Ali je plastika lahko trajnostna?

Transcript

1 Gimnazija Vič, 26. marec 2013 Ali je plastika lahko trajnostna? Andrej Kržan, Kemijski Inštitut, Ljubljana This project is implemented through the CENTRAL EUROPE programme co-financed by the ERDF

2 Plastika - Neljubi prijatelj Plastika velika skupina materialov izjemna razširjenost in uporabnost, rast uporabe Odnos je zelo ambivalenten (ljubezen in sovraštvo) Kaj je res in kaj ni? ali je varna? ali škoduje zdravju, okolju? Kaj je prava (najboljša) pot naprej? Cilj: Predstaviti kako je plastika sonaravna, podati informacije, ki se jih lahko uporabi pri pouku

3 Polimer vs. Plastika Polimer je snov z - Visoko molsko maso - Sestavljena iz ponavljajočih se enot (monomer) Plastika je material - Formuliran in pripravljen za uporabo. - Poglavitna sestavina so polimeri.

4 Plastika -zgodovina Naravni materiali - omejitve: lastnosti, razpoložljivost, predelava Iskanje novih materialov ki bi bili: - bolj enostavni za predelavo - imeli dobre lastnosti - poceni Nitroceluloza - prva plastika - Osnova obnovljiv vir colloidon (viskozna raztopina) Parkesine (prva plastika) Celluloid Hyatt (prva komercialno uspešna plastika)

5 Plastika -zgodovina Najprej nadaljevanje izrabe naravnih surovin Proteini, celuloza, olja, fenol, formaldehid Razvoj petrokemije in pojav novih surovin (kerozin 1840) Razvoj razumevanja: Hermann Staudinger 1920 (Nobelova nagrada 1953) Polimer je snov z visoko molekularno maso sestavljena iz ponavljajočih se enot. Polietilen 1898 slučajno odkritje, gretje diazometana 1933 etilen pod visokim tlakom, 1935 ponovljivo, 1939 proizvodnja za vojaško uporabo 1953 Ziegler Natta katalizator za sintezo pod nizkim tlakom UHMWPE

6 Plastika -zgodovina Poliamid nylon Prva sinteza 1935 Vlakna pred 2. SV 80 % bombaž, 20 % volna % umetna vlakna Polistiren Prva sinteza 1839 Proizvodnja 1931 Penjeni PS (EPS) 1949

7 Uporaba Otrok 2. SV Sledi izjemno hitra rast vrst in količin 265 milijonov ton vrst > 75 % HDPE, LDPE, PP, PVC, PET

8 Uporaba Uporabe na vseh področjih - skoraj nenadomestljiva Osnova sodobnega življenja: varnost, hrana, zdravje, bivališča, zabava

9 Uporaba

10 Prihodnost Polimeri nadaljujejo vstop v nove uporabe (biomedicina, elektronika, tehnika, energija, gradbeništvo) in dajejo odgovore na pomembne izzive Polimeri = nižanje izpustov CO 2

11 Prihodnost Torej je vse odlično in bo še bolje? 2 plati: - trajnostna - netrajnostna

12 Trajnost iz uporabe Izolacija Nižanje mase (transport + vozila) Manjša izguba hrane Proizvodnja obnovljive energija Zamenjava manj učinkovitih materialov

13 Trajnost Višanje trajnosti z boljšo (ali smiselno) izrabo Učinkovita izraba - masa Ponovna uporaba X krat 100 % Recikliranje Izraba energije (sežig) Neuporaba!

14 Odpadki Poti za oskrbo je dosti okolje EU 50 % plastike odlaganje

15 Težava Plastika vstopa v naravna okolja Mote Marine Lab

16 Nastanek Na osnovi fosilnih virov Tokokrog, ki ne deluje! (CO 2 - okoljski vidik) Cena nafte v prihodnje? (ekonomski vidik)

17 Bioplastika Bioplastika = Biorazgradljiva plastika in/ali plastika iz naravnih surovin (definicija European Bioplastics v uporabi v industriji) Bio razgradljiva plastika Plastika iz obnovljivih virov Plastika = 265 M ton (2010) (Plastics Europe) Torej: Vir je lahko obnovljiv ali neobnovljiv Material je lahko biorazgradljiv ali nerazgradljiv Bioplastika M ton biorazgradljiva plastika (iz neobnov) ton plastika iz obnovljivih virov (ne biodeg) ton (European Bioplastics)

18 Obnovljiv vir - nerazgradljivo Zgodovinsko so bile vse plastike narejene iz obnovljivih virov (ni bilo petrokemijske industrije) Namen je bil narediti tembolj obstojen material 1869 Nitroceluloza: Hyattove krogle za biljard Galalit (kazein + formaldehid) Razlogi danes: Enostavno dostopni osnovni gradniki Primer: poliamid 11 iz undekanojske kisline (iz ricinusovega olja) Uporaba obnovljivega vira

19 Biorazgradljiva plastika Uporabnost umetnih polimerov V določenem času in pod določenimi pogoji razpadejo na okolju nenevarne spojine. Razpad vključuje biorazgradnjo! Biorazgradnja pomeni da (mikro)organizmi BP presnovijo. Zato je smiselno uporabljati naravne ali slične gradnike Glede na vir ločimo naravni polimeri (škrob, kolagen, hitosan...) modificirani naravni polimeri (viskoza, metil celuloza..) umetni polimeri (PGA, PLA, PCL...)

20 Termoplastični škrob Polimerna struktura škroba ohranjena medtem ko je granularna struktura uničena pod vplivom toplote, mešanja in plastifikatorjev (npr. voda, glikoli) Uporaba v kompozitih, mešanicah in večplastnih materialih Zmesi z PCL, PHA itd. Biorazgradljiv L. Averous, University Strasbourg: Zbiranje organskih odpadkov, paroprepustna embalaža Mater-bi (Novamont) kap t/a Penjen škrob za emabaliranje

21 Polimlečna kislina = Polilaktid Alifatski poliester Monomer proizveden s fermentacijo Kemijska polimerizacija - kopolimeri Natureworks (ZDA) kap t/a Purac (NL) Kingfa (Kitajska) Biorazgradljivo O H O H H O C C CH 3 C C O O CH 3 H O C C CH 3 C C O O CH 3 H O O C C C C CH 3 O H O CH 3 LL-Laktid (mp 97 C) LD-Laktid (mp 52 C) DD-Laktid (mp 97C)

22 Polihidroksialkanoati Naravni alifatski biopoliester, ki ga proizvajajo bakterije - plastomer Monomer: β-hidroksi kisline Velika raznolikost struktur - Poli(β-hidroksi butirat) - Poli(β-hidroksi butirat-ko-valerat) - Poli(β-hidroksi butirat-ko-heksanoat) itd Trenutna proizvodnja temelji na sladkorju, glukozi Razvita metodologija uporabe odpadnih virov - sirotka (laktoza, slanica) - glicerol - kostna in mesna moka (N vir) - živalske maščobe Telles (ZDA) kap t/a Tianjin (Kitajska)

23 Ostali Poliestri hidroliza estrske vezi (kondenzacijski polimeri) Alifatski poliestri (ni aromatskih skupin) kot PHA PBS polibutilen succinat PBSA polibutil sukcinat adipat PCL polikaprolakton Alifatsko aromatski poliestri Modifikacija PET PBAT polibutilen adipat tereftalat PBMAT (Ecoflex BASF, Eastar bio) Vodotopni polimeri PVOH polivinilalkohol EVOH etilenvinil alkohol (O 2 $$)

24 Uporaba I Kot nadomestek običajnih vrst plastike (velike količine / nizka cena) embalaža vreče za smeti hrana kmetijstvo folije izdelki za enkratno uporabo tkanine jedilne potrebščine Vodotopni BP detergenti, kozmetika...

25 Uporaba II Za biomedicinske namene kontrolirano doziranje zdravilnih učinkovin vijaki suture tissue engineering stomatologija boljše zdravljenje ni potrebna operacija za odstranitev majhne količine/ visoke cene

26 Biorazgradnja Razgradnja mora biti popolna Vplivajo abiotski in biotski faktorji Prva stopnja: Fragmentacija makroskopski razpad in pretvorba do oligomerov Druga stopnja: Mineralizacija presnova pod vplivom mikroorganizmov Kemijski mehanizmi hidroliza oksidacija (oboje lahko encimsko)

27 Razgradnja biodegradacija fotodegradacija oksidacija termična degradacija degrad. zaradi stresa...itd Naravni krogotok snovi

28 Merjenje "Kar narava ustvari lahko tudi razgradi"? Razgradljivost je vprašanje hitrosti >> potreba po določanju okvirov >> standardi Osnovni princip pretvorba ogljika iz polimera v CO 2

29 Testiranje razgradnje 1. Kompostiranje 2. Respirometrija

30 Standardi in Certificiranje Standardi za ugotavljanje biorazgradljivosti (anaerobno, aerobno, v zemlji, v vodi ), kompostirnosti, toksičnosti Na osnovi standardov certifikati Zagotovila potrošnikom Dovoljenje za uporabo oznak Medsebojno priznavanje Primeri certifikacijskih oznak:

31 Plastika iz obnovljivih virov CO 2 nevtralno Iz obnovljivega vira ni nujno biorazgradljivo Pristop: - sinteza gradnikov (osnovnih kemikalij) iz obnovljivega vira - nadomestek iste ali podobne kemikalije iz fosilnega vira - Fermentacijski postopki in nadaljne kemijske pretvorbe - Biorafinerije

32 Obnovljivi viri 1. generacija: viri prehrane in krme zelo kratkoročna rešitev 2. generacija: neprehranski in odpadni viri les, slama, odpadki 3. generacija: mikroorganizmi alge, GMO? iz CO 2 in H 2 O Nature (2008), p. 891

33 Bio Polietilen Obnovljiv vir, nerazgradljivo Ekvivalent PE iz fosilnih virov -CH 2 -CH 2 -CH % na osnovi obnovljivih virov (ASTM 6866) Ni biorazgradljiv Braskem 2009, t/a Dow 2011, 350,000 t/a Učinkovitost fermentacije do etanola? Sladkorni trs fermentacija, destilacija Etanol dehidracija Etilen polimerizacija PE

34 Bio PET Bio PET / Coca Cola, Heinz: na trgu EG + TA = PET 30 % bio C Bio Petro

35 Bio PET Bio PET / Coca Cola, Heinz: globoko v razvoju EG + TA = PET 100 % bio C Bio Bio Partner for TA: Virent BTX za: PS, PA, PC, PU, fenolne s.

36 Novi polimeri Izosorbid (Roquette, F) PU Izosorbid polikarbonat Polietilen izosorbid tereftalat Poliizosorbid sukcinat 100 % bioosnovano

37 Biorafinerija

38 Certificiranje

39 BO Monomeri NOVI in STARI! 1,3 propandiol (DuPont, t/a, Sorona) 1,4 butandiol (BDO) sukcinska kislina levulinska kislina glicerol furan dikarboksilna kislina polioli na osnovi sojinega olja Olefinska metateza: rastlinska olja voski, funkcionalna olja, maziva Pristop Direktna nadomestila za kemikalije na osnovi fosilnih virov Za uspeh: razvoj tehnologije, nižje cene surovin, višje cene nafte

40 Standardi in merjenje Trenutno en uveljavljen standard: ASTM D drugi (EN) v pripravi Meritev razmerja C 12 / C 14 C 14 se tvori v atmosferi in je značilen za obnovljive (biološke) vire, v fosilnih virih je močno zmanjšan C 14 t 1/2 = 5730 let Po letih zelo nizke konc. Rezultat: delež ogljika (ne mase!) iz obnovljivega vira

41 Certificiranje Certifikacija na osnovi standarda ASTM D6866 Različni deleži obnovljivega ogljika tudi na oznakah

42 Prednost Bioplastike Pri nastanku: uporaba obnovljivih virov CO 2 nevtralno CO 2 odtis Pri izginotju: biološka pretvorba v naravne snovi plastika je del naravnega kroženja snovi P NARAVA CO 2

43 BR vs. BO? Ali bo šel izdelek iz biorazgradljive (BR) plastike na kompost? - označevanje? - Ali je BR potrebno / smiselno? Bioosnovana (BO) plastika pa ob učinkoviti proizvodnji vedno prinaša prednost

44 Hvala za pozornost! Plastika lahko bistveno prispeva k višji trajnosti Neljubi prijatelj naj postane partner andrej.krzan@ki.si petra.horvat@ki.si poskusi + vprašanja

45 Oksorazgradljiva plastika Agresivno promovirani materiali, ki se pojavljajo na trgu Princip: Nerazgradljivi plastiki (PE, PP) primešan katalizator, ki katalizira oksidacijo. Termična in/ali foto aktivacija katalizatorja. Nedvomna fragmentacija Ni dokazana končna biorazgradnja Primeren standard: ASTM D NI BIORAZGRADLJIVO, NI KOMPOSTIRNO, JE NA TRGU JE ZAVAJUJOČE OZNAČENO!