XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Биоразлагаемый пластик
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
В современном мире созданы материалы, которые прочны и долговечны во времени, например, пластик. Благодаря своим свойствам, т.е. относительно низкой стоимости производства и простоте обработки, пластические изделия сопровождают нас практически во всех областях жизни и техники. Они используются, в частности, в предметах домашнего обихода, спортивного оборудования, офисных товарах, электронике, в упаковках и т.п. Но пластик, кроме всех своих замечательных свойств, имеет недостатки. Он производится из невосстанавливаемых природных ресурсов — нефти, угля и газа. Его главное достоинство — долговечность. Чем больше пластмассы мы используем, тем быстрее растут горы отходов, которые не разлагаются в окружающей среде ни при каких условиях.
Проблема проекта
Загрязнение окружающей среды является одной из проблем, решение которой уже имеется, но многие не понимают для чего это нужно, и не думают о том, что рано или поздно экологическая катастрофа затронет каждого человека на земле.
Актуальность
Актуальность биоразлагаемого биопластика обусловлена несколькими ключевыми факторами, связанными с экологическими, экономическими и социальными аспектами:
1. Экологические проблемы: Пластиковые отходы представляют собой одну из самых серьезных экологических проблем современности. Они загрязняют океаны, реки и земли, нанося вред экосистемам и животным. Биоразлагаемый биопластик, который разлагается естественным образом, может значительно сократить количество пластика на свалках и в природе.
2. Снижение зависимости от ископаемых ресурсов: Традиционные пластики производятся из нефтепродуктов, что способствует истощению невозобновляемых ресурсов. Биопластик, изготовленный из растительных материалов, таких как кукуруза или картофель, позволяет снизить зависимость от ископаемых источников.
3. Снижение углеродного следа: Производство биопластиков часто сопровождается меньшими выбросами углерода по сравнению с традиционными пластиковыми изделиями. Это связано с тем, что растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза.
4. Устойчивое развитие: Разработка и использование биоразлагаемого биопластика поддерживает концепцию устойчивого развития, позволяя производить упаковку и изделия, которые минимизируют негативное воздействие на окружающую среду.
5. Потребительский спрос: С ростом осведомленности о проблемах экологии и устойчивого потребления увеличивается спрос на экологически чистые продукты. Биоразлагаемый биопластик отвечает на этот запрос, предлагая альтернативу традиционным пластиковым изделиям.
6. Инновации и новые технологии: Разработка биопластиков стимулирует научные исследования и инновации в области материаловедения, что может привести к созданию новых, более эффективных и экологически чистых материалов.
7. Законодательные инициативы: Во многих странах принимаются меры по ограничению использования одноразового пластика и продвижению более устойчивых альтернатив. Биоразлагаемый биопластик становится важной частью этих инициатив.
Таким образом, биоразлагаемый биопластик представляет собой важный шаг к более устойчивому будущему, способствуя решению проблемы пластиковых отходов и снижению негативного воздействия на окружающую среду.
Цели
Изучить виды биоразлагаемого пластика, сделать экопластик самостоятельно.
Задачи
Изучение литературы по теме загрязнения окружающей среды.
Осуществление эксперимента по созданию биопластика в домашних условиях.
2. Что такое биопластик и его разновидности
Пластиковая масса – это материал на основе синтетических полимеров, способный приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять её после охлаждения [1].
Биопластики — это полимеры, полученные из растительного сырья. Они могут быть сделаны из побочных продуктов сельского хозяйства или из вторичного полимерного сырья, с применением микроорганизмов. В результате производится материал, доступный для природных деструкторов – бактериологических организмов, разлагающих полимеры [2].
Семейство пластика условно можно разделить на четыре основные группы:
Группа 1. Небиоразлагаемые пластики из ископаемого сырья. Это все «традиционные» для нефтехимии крупнотоннажные полимеры: полиэтилен, полиуретан и другие.
Группа 2. Биоразлагаемые пластики из ископаемого сырья. Это полностью синтетические материалы, получаемые традиционными методами нефтехимической промышленности из вполне классического углеводородного сырья, однако способные в силу своих структурных особенностей подвергаться биоразложению.
Группа 3. Небиоразлагаемые пластики из природного сырья. В эту группу включаются главным образом «классические» пластики типа полиэтиленов.
Группа 4. Биоразлагаемые пластики из природного сырья. Сюда относятся все биопластики. [3].
Классификация по способности к биоразложению
Категории биоразлагаемости:
Компостируемые полимеры: разлагаются в условиях промышленного компостирования (температура 58 градусов Цельсия и выше, влажность около 98 процентов) за 3-6 месяцев с превращением не менее 90 процентов материала в углекислый газ, воду и биомассу.
Почвенно-биоразлагаемые: способны разлагаться непосредственно в почве под воздействием почвенной микрофлоры, процесс занимает от 3 месяцев до 2 лет.
Водоразлагаемые: разрушаются в водной среде (пресной или морской) за счет гидролиза и микробной активности, период разложения составляет от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от толщины изделия.
Медленно разлагаемые: требуют длительного времени для полного разложения (2-4 года), но все равно значительно быстрее традиционных пластиков. [4].
3. Биопластик в промышленных масштабах
Производство биополимеров всё время растёт. К 2026 году процент использования таких материалов уже составляет 43%. Кукуруза – сырьё для изготовления пластика. Из специально выращенных сортов извлекают крахмал или сахар и производят природную биомолекулу, пригодную для дальнейшей переработки. Крахмал — изделия из модифицированного крахмала можно красить, но его технологические свойства ещё уступают полиэтилену. И всё-таки из крахмала уже делают поддоны для пищевых продуктов, сельскохозяйственные плёнки, упаковочные материалы, столовые приборы, сетки для хранения овощей и фруктов и многое другое. [4].
4. Проблемы производства биоразлагаемого пластика
Учёные считают, что производство биопластиков к 2027 году будет составлять до 5 миллионов тонн, но говорить о массовом выпуске пока не представляется возможным. Проблема в деньгах, т.к. биопластики стоят в 2–7 раз дороже, чем их аналоги. В настоящее время в масштабе производят только полимеры с уникальными свойствами, например, те, которые используют в фармакологии и медицине. [4].
5. Основные области применения биопластика
Биопластик применяют в производстве:
-
одноразовой посуды и пищевых контейнеров;
-
упаковки для фруктов, овощей, кондитерских изделий;
-
биоразлагаемых пакетов и плёнок;
-
медицинской упаковки.
Сельское хозяйство:
Биопластик используют в различных продуктах, например:
-
Биоразлагаемая мульча — изготовлена из материалов растительного происхождения, которые расщепляются на питательные вещества, обогащая почву. Повышенное содержание питательных веществ в почве повышает урожайность сельскохозяйственных культур и снижает потребность в синтетических удобрениях.
-
Экологичная упаковка для хранения продукции — обеспечивает более длительный срок хранения, защиту от влаги и температурную устойчивость.
-
Горшки для растений и покрытия для семян.
-
Компоненты компостируемого сельскохозяйственного оборудования.
Медицина
Биоразлагаемый пластик применяют для создания биосовместимых и биоразлагаемых медицинских изделий, таких как швы, костные импланты и лекарственные капсулы.
Электроника
Биопластик используют для изготовления:
-
корпусов компьютеров, элементов клавиатур, компьютерных мышей;
-
корпусов смартфонов, наушников;
-
печатных плат и упаковки полупроводников.
Биопластики можно формовать под давлением без модификаций существующего оборудования, что позволяет их использовать вместо нефтехимических эквивалентов для пластиковых корпусов и деталей. [5].
6. Описание исследования (практическая часть)
А теперь я расскажу, как я проводила свой эксперимент по созданию биопластика и исследованию его свойств.
День 1 Проанализировав всю информацию, я решила сделать экопластик из молока. Я нашла рецепт для изготовления биомассы из молока. Взяла кастрюлю, нагрела в ней стакан молока почти до кипения, вылила в молоко столовую ложку уксуса. Молоко стало сворачиваться. Процедила его через марлю. Получила материал, похожий на мягкий пластилин. Сделала форму для ложек, стала формировать ложку из получившейся массы. Я заметила, что масса скатывается. Я предположила, что пропорция для изготовления массы неверная.
День 2 После высыхания ложка треснула, и я убедилась, что пропорция была неверная. Решила подобрать правильную пропорцию. В итоге получила следующую пропорцию: молоко к уксусу = 16:1. Изготовив массу в данной пропорции (однородная, пластичная, легко раскатывается), сформировала пуговицы.
День 3 Пуговицы затвердели. Я заметила, что на них появилась плесень. Стала искать информацию о том, как можно сохранить натуральный продукт максимально долго. Узнала о различных консервантах и решила использовать глицерин. Изготовила массу с добавлением глицерина (заменила одну часть молока на глицерин). Из получившейся массы сделала пуговицы.
День 4 Пуговицы высохли. Начинаю эксперимент: поместила пуговицу в торфяной горшочек, засыпала почвой и посадила семена петрушки. Для сравнения во вторую ёмкость поместила магазинный экопластик. Некоторые пуговицы я оставила на открытом воздухе.
День 5 Я задалась вопросом, как мои пуговицы поведут себя в воде? Взяла стакан, поместил в него пуговицу, начала наблюдение. Для сравнения во второй стакан поместила экопластик, купленный в магазине.
День 15 Каждый день поливала закопанный пластик. На 15 день в горшочке с самодельным пластиком проросла петрушка. При этом земля была покрыта белой плёнкой. Я сделала вывод, что экопуговицы начали процесс разложения. В горшке с магазинным экопластиком не было никаких изменений. Также в стакане с самодельным пластиком вода стала мутной, но пуговица сохранила свою форму, но стала чуть мягче. В стакане с магазинных экопластиком вода прозрачная, пластик такой же твёрдый.
День 20 В горшочке с магазинных экопластиком также проросла петрушка. Продолжаю каждый день поливать. В стаканы добавила воды, так как она испарилась.
День 25 Я обратила внимание, что петрушка завяла. Мне подсказали, что надо горшочки переставить ближе к свету, что я и сделала. В стакане с самодельной пуговицей произошли значительные изменения: вода мутная, покрылась толстой белой плёнкой, появился неприятный запах, пуговица стала мягкой – процесс разложения явно выражен. В стакане с магазинным экопластиком процесс без изменений: вода прозрачная, без запаха, пластик твёрдый.
День 30 Я обратила внимание, что в горшке с самодельным пластиком снова ожила петрушка. Продолжаю поливать. В стаканах заменила воду.
День 35 Пока идёт процесс разложения биопластика, я решила проверить самодельный пластик на прочность. Для этого я пришила пуговицы, затем ткань постирала с другими вещами. Первая стирка холодная, температура воды 30 градусов, вторая стирка при температуре воды 60 градусов, третья стирка при температуре воды 90 градусов. Пуговицы выдержали данное испытание на отлично, только после третьей стирки края пуговиц размыло, так как они были не прессованы, как вся пуговица. Хочу обратить внимание, что каждая стирка заканчивалась отжимом на 1000 оборотов, а это достаточно большая нагрузка.
День 38 Продолжаю испытывать пуговицы на прочность: бросала их с высоты 1 м, 2м, 2,6м. Пуговицы выдержали и это испытание на отлично.
День 50 Я решила раскопать биопластик. С магазинным экопластиком не произошло никаких изменений: он сохранил свой цвет, форму и прочность. Самодельный экопластик полностью разложился, от него не осталось и следа! В стаканах с водой аналогичная ситуация: с магазинным экопластиком не произошло особо никаких изменений (слегка пожелтел), а самодельный экопластик почти полностью растворился, лишь на поверхности воды плавали сильно размягчённые остатки пуговицы.
7. Заключение
В ходе своего наблюдения я провела сравнительный анализ предметов из биопластика. Контрольной группой у меня были ложки из биопластика, купленные в магазине. Мне интересно было самой получить биомассу из молока, а также провести исследования свойств предметов, сделанных из неё. Цель моего проекта достигнута и задачи решены: мне удалось в домашних условиях получить образец биоразлагаемого пластика на основе природного продукта – молока. Полученный биопластик способен полностью разлагаться в почве примерно в течение 50 дней, а также полностью разлагается в воде за более длительный промежуток времени. При этом данный биопластик достаточно прочен и влагоустойчив. Я считаю, что его можно использовать для производства одноразовой посуды, которая составляет четверть всех пластиковых отходов. Созданный мной экопластик был получен из молочной сыворотки, которая появляется при скисании молочных продуктов, таким образом, экопластик, полученный в ходе моей исследовательской работы, можно производить из сыворотки испорченных (просроченных) молочных продуктов. Моя гипотеза подтвердилась: изделия из созданного мною биопластика экономически выгодны, достаточно прочны и удобны в употреблении, а главное экологически безопасны. Мне было интересно проводить исследование. Я теперь уверена, что решить проблему загрязнения планеты от пластика можно при замене его биоразлагаемыми материалами, прежде всего природного происхождения.
8. Список литературы
1. Большой энциклопедический словарь / гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия; СПб.: Фонд «Ленинградская галерея», 2002. — 1628 с. : ил., карт.; 27 см.
2. Лешина А. Пластики биологического происхождения, «Химия и жизнь», 2012 г, № 9.
3. Биоразлагаемый пластик – панацея от всех экологических бед? – Режим доступа: https://zen.yandex.ru/media.
4. Биоразлагаемые Полимеры. – Режим доступа: https://inner.su/articles.
5. Научный электронный журнал. – Режим доступа: https://www.вестник-науки.рф.