عنوان مقاله : زیست تخریب پذیری پلیمرها

خلاصه مقاله :

امروزه پلاستیک ها به عنوان یک ماده سنتزی و مصنوعی نقش بسیار مهمی در تولیدات صنایع مختلف ایفا می کنند. خواص منحصر به فرد و بسیار خوب پلاستیک ها و نیز آلیاژ های آن ها باعث شده که جایگزین بسیار مناسبی برای فلزات، چوب، شیشه و لاستیک ها در کاربردهای مختلف باشند. ولی از طرف دیگر کاربردهای وسیع و تولیدات روز افزون پلاستیک ها سبب مشکلات عمده از نظر زیست محیطی گردیده به طوری که پلاستیک ها به عنوان یکی از عمده ترین آلاینده های محیط زیست از طرف سازمان جهانی محیط زیست معرفی شده اند.

شرح مقاله :

در میان پلاستیک های سنتزی (غیر طبیعی) ، پلی اتیلن ، پلی پروپیلن ، پلی استایرن و پی وی سی بیشترین مصرف را (با بیش از 75% مصرف) در دنیای امروز دارد بنابراین مشکلات محیط زیست امروزه عمدتا ناشی از مصرف این دسته از پلاستیک ها می باشد.

پلی اتیلن به عنوان یک پلاستیک پر مصرف در بیشتر صنایع از جمله خودرو سازی، لوازم خانگی، بسته بندی، بهداشتی و پزشکی مورد استفاده قرار گرفته به طوری که صنایع بسته بندی بیشترین سهم را در مصرف این پلیمر مصنوعی نشان می دهد.لذا بیشترین آلودگی زیست محیطی ناشی نیز از مصرف پلی اتیلن در صنعت بسته بندی می باشد. کاربردهای متنوع پلی اتیلن در صنعت بسته بندی از جمله موادغذایی، نانوایی ها، خشکشوئی، سوپر مارکت ها و نیز مصرف فیلم های کشاورزی و بسته بندی قطعات صنعتی باعث استفاده روز افزون آن می گردد.

آلودگی زیست محیطی ناشی از این محصولات اصولا به ماندگاری و عدم تجزیه این پلاستیک در محیط به مدت 300 الی 400 سال باز می گردد. پلاستیک مصنوعی پلی اتیلن با توجه به ساختار مولکولی آن که حاوی زنجیر بلند با 300 هزار مونومر به هم پیوسته می باشد توسط موجودات زنده و نیز موجودات ذره بینی قابل مصرف و تجزیه نبوده و به مدت طولانی به همان شکل در محیط پایدار می مانند. در طول چند دهه اخیر و با توجه به مسائل زیست محیطی ، صنایع پلاستیک بخصوص صنایع بسته بندی تشویق به مصرف پلاستیک های تخریب پذیر (تجزیه پذیر) شده اند. پلاستیک های تخرب پذیر جایگزین بهتری برای پلاستیک های معمولی بوده چرا که طی مدت زمانی حداکثر تا چند سال تجزیه و تفکیک گردیده و به چرخه محیط زیست باز می گردند. فرآیند تخریب پذیری این پلاستیک ها توسط تابش، گرما،uv، تنش و آکسایش صورت گرفته و با شکسته شدن زنجیرهای بلند مولکولی و تبدیل شدن آنها به زنجیر های کوتاه امکان مصرف این پلاستیک ها را توسط میکرو ارگانیسم ها هموار می کند. در واقع میکرو ارگانیسم هایی چون باکتری ها، قارچ ها و کپک ها زنجیر های کوتاه و شکسته شده پلی اتیلن را مصرف و هضم نموده و در نهایت آنها را به آب و دی اکسید کربن تبدیل می کنند.

به گزارش سازمان محیط زیست جهانی، سالانه بیش از ده ها هزار میلیارد کیسه پلاستیکی در کل کشورهای جهان تولید شده به طوری که تنها در حدود 8/0-6/0%از این میزان توسط روش بازیافت به چرخه صنعت بازگردانده می شود . کیسه های دور ریخته شده و آلاینده محیط زیست بیش از یک میلیون کیسه در دقیقه برای کل جهان برآورد شده است که خطر تکان دهنده ای برای نسل آینده و محیط زیست می باشد. تنها در کشور آمریکا برای تولید 100 میلیارد کیسه پلاستیکی (600 کیسه در سال برای هر نفر) در سال، 12 میلیون بشکه نفت مورد نیاز بوده ضمن آنکه تنها 6/0% از این میزان بازیافت می گردد. بنا بر همین گزارش بیش از 20%کیسه های پلاستیکی باعث از بین رفتن پرندگان و نیز 30% آنها به کانال های آب راه پیدا کرده و به دریا و اقیانوس منتهی می گردند که باعث از بین رفتن صدها هزار دلفین و نیز ماهیان آبزی دیگر می شوند. همچنین حیوانات اهلی و دام ها نیز در امان نبوده و با خوردن و مصرف اشتباهی این پلاستیک ها دچار بیماری های مختلف و مسمویت شده که در مرحله بعد این بیماری ها به انسانها سرایت می کنند. به دلایل فوق آژانس جهانی محیط زیست و سازمان ملل طی یک گزارش هشدار دهنده استفاده از کیسه های پلاستیکی معمولی را محدود و به جای آن پیشنهاد مصرف کیسه های پلاستیکی تخریب پذیر را ارائه نمود.

در ابتدا انجمن های بازیافت پلاستیک اروپا و آمریکای شمالی به مخالفت با این طرح برخاسته و اعلام کردند بدلیل هزینه های بالای مواد اولیه و نیز قیمت نفت، تخریب پذیر نمودن پلاستیک ها مقرون به صرفه نبوده و هزینه زیادی رابه دوش دول مختلف می گذارد. در واقع آنها بازیافت و برگرداندن مجدد کیسه های پلاستیکی به چرخه صنعت را بهترین راه حل دانسته حال آنکه با عنایت به گزارش بازیافت توسط آژانس محیط زیست تنها در خوش بینانه ترین حالت ا% از کل کیسه های پلاستیکی بازیافت می شوند ، به همین دلیل در چند ساله اخیر بیشتر کشوهای توسعه یافته و نیز در حال توسعه تولید کیسه های تخریب پذیر را آغاز نموده و به عنوان جایگزین کیسه های پلاستیکی معرفی کرده اند.

کیسه های پلاستیکی تخریب پذیر در مقایسه با کیسه های معمولی و نیز کیسه های کاغذی تخریب پذیر از جنبه های متفاوت مانند سبکی و آلایندگی ارجعیت دارند.امروزه تولید کیسه های کاغذی که آتش گیر می باشند دیگر مانند سال های گذشته صورت نگرفته و رو به کاهش است چرا که درختان زیادی جهت تولید این نوع از کیسه های بسته بندی از بین رفته و با توجه به وزن سنگین کیسه های کاغذی انرژی بیشتری برای حمل و نقل آنها لازم می باشد . از طرف دیگر برای تولید آنها آب و انرژی بیشتری مورد نیاز بوده و ضایعات این گونه کیسه ها فضای بیشتری را در محیط اشغال می کنند. همچنین در فرآیند تولید کیسه های کاغذی و تجزیه شدن آنها در محیط زیست ،co₂ (دی اکسید کربن) بسیار زیای نسبت به کیسه های پلاستیک تخریب پذیر تولید شده که این خود بعنوان گازهای گلخانه ای از دیگر معضلات زیست محیطی کیسه های کاغذی به شمار می رود. پس با وجود اینکه کیسه های کاغذی زیست تخریب پذیر می باشند ولی به دلایل مذکور کشورها از تولید آن ها صرف نظر کرده و کیسه های پلاستیکی تخریب پذیر را راه حل بهتری می دانستند.

در دهه اخیر دانمشندان و محققین موادی پیشنهاد نمودند که زیست تخریب بوده و انواع آن عبارتند از:

پلی استرهای آلیفاتیک شامل:

 1-1 پلی هیدروکسی آلکونات ها(PHAs)مانند پلی-3- هیدروکسی بوتیرات(PHP)، پلی هیدروکسی والدات(PHV) و پلی هیدروکسی هگزانوات(PHH)   }

 1-2 پلی لاکتیک اسید(PLA) }

{ 1-3 پلی بوتلین ساکسینات(PBS)و پلی کاپرو لاکتون(PLC) }

پلی آنهایدرایدها (polyanhydrides)

پلی وینیل الکل (PVA)

استرهای سلولز

ترکیبات نشاسته (starch based compound)

استفاده از مواد افزودنی اکسید کننده در پلاستیک های الفینیک

از میان اقسام فوق پلی آنهایدرایدها برای کاربرد قطعات پزشکی و داروئی مورد استفاده قرار می گیرند و پلی وینیل الکل (PVA) و استرهای سلولز مانند استات بدلیل قیمت بالای آنها به ندرت برای کیسه های پلاستیکی پیشنهاد گردیده اند.

گروه اول یعنی پلی استرهای الیفاتیک، بدلیل اینکه پیوندهای استری آنها قابلیت هیدرولیزه شدن را دارند (بر خلاف پلی استرهای آروماتیک) زیست تخریب پذیر بوده و اخیرا توجه صنایع بسته بندی را به خود جلب نموده است . برخی شرکت های آسیای شرقی و اروپائی تولید کیسه های پلاستیکی از این مواد را آغاز کرده ولی در امر توسعه و گسترش این کیسه ها موفق نبوده اند. علت عدم موفقیت این کیسه ها قیمت بالای آنها ، فرآیند پذیری و استحکام نسبتا ضعیف می باشد. از طرف دیگر عدم بازیافت این مواد نیز خود مساله اقتصادی دیگری بوده که باعث شده تولید این کیسه ها خیلی گسترش نیابد.

ولی مشتقات نشاسته بر خلاف گروه های مذکور قیمت مناسب تری داشته و در طی 2 دهه اخیر مورد استفاده قرار گرفته اند. ترکیبات بر پایه نشاسته عمدتا حاوی 60 الی 85% پودر نشاسته حاصل از ذرت، سیب زمینی و غیره بوده و الباقی آن پلی اتیلن و پلی پروپیلن می باشد . بکار گیری پلی الفین ها در ترکیبات نشاسته بدلیل استحکام پائین و فرآیند پذیری ضعیف نشاسته می باشد.

گری فین برای اولین بار در سال 1977 آلیاژ پلی اتیلن و پودر نشاسته را برای تولید کیسه های پلاستیکی ثبت اختراع نمود و بعد از آن وست هوف آلیاژ نشاسته را با پلی پروپیلن و پلی لاکتیک اسید را توسعه داد کاربرد این مواد بعنوان جایگزین پلی اتیلن خالص در ابتدا باعث گردید بیشتر تولید کننده های کیسه های پلاستیکی به سمت این مواد سوق پیدا کنند ولی با گذشت زمان با آشکار شدن برخی معایب آن تولید کیسه ها از این مواد محدود گردید. اولین مشکلی که ترکیبات نشاسته با درصد بالا داشتند صد در صد تخریب پذیر نبودن آنها بود.در واقع 20 الی 40 % پلی اتیلن یا پلی پروپیلن موجود در ترکیبات باعث گردید که ترکیب پلیمری بطور کامل مانند نشاسته خالص قابلیت تفکیک پذیری نداشته باشد. بعدا جذب رطوبت بالا و بوی نسبتا نامطبوع و نیز استحکام ضعیف این مواد سبب کاهش چشمگیر در رشد تولید کیسه های ساخته شده از آن گردید.نهایتا عدم شفافیت این کیسه ها همچنین تولید گاز متان و گازهای گلخانه ای به هنگام تجزیه شدن نیز دلیل مضاعفی برای محدود شدن گسترش این مواد و کیسه های حاصل از آن شد. دلیل اصلی نقاط ضعف ذکر شده این ترکیبات پودر نشاسته با درصد بالا میباشد . از طرفی دیگر درصد بالای نشاسته موجب رشد سریع قارچ ها و کپک ها در کیسه های پلاستیکی در مناطق گرمسیری می گردد. بنا بر برخی گزارش ها ، ظروف و کیسه های تولید شده از ترکیبات نشاسته بادرصد بالا خود مورد مصرف برخی جانوران مانند موش بوده که از دیگر مسائل این مواد بشمار می رود.لذا اصولا کاربرد این مواد و کیسه های تولید شده ازآن احساس می گردد در مناطق سردسیر عملکرد بهتری داشته باشد.

گروه آخر یعنی موادی که حاوی اکسید کننده ها می باشند (آکسوتخریب پذیر) چند سال گذشته توسعه یافته و به صنایع بسته بندی معرفی می گردیدند. در حقیقت این مواد همان پلاستیک های معمولی مانند پلی اتیلن می باشد که اکسید کننده ها به آنها اضافه گردیده تا موجب تخریب زنجیر های پلیمری آنها گردد لذا این مواد جزو پلاستیک ها ی زیست تخریب پذیر به حساب نیامده چرا که تخریب آنها بصورت آکسایشی بوده اگر چه در نهایت با شکست زنجیرها و کوتاه شدن آنها تخریب پذیری توسط میکرو ارگانیسم ها صورت گرفته و ادامه می یابد . مواد اکسو تخریب پذیراز ترکیبات و کمپلکس های پیچیده فلزات می باشند بطوریکه در ابتدا از ترکیبات کمپلکس عناصر فلزی مثل سرب و کادمیم استفاده می گردید از آنجا که جزو عناصر سنگین بوده و به شدت آلاینده محیط زیست بودند دیگر از آنها استفاده نگردیده و در حال حاضر از فلزات عناصر واسطه مثل کبالت ، منگنز، آهن و آلومینیوم استفاده می شود.

افزودنی های اکسیدکننده که در صنایع بسته بندی با مواد بر پایه پلی اتیلن و یا پلی پروپیلن ها به کار میروند باعث کاهش استحکام پلاستیک نشده و شفافیت کیسه های تولید شده از آنها نیز کاهش نمی یابد. ضمنا از نظر بو نیز خنثی بوده و بوی نامطبوع ترکیبات نشاسته با درصد بالا را ندارند.

اکسید کننده ها باعث اکسایش زنجیر های پلی الفینی شده و تحت تابش نور خورشید ، اشعهuvو حضور اکسیژن کوتاه شدن و شکسته شدن زنجیر ها را باعث می گردند.در ابتدا مکانیزم تجزیه پذیری توسط اکسیژن بصورت اکسایش بوده ولی در نهایت با کوتاه شدن زنجیرهای پلیمری ، میکرو ارگانیسم ها نیز باعث تخریب شده و سرعت تفکیک پذیری را افزایش می دهند. به نظر می آید مواد اکسو تخریب پذیر100%زیست تخریب پذیر بوده و در طی چند سال کاملا به چرخه محیط زیست بر می گردد. ولی این مواد نیز دارای معایبی می باشند . حضور فلزات عناصر وابسته در ترکیبات اکسید کننده ها از اولین معایب این دسته از مواد می باشد. در واقع با تجزیه شدن پلاستیک های حاصل از این مواد فلزاتی چون کبالت و آلومینیوم در محیط باقی مانده و باعث افزایش سمیت خاک و محیط زیست می گردد بطوریکه این مسئله باعث مسمومیت جانداران ذره بینی و نیز جانوران گردیده و انتقال آنها به انسانها نیز بدیهی می باشد.

از معایب دیگر این مواد تجزیه ناپذیر بودن آنها در زیر خاک می باشد .در صورتی که پلاستیک ها در زیر خاک قرار گیرند اکسیژن نور و گرمای کافی جهت آکسایش و تخریب وجود نداشته و پلاستیک ها به همان صورت مانند پلاستیک های معمولی در زیر خاک پایدار خواهند ماند. در واقع تخریب پذیری این گروه فقط روی خاک و درحضور اکسیژن صورت گرفته و در غیر اینصورت فرقی با پلاستیک های معمولی ندارند.

بنا به گزارش کمیسیون بین المللی اروپا 15% از کیسه های اکسو تخریب پذیر در زیر خاک در طول یک سال تجزیه میگردند. در تحقیقات دیگر فویلولی و همکارانش نیز نتیجه گرفتند که درصد ناچیزی معادل 2% از وزن کیسه های اکسو تخریب پذیر در عمق 50 سانتی متری خاک در طی یک سال فقط بهco₂تبدیل شده اند.

افزایش قیمت نیز از دیگر جنبه های منفی این مواد بوده ولی در مقایسه با پلی استرهای آلیفاتیک بهای مناسب تری دارند.

با توجه به آنچه در بالا توضیح داده شد استفاده از پلاستیک های زیست تخریب پذیر یک امر بدیهی بوده ولی نوع آن هنوز مورد مناقشه و اختلاف سازمان های علمی و صنعتی در جهان میباشد.

به نظر می آید تحقیقات بیشتری لازم است تا موادی توسعه یابد که اولا سمی نبوده و دوما به هنگام دور ریزی کیسه های پلاستیک ؛ به نوع قرار گرفتن در محیط زیست وابسته نبوده و به شرایط آب و هوائی نیز بستگی نداشته باشد . اما در حال حاضر با توجه به حجم بالای تولید کیسه های پلاستیکی لزوم استفاده از مواد زیست تخریب پذیر امری ضروری است و نمی توان تا دسترسی به یک ترکیب بی عیب از پلاستیک های زیست تخریب پذیر کنونی استفاده نکرد. بعنوان مثال از ترکیبات نشاسته با درصد بالا برای برخی مناطق سردسیر می توان بارعایت احتیاط استفاده نمود چرا که رشد میکرو ارگانیسم ها کندتر در مناطق سردسیر صورت می گیرد ضمن آنکه ضخامت کیسه های تولید شده از این مواد نیز می بایست بیشتر گردد چرا که استحکام کافی برای تحمل بار را ندارند. و یا از مواد اکسوزیت تجزیه پذیر تا آنجا که فلزات آنها از نوع فلزات سنگین سمی نباشند استفاده نمود.

به نظر می آید تولید مواد زیست تخریب پذیری که حاوی پلیمرهای طبیعی مانند پلی لاکتیک اسید بادرصد مناسب بوده به همراه ترکیبات کمپلکس اکسید کننده های غیر رسمی می تواند بعنوان اولین گام تحقیقاتی مناسب باشد.

هنوز برخی موسسات علمی و دانشگاه های اروپا و آمریکای شمالی در حال تحقیق و توسعه مواد زیست تخریب پذیر بوده و در کشور ما ایران نیز همگام با کشورهای خارجی تحقیقات در حال انجام می باشد.