Очистить океаны: разложение пластика за счет солнечного света

Одним из самых значимых для современного общества изобретений является пластмасса, т.е. синтетические полимеры. Дешевизна, легкость изготовления и вариативность внешнего вида и физических свойств позволили пластику распространиться по всему миру с невероятной скоростью. Видов пластика много, но все они в той или иной степени присутствуют в нашей жизни ежесекундно, хотим мы того или нет: канцелярия, детали авто, бытовая техника, медицинское оборудование, игрушки, упаковка продуктовых и хозяйственных товаров и т.д.

Естественно, столь широкое распространение данного чудо-материала приводит к образованию огромного объема пластикового мусора, который не спешит разлагаться, приводя к экологической катастрофе как на суше, так и на воде.

Дабы решить эту проблему, ученые из Корнеллского университета (США) на протяжении последних 15 лет разрабатывали новый тип пластика, который будет соответствовать всем коммерческим требованиям, но при длительном воздействии ультрафиолета будет достаточно быстро разлагаться. Из чего состоит новый полимер, как уф-излучение его разлагает, и сможет ли это изобретение спасти Мировой океан от пластмассового удушья? Ответы на эти вопросы ждут нас в докладе ученых.

Основа исследования

Мы с вами уже обсуждали исследование, в котором ученые подсчитали объемы пластмассового мусора в Мировом океане, основываясь на данных об удаленных и необитаемых островах.

Тем не менее, не будет лишним напомнить самим себе, что за последние годы производство пластика превысило 350–400 миллионов тонн в год (по разным оценкам). При этом достаточно внушительная часть пластикового мусора оказывается в водах Мирового океана. Исследователи напоминают нам о большом тихоокеанском мусорном пятне — скоплении мусора в северной части Тихого океана, площадь которого составляет около 1.6 миллиона км2. Этот мусорный остров насчитывает 79 тысяч тонн пластика. Кто-то может предложить «выловить» этот остров и отправить мусор на переработку, однако он далеко не единственный. Конкретно это мусорное пятно занимает лишь малую долю от примерных 4–12 миллионов тонн мусора в океанах и морях по всей планете. Пока мы будем вылавливать один мусорный остров, успеет образоваться новый, а то и два. Не говоря уже о сложности такого субботника, ввиду погодных условий.

Принцип «чисто там, где не мусорят» пока еще нельзя назвать определяющей чертой нашего вида. Посему ученые решили создать материал, мусор из которого будет существовать не так долго, как из обычного пластика (обычный полиэтиленовый пакет разлагается в почве около 100 лет).

Исследователи отмечают, что примерно 52% мусора в океанах это пластиковые рыболовные сети и другие снасти (данные от 2015 года). Эти предметы не только вносят свою лепту в увеличение накопления мусора, но и приводят к гибели морских обитателей. Переубедить рыболовную промышленность использовать что-то более безопасное, нежели пластик, задача невыполнимая. Пластиковые сети дешевые, их не жалко потерять в океане (с экономической точки зрения), их можно легко и быстро изготавливать, а значит пластик будут использовать и дальше.

musor1.pngСхема №1: идеальный путь разложения пластика.

Если нельзя переубедить, то можно модифицировать имеющийся материал, чтобы он был такой же прочный и практичный, но при этом разлагался гораздо быстрее (схема выше).

Лидером среди полимеров в рыболовной промышленности является изотактический полипропилен (iPP от isotactic polypropylene), полиэтилен высокой плотности (HDPE от high-density polyethylene) и полиамиды.

Изотактический полипропилен является одним из типов полипропилена по молекулярной структуре (другие два — синдиотактический и атактический). Изотактический обладает большой плотностью (910 кг/м3), высокой температурой плавления (до 170 °C) и высокой стойкость к воздействию различных химических реагентов. Другими словами, данный вид пластика очень стойкий, что для экологии плохая новость.

Полиэтилен высокой плотности также обладает высоким показателем удельной прочности при плотности около 970 кг/м3. Этот показатель незначительно отличается от обычного полиэтилена, однако у HDPE более плотные межмолекулярные связи, что и делает его прочнее. Температура плавления HDPE составляет 120 °С.

Полиамид это пластик, в основной цепи которого присутствуют амидные группы −CONH−. Это дополнение делает его очень прочным, жестким, вязким и стойким к внешним факторам. Температура плавления и плотность зависят от конкретного типа полиамида, варьируясь в диапазоне от 178 °С и 1010 кг/м3 до 220 °С и 1084 кг/м3.

Одним из методов ускорения разложения пластиков является внедрение в их состав каких-либо допантов (добавок). Однако минусом такой методики является высокая вероятность начала инициации, т.е. цепочки вторичных нежелательных химических реакций.

Ускорить разложения пластика за счет увеличения его восприимчивости к ультрафиолету не является новой идеей. Подобные разработки ведутся еще с 50-ых годов прошлого века. Результатом стал пластик (этилен-монооксидный сополимер), используемый в производстве упаковок для напитков. Однако такой материал не отличается высокой прочностью, необходимой в рыболовных снастях. Тем не менее, сама идея использовать УФ имеет большой потенциал.

Ученые пришли к выводу, что изотактический поли(пропиленоксид) или iPPO может идеально подойти на роль основы нового пластика, поскольку структурно он крайне похож на обычный iPP. Более высокий уровень тактичности (идентичность повторяющихся стереохимических цепей) в iPP увеличивает его кристалличность, что приводит к повышению механической прочности. Следовательно, в PPO также можно достичь высокой тактичности, увеличив прочность. При этом наличие эфирных связей будет обеспечивать чувствительность к фотохимической деградации за счет УФ-излучения.

Коммерческое производство aPPO использует двойные металлоцианидные катализаторы в сочетании со спиртовыми агентами переноса цепи (CTA) для получения низкомолекулярных полимеров с малой дисперсностью (Đ). Однако сохранение подобного контроля над структурой и одновременное получение высокой тактичности является проблемным для синтеза iPPO. Потому ученые решили применить энантиоселективные катализаторы, которые селективно полимеризуют один энантиомер, одновременно растворяя менее реакционноспособный эпоксид. В результате было получено несколько вариантов стереоселективных катализаторов Co и Cr с высокими уровнями стереоселективности* (до > 99%).

Подробнее
Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов
Источник(и):

Хабр