V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Биопластик – технология будущего
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность моей работы в том, что биополимеры на растительной основе можно и следует перерабатывать вторично, однако в тот момент, когда это невозможно их необходимо не захоранивать, а использовать в качестве источников для получения энергии, например, на энергетических установках . Что касается упаковок из этого материала, то их можно перерабатывать вторично, а в конце жизненного цикла – компостировать с получением высококачественного компоста.
При изучении данной работы, я поставил перед собой цель: Определение экологической безопасности биопластика.
Реализация поставленной цели складывается из решения следующих задач:
- Изучить научно-исследовательскую литературу о биопластике;
- Изучить состав биопластика, и его влияние на организм человека и окружающую среду;
- Провести лабораторно - исследовательскую работу на изучения свойств полиэтилена и биопластика;
- Провести акцию по сбору полиэтиленовых крышечек;
- Сделать выводы;
- Предложить рекомендации.
Гипотеза провести ряд сравнительных опытов по изучению свойств биопластика и влияния его на организм человека и окружающую среду, то их результат подтвердит или опровергнет теоретические представления о негативном воздействии биопластика на организм человека и окружающую среду.
Значимость данной научно – исследовательской работы видится в том, что 2017 год объявлен годом экологии. Загрязнение окружающей среды в век новых технологий актуальна как никогда.
I. Теоритическая часть
1.1 История возникновения
Первая пластмасса была получена английским металлургом и изобретателем Александром Парксом в 1855 году. Паркс назвал ее паркезин (позже получило распространение другое название – целлулоид). Паркезин был впервые представлен на Большой Международной выставке в Лондоне в 1862 году.
Развитие пластмасс началось с использования природных пластических материалов (производство жевательной резинки, шеллака). Затем оно продолжилось с использованием химически модифицированных природных материалов. Так производились резина, нитроцеллюлоза, коллаген, галалит. И, наконец, пришло к полностью синтетическим молекулам (бакелит, эпоксидная смола, поливинилхлорид, полиэтилен и другие). Они и получили широкое применение.
Т.к. ни одна отрасль в наше время не обходится без пластика, я только напомню, что для производства его созданы сотни заводов, фабрик и комбинатов. Только в нашей стране их – великое множество.
Но необходимо отметить, что производят большую часть пластмассы в России две компании - титаны «Нордпласт» и «Стеллар», а сколько ещё предприятий помельче. У нас в Башкирии можно отметить «Ремполимермаш» в Уфе, «Пластмасыч» в Октябрьском, несколько видов продукции из пластмассы выпускают наши заводы «Химпром» и «Синтезспирт» и др.
1.2 Обработка пластика
Получают синтетические пластмассы путем определенных химических реакций. Используют для них вещества, выделяемые из угля, нефти и природного газа. Когда в старших классах я буду изучать химию, я, наверно, лучше объясню этот процесс. Но я запомнил, что существует несколько методов обработки пластика.
Механическая обработка – это когда применяется очень высокое давление без какой-либо смазки. В конце процесса изделие охлаждается струёй воздуха. Пластмасса может быть обработана на токарном станке, а может на фрезерном.
Также одним из способов переработки пластмасс является ротоформование. Считается, что ротационное формование полимеров началось в конце 30-х годов прошлого века. Так производили пляжные мячи, мягкие игрушки, а во время Второй мировой войны стали производить колбы шприцев, мягкие бутылки, воздушные подушки, эластичные баллоны.
В основе этого метода лежит достаточно простой принцип. Загружают определённое количество полимера (порошок, например, гранулы или жидкость) в полую форму, которая состоит из двух частей. Потом её вращают и раскачивают, ещё и нагревают одновременно. Потом начинают охлаждать и тоже вращают, чтобы получить заданную форму. Сейчас этот метод используют для изготовления полимерных оболочек. Температуру и частоту вращения контролирует компьютер.
Как метод обработки полимеров существует ещё сварка. Только при помощи сварки можно получить соединение без инородных материалов, т.е. не использовать болты, заклепки, клей. Сварку применяют тогда, когда нужны изделия особой прочности и герметичности. Здесь нужна очень высокая температура.
Применяются различные виды сварки: сварка газом, сварка оплавлением, сварка в электрическом поле и др., но этот разговор больше для специалистов.
1.3 Области применения изделий из пластика
Трудно перечислить все области, в которых применяются пластмассы и изделия из них. Поэтому укажем только некоторые из них.
Вот такие замечательные получаются современные изделия из высокопрочного, морозоустойчивого, стойкого к солнечному свету полиэтилена. Используют их для хранения, приготовления и транспортировки продуктов.
Когда – то не так давно все молочные продукты, воду, соки, варенье и джемы выпускали в стеклянной таре. Её ещё и сдавали для повторного использования и получали за это деньги. Сейчас почти всё упаковано в пластик.
Особо нужно сказать о пластмассовых игрушках. Они давно заменили деревянных лошадок, да и в школу мы почему – то стараемся принести пластиковые пеналы, а в них – пластиковые линейки, точилки и ручки. Учебники и тетради наши обернуты в полиэтилен.
Сейчас нет ни одного здания, где бы при его постройке ни использовались пластмассовые материалы, особенно уже при отделке. Начиная с пластиковых окон и дверей и заканчивая плинтусом.
Даже в такой щепетильной отрасли, как медицина, которая больше других должна быть заинтересована в экологически чистой продукции для людей, невозможно обойтись без пластика. В некоторых случаях пластичные материалы здесь предпочтительнее других. Так, например, в нашей Республиканской клинической больнице, в травмо – ортопедическом отделении мне рассказали, что когда – то больным вместо изношенных тазобедренных и коленных суставов ставили металлические. Они были тяжелые, даже часто скрипели при ходьбе. Сейчас это легкие, прочные и подвижные протезы, при изготовлении которых используется и пластик, естественно самого высокого качества.
Точно также обстоит дело и с зубопротезированием. Чем совершеннее стоматологическая индустрия, тем больше различных видов пластика в ней используются. Хотя чисто пластмассовые протезы раннего периода сейчас не приветствуются. Они не долговечны, узнаваемы во рту, в сколах и трещинах пластмассы могут размножаться вредные микробы. На первое место в протезировании сегодня вышли нейлоновые протезы.
Появились совсем другие спортивные товары – для туризма, спортивных занятий и игр. А также инвентарь, оборудование, одежда и обувь. И здесь используется пластик. Например, шест для прыжков делают сейчас из высококачественного пластика, и по какой - то особенной технологии.
Обязательно нужно сказать и про пластмассовые информационные носители. Диски, флеш-карты, дискеты, ленточные носители и др. мы используем ежедневно.
Одним словом, много – много пластика вокруг нас. Он вытесняет другие материалы – дерево, металл, стекло. Почему? Ведь они более экологичны и безвредны для человека.
1.4 Свойства пластических масс
Вот здесь лучше посмотреть на свойства пластмасс и их отличительные особенности:
- пластмассы имеют высокую степень плотности;
- они прочные;
- не подвергаются коррозии;
- не боятся кислоты, соли и щелочи (поэтому их используют при строительстве предприятий - химической промышленности, канализационных сетей и т.п.)
- пластмассы плохо проводят тепло (их используют как теплоизоляционный материал);
- они хорошо окрашиваются в любые цвета и долго их сохраняют;
- пластмассы почти не поглощают воду (поэтому полимеры используют при изготовлении клеев);
- пластмассы лёгкие, прозрачные и относительно долговечные;
- они проще в изготовлении.
1.5 Опасен или нет?!
Судя по всему, в будущем значение пластмассы в нашей жизни только увеличится. Вот мы с дедом посмотрели документальный фильм о выставке «Пластичность». Её открыли в честь 100-летия пластмассы в Лондоне в Музее наук. Очень интересные вещи будущего там были представлены: пластмассовая кровь, проект самолета, который может менять форму в полете, ботинки.
Однако, всё больше и больше исследователи говорят о том, что некоторые виды пластика могут быть небезопасны.
В 1988 году Общество Пластмассовой Промышленности разработало систему маркировки для всех видов пластика и универсальные коды переработки. Эта маркировка является международной.Не менее вредное влияние оказывают некоторые виды пластика и на окружающую среду. Люди выбрасывают более триллиона пластиковых пакетов сразу же, как только один раз ими воспользовались. Только каждая четвертая бутылка вторично перерабатывается. Значит, миллионы тонн пластика ежегодно отправляются на свалку или, ещё хуже, в водоемы и в землю. В природе нет таких микроорганизмов, которые бы переработали пластмассу за короткое время. Нужно 500 лет. Представляете, вас уже нет, а брошенный вами стаканчик будет лежать в лесу ещё 5 веков?!
1.6 Вторичная переработка
Таким образом, получается, что в течение всей жизни пластиковых изделий – от производства до утилизации – они приносят вред и человеку, и природе.
Конечно, полностью отказаться использовать в нашей жизни такой материал не получится, но продолжать использовать его бездумно нельзя. Да и кроме экологической проблемы, стоит вопрос о запасах нефти. Она является основой приготовления пластмассы.
Значит, необходимо срочно наладить безвредную утилизацию этой продукции и придумать, как использовать пластик несколько раз.
Интересное решение предложили японцы. На выставку «Пластичность» они выставили автомобиль фирмы Тойота, сделанный из пластмассы, в основе которой растительное сырье.
Пластиковые отходы должны перерабатываться. Сжигать их нельзя – выбрасываются в атмосферу вредные вещества.
Уже сейчас существуют некоторые способы переработки пластика: (пиролиз, гидролиз, гликолиз, метанолиз).
Вот как работает один из них: в машине температура около 500°С, нет кислорода, с помощью пиролиза в реакторе с кипящим слоем разлагаются куски пластмассового мусора, при этом многие полимеры распадаются на исходные мономеры. В конце получаются воск, стирол, углерод и другое, что составляло пластик. Теперь эти продукты являются сырьём для лёгкой промышленности. Эта технология позволяет сэкономить средства и не закапывать отходы, а также может приносить прибыль.
Кроме того, и в повседневной жизни можно постараться дать «вторую жизнь» пластмассовым изделиям: и дети, и взрослые могут изготовить для птиц кормушки, для себя шахматы, различных «зверюшек», грибочки для клумб в саду и в своем дворе. Из одноразовой пластиковой посуды я сам изготовил макет космолёта и даже занял первое место в конкурсе поделок из бросовых материалов, приуроченного ко дню космонавтики.
1.7 Биопластик – технология будущего.
О биопластиках сейчас говорят и пишут много, с каждым годом исследовательская, производственная и информационная волна стремительно охватывает все больше людей: химиков, технологов, дизайнеров, производителей, потребителей. Давайте и мы поговорим о биопластиках для жесткой упаковки, их экологической роли и перспективах использования на рынке упаковки, развеивая ряд мифов о биопластиках и биоразложении.
Биопластики – собирательный термин для обозначения полимерных материалов, удовлетворяющих хотя бы одному из следующих критериев: материалы, полностью или частично получаемые из возобновляемого сырья пластики на растительной основе) и материалы, способные к разложению под воздействием природных микроорганизмов (биоразлагаемые пластики). Заметим здесь, что Международный союз теоретической и прикладной химии IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) рекомендует не использовать слово «биопластик» и предлагает использовать корректные выражения, например, «полимер биологического происхождения» , поскольку люди, мало знакомые со свойствами данных материалов, могут посчитать материал с приставкой «био» автоматически экологически безопасным. Однако мы не можем игнорировать тот факт, что России широко используются термины «биопластик» и «биополимер».
Первые биополимеры появились еще в середине XX века, но только в последнее десятилетие они переживают настоящий бум в связи с ростом цен на нефть, повышением интереса к возобновляемым ресурсам, ростом обеспокоенности изменением климата, вниманием к утилизации отходов. Также это связано с развитием конкуренции стран Европы и Америки со странами Азии, производящими дешевые полимеры из ископаемого сырья.
Для наглядности, приведем классификацию пластиков, предложенную Европейской ассоциацией биополимеров (European Bioplastics)
1.8Классификация полимеров
Как мы видим, биополимеры вовсе не обязательно биоразлагаемые материалы, в то же время, традиционные пластики могут быть биоразлагаемыми.
Биоразложение (биодеградация, биологический распад) в общем случае представляет собой распад какого-либо вещества в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Конечным результатом этого процесса являются устойчивые, простые соединения (такие как вода и углекислый газ), т.е. происходит разделение органических химических соединений с помощью микроорганизмов на углекислый газ, воду и минеральные соли любых других присутствующих элементов (минерализация) и новую биомассу в присутствии кислорода либо разделение на углекислый газ, метан, минеральные соли и новую биомассу в отсутствие кислорода. То есть, в случае с упаковкой биоразложение – это разрушение использованной упаковки, вызванное биологической активностью микроорганизмов, ведущей к существенному изменению физико-химической структуры материала упаковки.
Биоразложение всегда определяется заданными условиями (например, наличием кислорода, определенной температурой) в определенный промежуток времени. То есть материал не может быть биоразлагаемым «вообще», а может только в определенных условиях. Для сравнения различных материалов по способности к биоразложению разработана специальная тестовая методика.
1.9 Экологические преимущества биополимеров.
Наиболее важное преимущество – снижение углеродного следа. Углеродный след – это совокупность выбросов всех парниковых газов, произведенных человеком, организацией, мероприятием, продуктом, городом, государством прямо или косвенно. Снижение выбросов парниковых газов – а значит, собственного углеродного следа – можно считать показателем экологически ответственного поведения. Биологическое сырье для пластиков – всегда растения (кукуруза, сахарный тростник, зерновые), которые фиксируют углерод в процессе фотосинтеза и запасают его в конечном продукте, то есть он не попадает в атмосферу в период использования упаковки. Если упаковку перерабатывать, то углерод так и останется законсервированным в биополимере.
Любые растения – возобновляемые источники энергии, что позволяет уйти от зависимости от невозобновляемых, таких как нефть и природный газ. Некоторые скептики утверждают, что выращивание сырья для биопластиков приведет к сокращению сельскохозяйственных земель, однако на сегодняшний день беспокоиться не о чем. Растения для сырья для биополимеров сейчас занимают 0,01% мировых сельскохозяйственных земель. Визуально эту величину можно представить как томат-черри и Эйфелева башня.
Биополимеры на растительной основе можно и следует перерабатывать вторично, однако в тот момент, когда это невозможно их необходимо не захоранивать, а использовать в качестве источников для получения энергии, например, на энергетических установках .
Резюмируя, можно сделать три основных вывода.
Использование пластиков на растительной основе позволяет значительно сократить углеродный след упаковки, сохранить не возобновляемые природные ресурсы и снизить зависимость от нефти и природного газа.
Наиболее экологически и экономически предпочтительный способ утилизации биополимеров – получение полезного продукта. Это может быть вторичное использование, вторичная переработка, получение компоста или сжигание с получением энергии.
Наилучшая доступная технология в производстве биоразлагаемой упаковки должна быть основана на использовании отходов других производств (например, целлюлозно-бумажной промышленности или сельского хозяйства) из местного сырья .
Мы видим, что биополимеры действительно значительно экологичнее, чем упаковка из традиционного пластика. Можно утверждать, что это важный шаг на пути к низко углеродной экономике. Несмотря на пока относительно высокую стоимость, их использование позволяет создать наименьшее влияние на окружающую среду. Это важно не только для компании, использующей такую упаковку, но и для покупателей. С каждым годом число экологически ориентированных потребителей увеличивается, особенно это относится к жителям больших городов, где кроме цены товара начали иметь значение и нефинансовые характеристики. К ним можно отнести социальную и экологическую ответственность компании-производителя, экологические характеристики как упаковки, так и маркетинговых программ.
Конечно, идеализированной представляется картина, когда российский производитель использует биопластики на растительной основе или PLA для упаковки, использует возобновляемые источники энергии (такие как ветер или солнце), для печати на упаковке использует только соевые чернила. Но такие примеры в международной практике стали встречаться все чаще, так что мы надеемся, что и российские производители возьмут это на вооружение.
II. Практическая часть.
На первом этапе своего исследования мы провели социологический опрос в школе. Слышали ли вы что - нибудь о биопластике? В опросе приняло участие 345 человек и только 85 из них имели, какое то представление о биопластике.
Далее мы изучили маркировку пластика и пришли к выводу, что в городе имеется посуда из биопластика, но не в больших количествах, чаще всего встречается продукция вторичной переработки.
Какая же польза от биопластика?
Далее мы изучили свойства биопластика. Проверили его на разложение и горение.
Такой же эксперимент мы провели с пластиком.
Далее была составлена сравнительная таблица пластика и биопластика.
В магазине «Айгуль» стартовала акция «Собирай крышечки – спасай жизнь». Меня заинтересовала данная акция потому, что как такая маленькая крышечка может спасти жизнь ребенку. Оказывается, если у вас нет денежных средств, или вы сомневаетесь в адресной помощи, тогда вам необходимо сдавать полиэтиленовые крышечки, которые будут переработаны во вторсырьё, полученные деньги будут переправлены в фонд, а уже сам фонд будет закупать всё необходимое для больного ребёнка.
Выводы
- Использование пластиков на растительной основе позволяет значительно сократить углеродный след упаковки, сохранить не возобновляемые природные ресурсы и снизить зависимость от нефти и природного газа.
- Наиболее экологически и экономически предпочтительный способ утилизации биополимеров – получение полезного продукта. Это может быть вторичное использование, вторичная переработка, получение компоста или сжигание с получением энергии.
- Наилучшая доступная технология в производстве биоразлагаемой упаковки должна быть основана на использовании отходов других производств (например, целлюлозно-бумажной промышленности или сельского хозяйства) из местного сырья.
А вот как мы еще используем пластик: ручка на крышку от кастрюли, дверная ручка, отличный наряд для тематической дискотеки, декорации к празднику.
Рекомендации
- в магазинах использовать принесенную из дома сумку;
- отказываются от пакетов на кассах;
- хлеб покупать в бумажной упаковке;
- использовать биопакеты для мусора (период распада 3 года).
Когда вы в следующий раз пойдете за покупками – подумайте о нашей планете. И сделайте правильный выбор.
Литература:
1. Занимательная книга знаний в вопросах и ответах / пер. с анг. М. Беньковская и другие. – М.: МАХАОН, 2012.- 160 с.
2. Иллюстрированная энциклопедия почемучек / пер. с анг. Кабановой. – М.: АСТ:Астрель, 2008. – 210 с.
3. Камерилова Г.С. Экология города. – М.: Дрофа, 2010. – 287 с.
4. Кацура А.В. Отарашвили З.А. Экологический вызов: выживет ли человечество. – М.: МЗ Пресс, 2005. – 80 с.
5 Коваленко О. Биоразложение: углеродный след упаковки. 14.10.2011. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: www.miru.ru/about/articles/id15 (20.08.2014).
6. Официальный сайт Европейской ассоциации биопластиков. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://en.european-bioplastics.org/technologymaterials/materials (20.08.2014).
7. Розанов Л.Л. Геоэкология. – М.: Вентана-Граф, 2006. – 320 с.
8. Садовникова Л.К. Биосфера: загрязнение, деградация, охрана: Краткий толковый словарь. – М.: Высшая школа, 2007. – 125 с.
9. Универсальная иллюстрированная энциклопедия почемучек и оттогочек: для очень любознательных детей / (Кейт Вудвард и другие) / пер. с анг. И. Алчева и другие. – М.: Астрель, 2012. – 110 с.
10. Что? Зачем? Почему? Большая книга вопросов и ответов / Перевод с испанского. – М.: Эксмо, 2012. – 512 с.
Приложение. Лист №1
Приложение. Лист № 2.