Экологические проблемы полимерных технологий
Ушедший 20-век по образному выражению академика Семёнова был веком пара, электрической энергии и полимеров. Действительно, полимеры являются выдающимся достижением человечества, прочно вошедшим в быт, жизнь людей, круг их применимости невероятно широк. Можно назвать любое свойство, необходимое для человека и техники, и ему будут соответствовать сразу несколько полимеров. Вместе с тем, использование полимеров создает и ряд проблем, в первую очередь экологических.
Такое свойство полимеров как противостоять действию микроорганизмов долгое время рассматривалось как неопровержимо и однозначно положительным, однако сейчас в связи с тяжелой экологической обстановкой специально создают полимеры, разрушаемые бактериями и микроорганизмами. Кроме того, разработаны биотехнологические производства, т.е производства полимеров не на химических и нефтехимических заводах, а в биотехнологических цехах с помощью бактерий, грибов и других живых биологических систем. Это связано с тем, что природа не справляется с таким огромным количеством отходов деятельности человека, в том числе и полимерных.
Зависимость народонаселения, количества отходов, выбросов, количество пахатных земель, т.е нагрузка на планету выражается так называемой парадигмой экспоненты.(рис.)
В Москве, например, количество отходов на одного человека составляют 300 кг/год при численности 20 млн человек. Начало экологических неприятностей – середина 20-го века, считается, что именно с этого момента экологическая обстановка начала ухудшаться ускоренными темпами. Нашу ситуацию очень образно описали учёные. Можно привести две цитаты. Так, Дж.Бартон считает: «Одно из двух – либо человечество сделает так, чтобы было меньше дыма, либо дым сделает так, чтобы было меньше людей». А Жак Ив Кусто написал следующее: «Наш земной шар напоминает собой одинокий несущийся в космическом пространстве автомобиль, у которого выхлопная труба выведена в салон для пассажиров, и чем сильнее мы жмём на акселератор, тем больше шансов отравить шофёра и пассажиров». Приведём некоторые показатели деятельности человека.
Таблица.
Показатели деятельности человека.
| Естественные процессы | Антропогенные процессы |
| Масса веществ в речных стоках: а) растворенных: 3·109 т/год б) взвешенных: 1·109 т/год Масса суши: (3 – 10) · 109 т | Вносимые удобрения: 3·108 т/год Выбросы пыли: 2.5·108 т/год Мусороотходы: 2·1010 т/год Добыча полезных ископаемых: 5·109 т/год Индустриальные сточные воды: 5,5·1012 т/год Газовые выбросы: > 109 т/год |
Данные таблицы убедительно показывают, что естественные процессы соизмеримы с антропогенными.
В настоящее время отходы человеческой деятельности перерабатывают лишь на 40%, из них 10% отходов сжигают, 30% подвергают захоронению, а 10% - сбрасывают в Мировой океан.
В настоящее время разрабатывается концепция устойчивого развития. Кроме экологических проблем увеличивающийся объем выбросов полимеров является как экологической так и экономической проблемой, т.к. выбрасываемые материалы, полученные из нефти и газа, дорожают год от года, а углеводородное сырьё имеет исчерпаемый ресурс. В этой ситуации очень остро встает вопрос экономии материалов, в том числе и полимеров.
Какие варианты экономии полимеров можно привести?
1.Полимеры нужно упрочнять. Чем более прочный полимер, тем более тонкую плёнку, волокно из него можно сделать.
2. Полимеры необходимо стабилизировать, что может существенно увеличить срок их службы. Так, нестабилизированная полиэтиленовая пленка эксплуатируется один сезон, а стабилизированная может применяться в течение 3-4 сезонов.
3.Также необходимо наполнять полимеры. Наполнитель – компонент, вводимый для удешевления композиции. Наполнители обеспечивают получение каких-либо свойств: уменьшение плотности, повышение электроизоляционных свойств, устойчивости к трению или к коронному или дуговому разряду и т.д.
Очень перспективно введение в полимеры газов – т.е. получение газонаполненных материалов, которые называются пенополиматериалы.
Перспективным способом уменьшения отходов полимеров, является их разложение до мономеров. В этом случае мономеры можно использовать для полимеризации или можно уничтожить их с помощью различных бактерий и грибков без загрязнения окружающей среды.
4. Полимеры необходимо регенерировать. Термопласты достаточно легко поддаются регенерации, и вторичные полимеры вводятся в рецептуры многих метериалов и изделий. Сложнее дело обстоит с реактопластами. Предложено подвергать их измельчению, а затем использовать в качестве наполнителей при получении многих изделий и материалов. Считается весьма перспективным использование их при строительстве дорог.
В последнее время уделяется большое внимание созданию и применению экологически чистых полимеров, т.е. таких, которые после эксплуатации могут быть разложены биологическим путём без загрязнения окружающей среды. К экологически - дружественным полимерам относятся и такие, которые при термическом разложении и сжигании не будут выделять таких опасных газов как диоксин, синильная кислота, соляная кислота и других.
Учитывая вышесказанное, в мире родилась концепция жизненного цикла полимера. Если раньше потребительская ценность того, или иного материала определялась главным образом отношением цены единицы объема к свойству, а проблема вторичного использования или утилизации рассматривалась отдельно, применительно к отходам, то теперь всё объединилось в одной концепции.
Стоимость сырья, затраты на его переработку, влияние этих процессов на экологию, затраты на синтез, энергопотребление, нагрузка на окружающую среду, переработка, включая конфекционирование и модификацию, экологическая чистота продукта, легкость вторичной переработки, утилизация, возможность устранения конечных отходов путем сжигания, пиролиза, закапывания – все это учитывается в новой концепции.
Согласно данной концепции наиболее соответствующими ей являются полипропилен и полиэтилентерефталат.
Все технологии оцениваются с точки зрения экологии по двум показателям:
1. Коэффициент ресурсоёмкости, который определяется следующим образом:
R- общая масса всех потребляемых природных ресурсов,
g- масса полученного продукта.
Согласно данному показателю различают высоконаукоёмкие технологии, для которых Ар= 2÷4, малоотходные технологии: Ар= 6÷10, рядовые технологии, имеющие Ар≥ 10.
2. Критерий экологичности или замкнутости:
Здесь P- сумма всех отходов, значение E при этом должно составлять 0,8÷0,98.
Современная экология определила однозначное требования ко всем производствам, которое требует все отходы, выбросы утилизировать в месте их возникновения без каких-либо передвижений. Этим обеспечивается безопасность от возможных вредных влияний токсических продуктов и для людей, и для окружающей природы. Не следует забывать о некоторых опасных факторах при производстве и переработке полимеров. Остановимся коротко на этом вопросе.
В производстве полимерных материалов используются самые разнообразные химические вещества, причем наряду с основными компонентами (мономерами) для их изготовления применяют различные добавки (наполнители, отвердители, катализаторы, пластификаторы, смазки, стабилизаторы и другие вспомогательные вещества).
Химические реакции, лежащие в основе образования полимеров, могут идти по типу полимеризации или поликонденсации. Характер неблагоприятного действия продуктов синтеза полимерных соединений на организм работающих определяется в первую очередь токсичностью используемых мономеров. Большинство из них, особенно используемых и выделяющихся в процессе поликондёнсации, очень реактивны и биологически агрессивны. Производственный контакт с этими веществами может вызывать поражение кожи и слизистых оболочек, печени, органов дыхания, центральной нервной системы, индуцировать канцерогенез, отражаться на репродуктивной функции организма.
Неблагоприятное действие на организм оказывают и некоторые добавки, применяемые в производстве полимерных соединений. Их токсичность может быть даже более выражена, чем основного связующего. Использование при изготовлении пластмасс различных наполнителей, которые в основном представляют собой порошкообразные компоненты, нередко приводит к запылению воздуха рабочей зоны, что может сказываться на бронхолегочной заболеваемости работающих. Источником пылеобразования являются также стадии сушки, дробления просева некоторых полимеров.
Далеко не безразлично действие на организм и продуктов деструкции полимерных материалов, образующихся при их переработке в изделия. Термическое или химическое воздействие на эти материалы, их механическая обработка (например, шлифовка) могут сопровождаться повышенным выделением во внешнюю среду как образующих полимерные соединения мономеров, так и продуктов превращения входящих в них добавок. Продуктами такого превращения являются альдегиды, кетоны, спирты, перекиси, кислоты и их соли, а также пыль, оказывающая, как правило, раздражающее, а в части случаев и аллергенное.
Использование для изготовления клеев, лаков, пропиточных материалов таких полимерных соединений, как эпоксидные смолы, которые применяются в смеси с отвердителями (амины, фталиевый и малеиновый ангидрид и др.), также оказывает неблагоприятное действие на организм.
Таким образом, как производство полимерных соединений, так и их переработка, сопровождаясь выделением в воздух рабочей зоны разнообразных по характеру действия газообразных веществ и ныли, может в зависимости от их концентрации и длительности воздействия приводить к развитию различных изменений в организме работающих. Диапазон этих нарушений достаточно широк - от изменений отдельных показателей гомеостаза до развития острых и хронических интоксикаций и заболеваний. Клинические проявления последних зависят от преобладания тех или иных компонентов, используемых при производстве полимерных соединений и обработке получаемых из них изделии. Поскольку же основными компонентами этих соединений являются мономеры, именно от характера их действия на организм и зависит в основном клиническая картина развивающейся у работающих профессиональной патологии.
В современных промышленных производствах, занятых переработкой полимерных материалов, вредные вещества, как правило, не превышают или незначительно превышают допустимые величины. В соответствии с этим случаи профессиональных интоксикаций встречаются здесь редко (главным образом при нарушении технологии производства и техники безопасности) и бывают нерезко выражены. Обнаруживаются в первую очередь у лиц с повышенной чувствительностью кожных покровов и слизистых оболочек верхних дыхательных путей, что проявляется развитием дерматитов, хронических ринитов, ларинго-фарингитов. В отдельных случаях, при значительных пылевыделениях, возможно формирование пневмокониоза.
