вечно», – сказал несколько лет назад американский химик Рами Нараян. Совместно с американскими учеными он разработал технологию синтеза полимеров по принципу – что сама природа создает, то и способна разрушить. Он первым стал вводить в полимеры гранулы крахмала и целлюлозы, попадая на свалку, такие изделия быстро разрушаются бактериями до мелкой полимерной пыли.

Сейчас вводят и другие функциональные группировки. К синтетическим полимерам, склонным к биоразрушению, относят сложные полиэфиры общей формулы:

−O−(CH₂)_x−O−C−(CH₂)_y−C−

O O n

Если такие ВМС закопать в землю на четыре недели, а затем извлечь и взвесить, то их плотность уменьшится на 20 %. Источниками ферментов служат почвенные грибки. Внутри полимера протекает химический гидролиз с образованием низкомолекулярных соединений и ухудшением механических свойств. Например, в полиэтилене нет связей, которые могут подвергаться ферментативному расщеплению или распаду (срок его распада около 100 лет).

Чтобы полиэтилен расщеплялся на НМС, при синтезе в него вводят «слабые связи», которые под действием света в присутствии О₂ и Н₂О разрушаются, а затем короткие цепи полиэтилена с n < 20 ферменты способны расщеплять до уксусной кислоты.

Ученые непрестанно ищут возможности расширить количество полимеров, которые бы синтезировались живой природой. Удалось обнаружить бактерии, живущие в почве и способные синтезировать полимеры в качестве внутриклеточного резервного материала. Весьма перспективными являются полиэфиры общей формулы:

−O−CH−CH₂−C−... R = −(CH₂)_x−CH₃

х – от 0 до 8

Свойства этих полимеров в зависимости от величины R меняются от жестких пластиков при малых х до пленочных каучуков при больших х. В этих пределах можно точно изменить свойства полимеров, смешивая в одной и той же макромолекуле звенья, имеющие различные боковые группы R. Для того чтобы бактерии синтезировали крупные полимеры, включая в их цепи различные R в заданном соотношении, нужно правильно составить рацион питания бактерий.

Схема синтеза и разрушения модифицированного полиэтилена

Включение кетогруппы в цепь

H O

~СН₂−С^• + СО ® ~СН₂−СН₂−С^• + СН₂=СН₂ ®

Н O Н

~СН₂−СН₂−С−СН₂−С^• и т. д.

слабые связи Н

Разрушение «слабой связи»

~СН₂−СН₂−С−СН₂−СН₂~

~СН₂−СН₂−С^• + ^•СН₂−СН₂~

~СН₂−СН₂−С−OН + OH−СН₂−СН₂~

Ферментативное разрушение:

СН₃−(СН₂)_х−СН₂

СН₃(СН₂)_хСН₂ОН

СН₃(СН₂)_хСООН

→ СН₃(СН)_х–₂СН=СНСООН

СН₃(СН)_х–₂СН−СН₂СООН

ОН

→ СН₃(СН)_х–₂С−СН₂СООН

СН₃(СН)_х–₂СООН + СН₃СООН

Бактерии синтезируют полимеры «на черный день». Если поставить эти бактерии в жесткие условия, они начинают перерабатывать эти полимеры. То есть эти бактерии являются и производителями, и утилизаторами. Самое главное, что синтезируемые таким образом полимеры можно перерабатывать на обычном оборудовании, применяемом и для переработки синтетических полимеров.

Этот путь переработки полимеров в больших объемах, по-видимому, будет наиболее перспективным по причине возобновляемости ресурсов для синтеза полимеров и в связи с их способностью к полному биологическому разрушению в природных условиях, которое не сопровождается выделением вредных веществ в окружающую среду.

На нынешнем этапе научно-технического прогресса самый действенный способ борьбы с пластмассовым мусором с учетом требований экологии – его возвращение в производственный цикл, то есть рециклизация. Возможно, скоро этот путь заменят бактериальные полимеры, потом появятся и другие. Но все они в конечном итоге должны служить одной цели – продлению жизни на Земле.

18. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современного человека окружает огромное количество разнообразных товаров, изделий и материалов, полученных с использованием высокомолекулярных соединений (полимеров) – веществ с высокой молекулярной массой (от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов), обладающих уникальным комплексом свойств.

Материалы, которые использовал человек в своей деятельности, всегда играли важную, а часто и определяющую роль в прогрессе цивилизации. Они даже дали названия целым этапам развития человечества: каменный век, бронзовый век, железный век… Конечно, сейчас круг материалов, созданных и используемых в быту и технике, особенно военной, чрезвычайно широк. Однако с небольшой долей пристрастности современную эпоху можно назвать веком полимеров. Прогресс человечества, сопровождаемый не только возрастанием потребностей каждого человека, но и возникновением сложных экологических проблем, неизбежно привел к нехватке природного сырья. Ответом цивилизованного человека стала разработка и организация промышленного производства искусственных материалов. И для создания таких материалов опять-таки выбраны высокомолекулярные соединения.