Получение биоразлагаемого полимера из целлюлозосодержащих отходов в условиях школьной лаборатории и изучение его свойств

X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Получение биоразлагаемого полимера из целлюлозосодержащих отходов в условиях школьной лаборатории и изучение его свойств

Кокшарова С.С. 1
1МАОУ Стрехнинская СОШ
Смольская Е.А. 1
1МАОУ СТРЕХНИНСКАЯ СОШ
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

 

На сегодняшний день загрязненность окружающей среды достигла своего максимума - непрерывно растущие потребности общества вызывают рост производства прочных, легких и недорогих материалов. Пластмассы прочны, не боятся воды, легко выдерживают перепады температуры, но, при этом, достаточно долго разлагаются. Повторная переработка пластмасс требует достаточно длительной подготовки - сбора, сортировки мусора, его хранения, последующей переработки для дальнейшего использования. Кроме того, это энергозатратно, и большая часть пластика, выброшенного человеком, в конечном счете, просто сжигается. Выбросы продуктов его горения пагубно влияют на атмосферу планеты, вызывают различные заболевания. В связи с достаточно неблагоприятной экологической обстановкой во всем мире и проблемой загрязнения окружающей среды синтетическими полимерами, в развитых странах Европы и США было предложено использовать природные биоразлагаемые полимеры, которые способны достаточно быстро под воздействием окружающей среды разлагаться на безопасные для человека и окружающей среды компоненты.

Актуальность исследования. Проблема утилизации бытовых и промышленных отходов стоит наиболее остро для нашей страны – полигоны для хранения отходов уже более не актуальны, требуются кардинальные меры по изменению не только способов их переработки, но и создание таких материалов, которые способны разлагаясь, не причинять вред для окружающей среды и человека.

Исходя из актуальности, была сформулирована цель исследования: получение биоразлагаемого полимера в условиях школьной лаборатории и изучение его свойств. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить виды природных биоразлагаемых полимеров, определить их достоинства и недостатки.

2. Подобрать материалы и методы исследования, создать биоразлагаемый полимер в условиях школьной лаборатории, смоделировав технологический процесс в условиях школы.

3. Исследовать свойства полученного в ходе исследования биоразлагаемого полимера из целлюлозосодержащих отходов.

4. Разработать практические рекомендации по использованию полученного биополимера на основе его свойств, изучить его достоинства и недостатки.

Объект исследования: природные биоразлагаемые полимеры, предмет исследования: получение биоразлагаемого полимера из целлюлозосодержащих отходов.

Гипотеза исследования: из целлюлозосодержащих отходов даже в условиях школьной лаборатории можно получить экологически безопасный биоразлагаемый материал.

Методы исследования: изучение научной литературы по теме исследования, химический эксперимент, качественный анализ полученного биоразлагаемого полимера, микроскопическое исследование.

Глава 1. Природные биоразлагаемые полимеры - альтернатива пластику?

1.1. Обзор природных биоразлагаемых полимеров, их достоинства и недостатки, влияние на окружающую среду

В современном мире, перенасыщенным изделиями из пластика, остро встает проблема их утилизации. Особенное внимание уделяется не только возможности вторичной переработки полимеров, но и создание такого пластика, который со временем под воздействием окружающей среды сможет разложиться самостоятельно, не нанеся при этом вреда окружающей среде.

На смену полимерам из природного и ископаемого сырья, не способным к биодеградации - полиэтилену, полистиролу, полиуретану и др. приходят биополимеры, которые за достаточно короткий срок способны полностью разложиться на диоксид углерода, метан, воду, биомассу и неорганические соединения. Такие полимеры получили название - биоразлагаемые.

Согласно принятой классификации, биоразлагаемые пластики делятся на группы:

1. Биоразлагаемые пластики из ископаемого сырья. Эти полимеры создаются из углеводородного сырья классическими нефтехимическими способами, которые только ввиду своей особой присадки - d2w, стимулируют биоразложение. Отношение таких полимеров к биоразлагаемым весьма условно, т.к они разлагаются на микропластик - более мелкие частицы, которые по сути являются тем же самым пластиком, что не уменьшает количество мусора и не влияет на улучшение экологической обстановки. К таким биопластикам относятся полибутираты и остальные пластики с добавками.

2. Биоразлагаемые пластики из природного сырья. Это истинные биоразлагаемые полимеры, классификация которых весьма обширна, в связи с различными способами их изготовления и разными компонентами. Выделяют биопластики из природных полимеров - целлюлозы, крахмала, древесины, хитозана, хитина, натурального каучука и т.д.; биопластики из бактериальных полимеров - в которых цепочка полимера образуется в результате жизнедеятельности микроорганизмов в контролируемой среде; биопластики из бактериальных мономеров, где сборка в полимер осуществляется химическим путем.

В связи с достаточно сложной экологической обстановкой в мире, загрязненностью Мирового океана, потребность в биодеградируемых полимерах возрастает с каждым днем.

Из достоинств такого сырья выделяют:

• Достаточно простую переработку, позволяющую вторично использовать полимеры.

• Высокая стойкость к разложению в обычных условиях и полное быстрое разложение в специально созданных условиях - определенной температуре, влажности, воздействии органических кислот, солнечного света, что не создает проблем с утилизацией полимеров.

• Малая зависимость (или даже полная независимость) от нефтепродуктов, что позволяет экономить природные богатства.

На современном этапе производства биодеградируемых полимеров столкнулось с рядом трудностей:

• Достаточно высокая себестоимость при малом производстве. Эта особенность возникла временно в связи с тем, что процесс выпуска до сих пор не отлажен, и такие материалы производятся ограниченным тиражом.

• Сложность в регулировании скорости разложения полимеров в условиях свалки, т.к. для разного биопластика из натурального сырья требуются разные условия разложения – солнечный свет, определенная температура и пр.

1.2 Получение биоразлагаемых полимеров из промышленных отходов деревообрабатывающей промышленности

Большинство известных синтетических полимеров устойчивы к разложению. В случае ПВХ разлагается только добавленный пластификатор, который находится у поверхности пленки полимера. В некоторой степени разлагается полиэтилен, в результате поверхность пленки, соприкасающаяся с почвой, теряет прозрачность и становится белой. Именно высокая устойчивость большинства промышленных синтетических полимеров привела к созданию новых биоразлагаемых полимерных структур.

Биоразлагаемые полимеры из растительного сырья практически полностью ликвидируют проблему утилизации отходов (упаковка, одноразовая посуда), которые имеют очень непродолжительный срок службы, но являются значительной частью отходов жизнедеятельности человека.

Для придания биополимерам разрушаемых свойств, в процессе изготовления в их состав вводят различные наполнители: целлюлозу, крахмал, древесину, хитозан, хитин, натуральный каучук, водоросли. Некоторые наполнители, в частности, древесина, обладают армирующими свойствами, что позволяет изготовляемым из нее полимерам сохранять определённую жесткость, сохранять форму. Кроме этого, наполнители биоразлагаемых пластиков являются экологически безопасными и возобновляемыми, что повышает их ценность при изготовлении биополимеров.

Поскольку натуральные волокна древесины изначально обладают гидрофильностью, и, соответственно, содержат большое количество влаги, степень их адгезии достаточно низкая. Для увеличения адгезии и удаления ненужных примесей, поверхность древесных опилок обрабатывают кислотами, а волокна модифицируют щелочами. После этого сырье тщательно просушивают, удаляя часть влаги. Для улучшения свойств создаваемого полимера, своеобразного связующего элемента, который позволяет увеличить сочетание природного и синтетического полимеров, используют пластифицированный термопластичный крахмал, Такие биополимеры характеризуются более прочной связью, высокой пластичностью при растяжении.

1.3 Области применения биоразлагаемых полимеров

Мировое потребление биоразлагаемых пластиков развивается очень высокими темпами. Так, за несколько последних лет их производство выросло почти в 10 раз.

В структуре потребления биоразлагаемых пластиков в мире до 75% занимает упаковка. Другими секторами потребления являются: общественное питание и фастфуд – до 9%, волокна и нити – 4%, медицина – 4% и агрохимия – 2% .

Биополимеры могут, а, возможно, со временем и полностью решат, проблему утилизации самой большой проблемы человечества - упаковки. Так, изготовленные на основе биопластика упаковочные материалы, могут свободно разлагаться в окружающей среде без вреда для экологии. Биопластики рассматривают также как альтернативный материал для изготовления медицинских биоимплантов.

Анализ научно-технической литературы показывает, что биоразлагаемые полимеры могут применяться также в таких отраслях, как спортиндустрия, автоиндустрия, производство товаров народного потребления.

Биоразлагаемые контейнеры, упаковочная пленка используются для упаковки продуктов питания – молочных продуктов, мяса, выпечки. Другим перспективным направлением использования биоразлагаемых пластиков является изготовление посуды, одноразовой тары для воды и напитков.

Еще одним направлением реализации биодградируемых пластиков является изготовление мешков для сбора и компостирования пищевых отходов.

Биоразлагаемые полимеры, в частности целлюлозосодержащие, нашли свое применение в изготовлении композитных материалов – древесно-полимерных композитов (ДПК), в основе которых – деревянные опилки, стружка и волокна и полиэтилен, полистирол, ПВА. Из них изготавливают облицовочные панели, декоративный паркет, мебель, кровельные и звукоизоляционные материалы.

Глава 2. Результаты собственного исследования и их обсуждение

2.1. Экспериментальное получение биоразлагаемых полимеров в лабораторных условиях

Для изготовления в условиях химической школьной лаборатории биоразлагаемого полимера на основе биоразлагаемого сырья, мы взяли за основу методику, описанную А.Н. Жарковой, С.М. Шинкаревым.

Но в связи с тем, что А.Н. Жарковой, С.М. Шинкаревым были предложены методы изготовления биополимера на основе целлюлозосодержащего сырья в условиях реального производства с применением специализированного оборудования – экструдеров, муфельных печей, и за неимением такого оборудования в условиях школьной лаборатории, мы смоделировали процесс изготовления, используя электрическую печь, тиски, и паяльную станцию.

Весь процесс изготовления биоразлагаемого пластика в условиях школьной лаборатории представлен в Приложении 1-4.

В качестве целлюлозосодержащего сырья нами были выбраны опилки вишни средней фракции. На 1 этапе они были обработаны 15% раствором серной кислоты при температуре 20-30°C. Весь процесс обработки опилок занял 2 часа. После обработки смесь профильтровали и не растворившийся твердый остаток обработали изопропиловым спиртом, после этого промыли смесь большим количеством воды до нейтральной реакции. Далее обработанные опилки высушивали в электрической печи при температуре 70°C в течение 30 минут. После этого сырье остужали и измельчали в ступке до однородного порошкообразного состояния. Для изготовления биоразлагаемого полимера мы взяли 2,5 грамма высушенных обработанных порошкообразных опилок.

Для придания исследуемому образцу нужных нам свойств, мы приготовили пластифицированный крахмал. Пластифицированный крахмал позволяет увеличить взаимосвязь целлюлозосодержащего сырья - порошкообразных опилок, и синтетического полимера- полиэтилена. Пластификация крахмала, в количестве 2,5 грамм, проводилась 0,4 мл глицерина и 0,6 мл 0,2%-ного раствора NaOH.

Далее мы смешали обработанные опилки (2,5 г), пластифицированный крахмал (2,5 г) и полиэтиленовые гранулы (3,5 г) и подвергли их термической обработке в электрической печи при температуре 200°C в течении 15 минут. После выпечки все компоненты охлаждали еще 5 минут.

После остывания мы решили исследовать полученный полимер, его фрагмент размером 1х см поместили в 100 мл дистиллированной воды. Полученный биополимер за достаточно короткий промежуток времени растворился в дистиллированной воде, что не позволило бы использовать его в дальнейшем, например, для изготовления упаковки, ДПК.

В связи с этим было принято решение о повторном нагревании до температуры 200°C в течении 15 минут с использованием паяльной станции и тисков. Повторное нагревание позволило полученному полимеру стать более прочным и не растворяться в воде сразу же.

Таким образом, мы пришли к выводу, что повторное температурное воздействие положительно влияет на полимер, и не дает ему растворяться в воде и органических растворителях за достаточно короткий промежуток времени.

2.2. Исследование свойств полученного биоразлагаемого полимера

В ходе нашего исследования на основе целлюлозосодержащих отходов, синтетического полимера и пластифицированного крахмала нами был получен образец биополимера (Приложение 5).

Для того чтобы изучить структуру полученного полимера, мы исследовали его под микроскопом. Результаты представлены в Приложении 6,7. Изучив увиденную структуру, мы пришли к выводу, что полиэтилен и пластифицированный крахмал практически встроились в структуру обработанной древесины. На фото видно продольное расположение полиэтилена и крахмала вдоль волокон древесины, такое же расположение мы могли наблюдать и в более глубоких слоях полимера, что может свидетельствовать о правильности смоделированного нами процесса и возможном обладании полимером биодеградируемых свойств.

С целью проведения исследований по изучению способности к биодеструкции полученной полимерной композиции, в школьной лаборатории моделировались условия, приближенные к естественным условиям среды, а именно растворение в органических растворителях и в воде (Приложение 8).

Для исследования свойств биоразлагаемого пластика нами были взяты - лимонная кислота (pH=2,2), дистиллированная вода (pH=5,5) органическое удобрение-агрохимикат «Росток» (комплексное соединение гуминовых кислот) (pH=9,5) по 3 мл в каждой пробирке и образцы биопластика размером 0,5 х 0,5 см. Значения pH используемых растворов, в которые мы поместили образцы биопластика, были выбраны в соответствии с возможными пограничными значения кислотности почв – сильнокислой при значении pH ≤4 и сильнощелочной при значении pH ≥ 8. Поместить биополимер непосредственно в почву не представлялось возможным в связи с тем, что его цвет не позволил бы идентифицировать его от почвы по прошествии времени.

В связи с тем, что главная экологическая проблема состоит не в изготовлении нового вида пластика, а в создании биополимера, способного к биодеградации в почве до диоксида углерода, метана, воды, биомассы и неорганических соединений, мы исследовали почвенную карту юга Тюменской области (Приложение 9).

В пределах юга Тюменской области выделяют три зональных типа почв: подзолистые, серые лесные и черноземы. Подзолистые почвы характеризуются кислотностью в диапазоне от pH=4 до pH=6, лесные почвы в диапазоне от pH=4,8 до pH=6,что характеризует эти почвы как сильнокислые и кислые. Черноземы имеют кислотность от pH=6,5 до pH=8, что характеризует эти почвы как нейтральные или щелочные, сильнощелочные.

В ходе исследования мы получили результаты, и занесли их в таблицу 1 (Приложение 10). Образцы биопластика, помещенные в сильнокислую среду в течение нескольких часов набухли, и стали частично разрушаться. Образцы, помещенные в щелочную и нейтральную среды, спустя несколько часов визуально не изменились. По истечении одного месяца и недели, все исследуемые образцы потеряли первоначальные свойства и полностью разрушились, однако в пробирках с лимонной кислотой разложение произошло быстрее. Процесс разложения биополимера отражен в Приложении 11.

2.3 Рекомендации по использованию биоразлагаемого полимера, полученного в школьной лаборатории

Биоразлагаемый полимер, полученный нами в химической школьной лаборатории, способен решить ряд задач – с пользой применить целлюлозосодержащие отходы деревообрабатывающей промышленности, значительно снизить долю синтетического пластика, применяемого для изготовления упаковки, например, решить проблем с утилизацией отходов - для этого достаточно будет просто закопать такой полимер в почву, преимущественно с кислой и сильнокислой средой, и процесс биодеградации такого биопластика будет запущен.

Учитывая физические свойства полученного полимера – пластичность, гибкость относительную прочность на разрыв, и химические свойства - хорошую растворимость в органических растворителях и в воде по истечении достаточно непродолжительного (для разложения пластика) времени, считаем возможным использовать полученный биополимер для упаковки сыпучих сухих продуктов, изготовления пакетов для хранения и переноски продуктов.

Имея в своем составе древесный компонент, биоразлагаемый пластик, полученный в школьной лаборатории, можно использовать для изготовления деревянных панелей, плит и других строительных материалов для внутренних работ без доступа влаги и в сухих помещениях.

Заключение

Ежегодно человечеством используется более триллиона одноразовых пластиковых пакетов, это 2 миллиона каждую минуту. То, к чему уже привык человек, губительно для природы. Именно поэтому перед всем человечеством стоит важнейшая задача – сохранить природные богатства и экологию путем создания новых, современных, и менее губительных для планеты материалов.

В наиболее развитых странах принят на законодательном уровне запрет на использование одноразовых пластиковых пакетов, и в качестве альтернативы разрабатываются все новые виды биопластика, которые активно внедряются в производство.

В нашей стране пока только открываются заводы по вторичной переработке синтетических полимеров, что не решает проблему загрязненности пластиком окружающей среды и его утилизации. В настоящее время на стадии согласования с Правительством РФ находится документ, регламентирующий поэтапное сокращение полимеров при производстве упаковки, не способных к биодеградации.

В ходе нашего исследования мы изучили виды природных биоразлагаемых полимеров, смогли определить их достоинств и выделить недостатки. Мы подобрали материалы, с помощью которых смогли создать биоразлагаемый пластик – целлюлозосодержащие отходы (опилки плодовых деревьев), пластифицированный термопластичный крахмал и гранулированный полиэтилен, в условиях школьной лаборатории смоделировали технологический процесс создания биопластика. Изучив свойства полученного полимера, мы разработали практически рекомендации по его использованию.

Полученный в химической лаборатории школы биопластик способен биодеградировать, т.е разлагаться достаточно быстро, в средах с разной кислотностью, активнее всего в кислой среде, что позволяет говорить о нем, как о биоразлагаемом полимере, способном за достаточно короткий срок разлагаться в почве.

Кроме этого, изучив почвенную карту, мы смогли выяснить, что полученный нами пластик будет лучше всего разлагаться именно в сильнокислых и кислых (подзолистых и серых лесных) почвах, наиболее распространенных на территории нашего муниципального района.

Гипотеза, выдвинутая в начале нашего исследования: «Из целлюлозосодержащих отходов даже в условиях школьной лаборатории можно получить экологически безопасный биоразлагаемый материал», оказалась состоятельной и полностью доказанной в рамках нашего исследования.

Список используемой литературы

Васнев В.А. Биоразлагаемые полимеры // Высокомолекулярные соединения-1997- Серия Б- Том №39- №12- С. 2079-2080.

Вильданов Ш.Ф., Латыпова Ф.Н, Красуцкий П.А., Чанышев Р.Р. Биоразлагаемые полимеры - современное состояние и перспективы использования//Башкирский химический журнал-2012-Т.19 - №1- С.135-139.\

Глухих В.В., Шкуро А.Е., Гуда Т.А., Стоянов О.В. Получение, свойства и применение биоразлагаемых древесно-полимерных композитов (обзор) // Вестник казанского технологического университета – 2012-Т.15-№9 – С.75-82.

Масанов А.Ю. Биоразлагаемые пластики: текущее состояние рынков и перспективы // Вестник химической промышленности. № 3 (96), -2017 - С.42-45.

Павленок А.В., Давыдова О.В., Дробышевская Н.Е., Подденежный Е.Н., Бойко А.А., Получение и свойство биоразлагаемых композиционных материалов на основе поливинилового спирта и крахмала// Вестник ГГТУ им. П.О. Сухого, №1, 2018 – С.38-46.

Севастьянов Д.В., Сутубалов И.В., Дасковский М.И., Шеин Е.А. Полимерные биокомпозиты на основе биоразлагаемых связующих, армированных натуральными волокнами (обзор) // Авиационные материалы и технологии,- 2017- №4 (49)- С.48-49.

Тер Акопов С.Г., Гусев А.А., Бадыбин Д.В. Современное состояние, проблемы и тенденции развития производства биополимерных лигнинсодержащих материалов// Вестник ТГУ,- 2013 - Т.18, вып.5 - С.2940-2945.

Приложение 1. Навеска целлюлозосодержащего высушенного сырья

Приложение 2. Навеска и изготовление пластифицированного крахмала

Приложение 3. Навеска и изготовление пластифицированного крахмала

Приложение 4. Приготовление реакционной смеси - целлюлозосодержащего сырья, синтетического пластика и пластифицированного крахмала для дальнейшего запекания в электрическом духовом шкафу

Приложение 5. Образец биоразлагаемого пластика, полученного в результате исследования

Приложение 6. Микроскопическое исследование биопластика, полученного нами в школьной химической лаборатории

Фото 1. Микрофотография исследуемого образца. Увеличение х80

Ф ото 2. Микрофотография исследуемого образца

Приложение 7. Сравнение микрофотографии образца биополимера и микрофотографии пленки термопластифицированного крахмала

Фото 1 Фото 2

Фото 1. Микрофотография исследуемого образца. Увеличение х80

Фото 2. Микрофотография пленки термопластифицированного крахмала (А.В.Павленок, О.В.Давыдова, Н.Е. Дробышевская и др. Получение и свойств биоразлагаемых композиционных материалов из поливинилового спирта и крахмала). Увеличение х200

На данных снимках мы можем увидеть схожесть расположения глобул термопластифицированного крахмала в структуре полученного нами полимера и изучаемого А.В.Павленок, О.В.Давыдовой, Н.Е. Дробышевской в статье «Получение и свойств биоразлагаемых композиционных материалов из поливинилового спирта и крахмала».

П риложение 8. Исследование химических свойств полученного биопластика. Изучение воздействия лимонной кислоты, дистиллированной воды и агрохимиката «Росток» на исследуемые образцы.

 

1

2

Фото 1. Воздействие дистиллированной воды на образцы биопластика

Фото 2. Воздействие агрохимиката «Росток» на исследуемые образцы

Ф

3

ото 3. Исследование воздействия лимонной кислоты на исследуемые рбразцы.

П риложение 9. Почвенная карта юга Тюменской области

Приложение 10. Таблица 1. Исследование химических свойств полученного биоразлагаемого полимера

 

Образец 1

Образец 2

Образец 3

Образец 4

Образец 5

Вывод:

Кислая среда,

pH= 2,2

В течение первых 6 часов увеличился в объеме, во взвеси раствора появились частицы полимера. Изменил окраску раствора на желтоватый. Полностью растворился в течение 31 дня.

В течение первых 6 часов увеличился в объеме, раствора появились частицы полимера. Изменил окраску раствора на желтоватый. Полностью растворился в течение 30 дней.

В течение первых 6 часов увеличился в объеме. Изменил окраску раствора на желтоватый. Полностью растворился в течение 34 дней.

В течение 12 часов увеличился в объеме, раствора появились частицы полимера.

Изменил окраску раствора на желтоватый. Полностью растворился в течение 34 дней.

В течение первых 6 часов увеличился. В объеме раствора появились частицы полимера. Изменил окраску раствора на желтоватый. Полностью растворился в течение 32 дней.

В кислой среде увеличивается в объеме в течение первых часов. Изменил окраску раствора на желтоватый. Полное растворение происходит в среднем (по результатам 5 исследований) в течение 32,5 дней.

Нейтральная среда,

pH= 5,5

В объёме не увеличился. Полностью растворился в течение 36 дней.

В объёме не увеличился. Полностью растворился в течение 34 дней.

В объёме не увеличился. Полностью растворился в течение 38 дней.

В объёме не увеличился. Полностью растворился в течение 39 дней.

В объёме немного увеличился. Полностью растворился в течение 36 дней.

В нейтральной среде объем практически не изменяется. Полное растворение происходит в среднем (по результатам 5 исследований) за 36,5 дней

Щелочная среда,

pH=9,5

В объёме не увеличился. Полностью растворился в течение 41 дня.

В объёме не увеличился. Полностью растворился в течение 38 дня.

В объёме не увеличился. Полностью растворился в течение 42 дня.

В объёме немного увеличился. Полностью растворился в течение 41 дня.

В объёме не увеличился. Полностью растворился в течение 43 дня.

В щелочной среде объем практически не изменился. Полное растворение происходит в среднем (по результатам 5 исследований) за 41 день

П риложение 11. Процесс разложения биопластика под микроскопом. Увеличение х80.

Просмотров работы: 528