polimerų aplinkos problemos ir jų sprendimai gaminant ir perdirbant polimerus

Auganti plastiko gamyba ir jos ekologinis pėdsakas

Pasak praeitos savaitės Nature žurnalo, šiuo metu pasaulyje kasmet gaminama apie 430 milijonų metrinių tonų plastiko. Dauguma šios medžiagos yra poliolifinai, tokie kaip polietilenas ir polipropilenas, kurie sudaro gerokai daugiau nei pusę viso pasaulyje gaminamo plastiko. Mums patinka šios medžiagos, nes jos yra lengvos, tačiau labai atsparios, todėl jas galima rasti visur – nuo maisto pakuotės iki statybinių medžiagų. Tačiau problema ta, kad kartą pašalinus, šie plastikai aplinkoje išlieka šimtus metų. Mikroplastikai jau pateko į 88 procentus iki šiol tiriamų jūros gyvūnų. O nereikia net pradėti kalbėti apie sąvartynus, kuriuose kenksmingos cheminės medžiagos lėtai prasigeria į požeminio vandens tiekimą, keliaudamos pavojų tiek laukinėms gyvūnijos populiacijoms, tiek žmonėms tokiomis būdais, kurių vis dar bandome pilnai suprasti.

Šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisija skirtingų polimerų tipų ir gamybos procesų mastu

Polimerų gamyba sukuria apie 3,8 milijardo tonų CO2 ekvivalento metimo kiekvienais metais. Didelė dalis šių išmetamųjų dujų kyla dėl naudojamų iškastinio kuro kaip žaliavų bei visos energijos, reikalingos intensyviems skaidymo procesams. Paimkime pavyzdžiui PET sintezę – ji išskiria apie 5,5 kg CO2 už kiekvieną pagamintą rezino kilogramą. Tai iš tiesų 40 procentų daugiau nei bioalogų alternatyvos, kas yra gana didelis skirtumas vertinant aplinkos poveikį. Cheminės perdirbimo technologijos mišriai plastikui sumažina išmetamąsias dujas maždaug 34 procentais, lyginant su jų sudeginimu atliekų deginimo įrenginiuose. Vis dėlto šiuo metu egzistuoja tikros problemos, trukdančios platią priėmimą – tiek techninės, tiek finansinės. Daugelis įmonių atsiduria tarp noro rinktis žalesnius sprendimus ir praktinių realizacijos sąnaudų bei technologinių kliūčių.

Globalinės atliekų nelygybės ir tiesiaeigės ekonomikos problema

Turtingos šalys siunčia apie 15 procentų savo plastiko atliekų į vietas, kuriose nėra tinkamų perdirbimo priemonių. Kas nutinka toliau? Dauguma jų tiesiog atvirai sudegama, į orą išleidžiant pavojingas medžiagas, tokias kaip dioxinai ir mažutės dalelės. Visame pasaulyje mums pavyksta perdirbti mažiau nei devynis procentus visų plastikų. Tai reiškia, kad kasmet mūsų sistemose pradingsta apie 120 milijardų dolerių vertės vertingų medžiagų, nes jos užstrigo daiktuose, sukurtuose tik vienkartiam naudojimui. Tai rodo, kiek sugedęs yra mūsų dabartinis požiūris į plastiko atliekų tvarkymą.

Perėjimas prie apskarojo plastiko ekonomikos: tendencijos ir veiksniai

Reguliavimo reikalavimai greitina perėjimą prie apskarojo modelio. ES reikalavimas, kad iki 2030 m. automobilių plastikuose būtų 25 % perdirbto plastiko ( Nature, 2024 ), puikiai iliustruoja šią tendenciją. Dabartinės blokų grandinės technologija leidžia stebėti 18 % pramoninių plastiko srautų, dvigubai padidinant pakartotinio naudojimo rodiklius eksperimentiniuose projektuose ir gerinant skaidrumą tiekimo grandinėse.

Sumažinamas pirminio plastiko naudojimas, taikant protingus cheminės inžinerijos sprendimus

Pažangus katalizinis depolimerizavimas išskaido mišrius atliekas į pirminės kokybės monomerus 92 % grynumo lygiu, leidžiant uždarymo tipo gamybą PET ir polikarbonatams. Enziminiai perdirbimo platformos perdirba daugiasluoksnius plėvelius su 80 % energijos sutaupymu, kas kasmet siūlo realų būdą tvarkyti 13 milijonų tonų lankstaus pakuotės šiukšlių kiekį.

Mechaninis ir cheminis perdirbimas: technologijos, apribojimai ir mastelio didinimo galimybės

Esami pasauliniai mechaninių ir cheminių procesų perdirbimo rodikliai

Apie devyni procentai viso plastiko atliekų pasaulyje perdirbama mechaniniu būdu, tuo tarpu cheminis perdirbimas apdoroja tik vieną iki dviejų procentų tų mišrių polimerų srautų, pagal Plastics Europe 2023 metų ataskaitą. Mechaninis perdirbimas taip gerai veikia PET buteliams ir HDPE talpykloms, nes mes jau turime tam pritaikytas įrangą. Tačiau kai kalba eina apie daugiasluoksnį pakuotės ar daiktus, kurie yra nešvarūs ar pažeisti, mechaniniai metodai tiesiog neveikia. Kita vertus, naujesnės cheminio perdirbimo technologijos, tokios kaip pirolizė ir fermentais grindžiami procesai, žengia į priekį. Šie metodai dabar apdoroja daugiau nei pusę milijono metrinių tonų kasmet, kas iš tikrųjų triskart daugiau nei 2020 m. Vis dėlto net ir su šiuo augimu šios pažangios sistemos sudaro mažiau nei pusę procento viso plastiko šiukšlių, kurias kiekvienais metais sukuria visame pasaulyje.

Mechaninio perdirbimo sunkumai: kokybės mažėjimas ir apdorojimo defektai

Kiekvieną kartą, kai plastikas perdirbamas mechaniniu būdu, ilgos polimerų grandinės pašalinamos tarp 15 ir 30 procentų. Tai reiškia, kad perdirbtas medžiaga dažniausiai tinka tik kilimams ar statybos medžiagoms, o ne maisto pakuotėms. Pagal CEFLEX grupės tyrimus, beveik 4 iš 10 lankstaus tipo pakuotės pradeda rodyti problemas po pakartotinio apdorojimo – pavyzdžiui, atsiranda įtrūkimų arba blunka spalvos. Kai į partiją patenka tokie dalykai kaip klijų likučiai ar netinkamo tipo plastikai, tai faktiškai sumažina visos sistemos veiksmingumą. Konkrečiai PET perdirbimui šie teršalai gali sumažinti apdorojimo efektyvumą apie 20 su keliomis procentais, kas praktikoje daro pelningą veiklą labai sudėtingą.

Cheminio perdirbimo keliai ir kliūtys pramoniniam mastui

Pažangios pirolizės sistemos gali atkurti 85–92 % poliolifino žaliavų, tačiau dauguma įrenginių veikia mažiau nei 50 % pajėgumų dėl nestabilios atliekų tiekos. Žemiau pateikta lentelė palygina pagrindinius perdirbimo metodus:

Metrinė	Mechaninis perdirbimas	Cheminis perdirbimas
Energijos suvartojimas	8–12 MJ/kg	18–25 MJ/kg
Išvesties kokybė	B–C klasės medžiagos	Pirminės kokybės
Teršalų tolerancija	≤3 %	≤15 %
Kapitaliniai kaštai	$40 mil. (vidutinė įstaiga)	$220 mil. (pirolizė)

Tęsiasi mastelio didinimo sunkumai, kai 72 % cheminio perdirbimo projektų užstringa bandomojo etapo stadijoje dėl žaliavų neapibrėžtumo ir reglamentavimo spragų.

Užterštumas perdirbimo srautuose ir kokybės pablogėjimas

Kai maisto likučiai sumaišomi su įvairiais plastikais, jie gali sumažinti perdirbto PET lydymosi klampumą nuo 20 iki 35 procentų. Dėl to šis medžiaga šiuolaikinėje tekstilės gamyboje tampa beveik nenaudinga. Ir nė nepulkime į PVC užterštumo klausimą – net 1 % PVC, patekusi į HDPE srautus, perdirbant medžiagą padidina cheminio skleidimo lygį net 400 %, kaip parodė 2023 metais Gento universiteto atlikti tyrimai. Tačiau yra ir žadanti naujų metodikų. Hiperbolinė rūšiavimo technologija, derinama su reaktyviais suderinamumo agentais, iš tikrųjų leidžia išgelbėti daugiakomponentines atliekas, kurios anksčiau buvo visiškai neperdirbamos. Koks apribojimas? Šie pažangūs metodai dar nėra plačiai paplitę – Europoje kol kas juos įdiegė tik apie 12 % perdirbimo įmonių.

Medžiagų mokslas ir sisteminiai apribojimai polimerų perdirbimo galimybėse

Polimerų įvairovė ir dėl dėžutės suderinamumo iššūkiai

Šiandien rinkoje yra gerokai daugiau nei 10 000 skirtingų komercinių polimerų tipų. Kiekvienam iš jų reikalingas savitas perdirbimo požiūris, nes jie yra pagaminti skirtingai molekulinio lygio struktūroje ir dažnai turi įvairių priedų. Kai šie skirtingi plastikai sumaišomi perdirbimo įrenginiuose, kyla didelių problemų. Gautas perdirbtas medžiaga pasidaro žymiai silpnesnė, nei turėtų būti, kartais net prarandant apie 40 % stiprumo, kaip rodo 2024 m. Mdpi naujausi tyrimai. Paimkime vieną atvejį – PET plastiko maišymą su PVC. Šių dviejų medžiagų maišymas perdirbant vėl sukuria druskos rūgštį, kuri ne tik ardo įrangą, bet ir sukuria žemesnės kokybės galutinius produktus. Cheminis perdirbimas galėtų padėti spręsti šias sudėtingas mišinių problemas, tačiau dauguma esamų rūšiavimo sistemų tiesiog nėra tinkamai aprūpintos, kad tiksliai atskirtų dervas, kad šis metodas veiktų visapusiškai.

Medžiagos degradacija ir pakartotinio polimerų naudojimo ribos

Perdirbant polimerus, jų molekulinė masė laikui bėgant mažėja, o kiekvieno perdirbimo ciklo metu pradeda keistis kristalinė struktūra. Tyrimai rodo, kad PET plastikas pagal naujausius 2023 m. „Polymer Degradation“ radinius po trijų mechaninio perdirbimo ciklų iš tikrųjų praranda nuo 12 iki 18 procentų savo temptinės stiprybės. Problema dar labiau pablogėja dėl daugiasluoksnių pakuotės medžiagų, kuriose įvairūs plastikai, tokie kaip nilonas ir polietilenas, yra sujungti kartu. Šios medžiagos perdirbimo procese tinkamai nesiskiria, todėl viskas, kas antrą kartą pagaminama iš jų, paprastai susidėvi žymiai greičiau nei tikėtina.

Paklausos rinkoje ir perdirbtų plastikų pasiūlos skirtumas

Apie 62 % žmonių visame pasaulyje iš tikrųjų nori pirkti produktus, pagamintus iš perdirbtų medžiagų, tačiau vis dar liekame tik su apie 9 % plastiko atliekų, kurios grąžinamos į uždaros grandinės sistemas, remiantis 2023 m. ataskaita apie uždaros grandinės ekonomiką. Kai kalba eina apie maisto pramonės reikalavimus atitinkančius produktus, taip pat yra tikroji problema – per daugelis perdirbto plastiko negali išlaikyti saugos testų, todėl dauguma įmonių toliau naudoja naują plastiką. Kodėl taip atsitinka? Na, pirmiausia, perdirbimo surinkimas nėra nuoseklus skirtingose ​​regionuose, be to, kyla rimtų techninių kliūčių bandant pakankamai išvalyti naudotą plastiką, kad jis atitiktų pramonės reikalavimus.

Uždaros grandinės perdirbimui įgyvendinti naudojant protingas cheminės inžinerijos sprendimus

Dėl tirpikliais grindžiamų valymo metodų ir specialių suderinamumo gerinimo priedų skirtumas tarp pirminės ir perdirbto plastiko savybių mažėja. Naujausi 2024 metų tyrimai dėl polimerų suderinamumo iš tikrųjų parodė kažką įspūdingo. Kai buvo taikomi specifiniai fermentiniai apdorojimai polipropilenui, jis po penkių visiškų perdirbimo ciklų atgavo apie 94 procentus savo pradinės stiprybės. Tokios chemijos inžinerijos pažangos iš tikrųjų atveria duris uždaro ciklo perdirbimo sistemoms, kuriuose medžiagos išlaiko aukštą našumą per daugelį jų gyvenimų skirtinguose produktuose.

Pasaulinė infrastruktūra ir technologinių spragų rinkimas bei rūšiavimas

Regioninės perdirbimo infrastruktūros prieigos nelygybės

Perdirbimo infrastruktūra dažniausiai koncentruojasi turtingesnėse šalyse, kurios valdo didžiąją dalį automatinių rūšiavimo centrų visame pasaulyje. Pagal 2025 m. Pranešimą apie pakuotės ratinės ekonomikos rinką, šios išsivysčiusios regionai tvarko apie 83 procentus tokių įrenginių, tuo tarpu besivystančios teritorijos apdoroja tik apie 17 procentų. Aukštos efektyvumo medžiagų atgavimo įrenginių (angl. MRF) statyba reikalauja pradinės investicijos nuo dvylikos iki aštuoniolikos milijonų dolerių. Skurdesnėms šalims, kovojančioms su pagrindinės infrastruktūros poreikiais, tokie kaštai tiesiog neturi finansinės prasmės. Kaimo gyventojai susiduria dar didesniais sunkumais, nes daugelis centralizuotų perdirbimo įrenginių neapsima tolimos kaimų, kuriuose žmonės gyvena už keleto mylių nuo bet kokio oficialaus atliekų surinkimo punkto.

Automatinio rūšiavimo ir užterštumo aptikimo apribojimai

Net ir pažangūs MRF atmeta 15–20 % atliekų dėl užterštumo ar mišraus polimerų sudėties. Infraraudonųjų spindulių rūšiavimas pasiekia 89–92 % tikslumą PET ir HDPE atveju, tačiau krenta žemiau 70 % polistirolo ir daugiasluoksnių plastikų atveju. Kryžminis užterštumas sumažina perdirbto polimero grynumą 30–40 %, ribodamas jo naudojimą žemoje vertės produktuose, tokiuose kaip parko suolai, o ne maisto pakuotėse.

Inovacijos sumaišytų atliekų protingose atskyrimo technologijose

Naujos technologijos sujungia hiperspektrinį vaizdavimą su maštinio mokymosi algoritmais, kad nustatytų skirtingus medžiagų tipus, kai jie patenka į apdorojimo linijas. Kai kurios dirbtinio intelekto valdomos bandomosios sistemos pavyko padidinti triukšmingų mišraus poliolefinų plastikų rūšiavimo tikslumą nuo apie 65 procentų iki beveik 94 procentų. Tuo pačiu metu šios protingos mašinos sumažino energijos suvartojimą maždaug 22 procentais, palyginti su tradiciniais metodais. Tai daro ypač didelį įspūdį, nes atveria galimybes perdirbti medžiagas, kurias anksčiau buvo neįmanoma tinkamai apdoroti. Kalbame apie spalvotus plastikus ir sudėtingas gumos mišinius, kurie anksčiau baigdavo sąvartynuose. Jei dabartinės tendencijos išliks, ekspertai mano, kad tokios naujovės galėtų užkirsti kelią apie 14 milijonų metrinių tonų atliekų patekimui į sąvartynus kasmet jau šios dešimtmečio viduryje.

Ekonominiai ir politiniai keliai į darnius polimerų sistemas

Perdirbtų ir pirminio plastiko kainos konkurencingumas

Perdirbtų plastikų kaina paprastai būna apie 35–50 procentų aukštesnė nei įprastų plastikų, nes rūšiavimas ir valymas reikalauja daug energijos. Kodėl? Na, vyriausybės vis dar suteikia didžiulius lengvatus naftos kompanijoms per subsidijas, dėl ko naujo plastiko kaina lieka pernelyg žema. Perdirbimo operacijos iš valdžios institucijų gauna kur kas mažesnę finansinę paramą. Vis dėlto šiuo metu vyksta keletas pažangos ženklų. Europos laboratorijos tyrinėja metodus, tokius kaip specialių tirpiklių naudojimas plastikams valyti ar senų medžiagų skaidymas katalizatoriais. Mažesniu mastu testuojant šie metodai atrodo sumažinantys išlaidas apie 18 procentų, nors daugumai gamintojų plėtoti juos iki pramoninio lygio iki šiol yra sunku.

Ekonominiai barjerai: subsidijos, mastas ir perdirbimo efektyvumas

Kasmet vyriausybės skiria apie 350 milijardų JAV dolerių subsidijoms, skirtoms iš naftos gaunamai plastikui, tuo metu, kai tik apie 12 milijardų JAV dolerių tenka perdirbimo programoms, teigia Alpizaro ir jo kolegų atliktas 2020 m. tyrimas. Toks didžiulis finansavimo skirtumas daro labai sunku įmonėms investuoti į pažangias naujas perdirbimo įmones, kurios galėtų apdoroti visų rūšių mišrią plastiko šiukšlių masę. Tačiau jau pradeda atsirasti kai kurie žadantys sprendimai, pavyzdžiui, plastiko kreditų sistemos, kurios siekia sukurti geresnius finansinius skatinimus tinkamam atliekų tvarkymui. Vis dėlto, kad būtų išvengta dar vieno žalumos pretekstų raundo, šioms sistemoms reikia aiškių standartų, leidžiančių matuoti aplinkos poveikį per visą jų gyvavimo ciklą.

Išmanieji cheminės technologijos sprendimai, skirti mažinti sąnaudas ir energijos suvartojimą

Mikrobangų pagalbinis pirolizas ir fermentų katalizuojama depolimerizacija sumažina energijos poreikius 40–60 % lyginant su konvenciniais metodais. 2023 m. pradėtas eksperimentinis projektas parodė nuolatinio srauto cheminio perdirbimo reaktorius, kurie išlaiko 92 % monomerų išeigą 30 % žemesnėmis eksploatacinėmis sąnaudomis lyginant su partijiniais sistemomis. Šie pasiekimai tiesiogiai sprendžia dvi pagrindines kliūtis: nevienodą žaliavų kokybę ir terminį skilimą perdirbant.

Fragmentuota globalinė politika ir suderintų reglamentų poreikis

Tik 34 šalys turi visapusiškus plastikui taikomus išplėstos gamintojo atsakomybės (EPR) įstatymus, dėl ko daugiau nei vienoje šalyje veikiančios bendrovės susiduria su sudėtingais laikymosi reikalavimais. „Ellen MacArthur Foundation“ apskrituminės ekonomikos rodikliai teikia suderintos ataskaitų pateikimo sistemą, tačiau ji neturi privalomų vykdymo mechanizmų. Regioniniai skirtumai išlieka ryškūs: OECD šalyse perdirbama 18 % plastiko, o besivystančiose ekonomikose – tik 4 %.

Išplėstos gamintojo atsakomybės (EPR) sistema kaip apskrituminės ekonomikos variklis

Gamintojų atsakomybės už atliekų tvarkymą (EPR) politika visoje Europos Sąjungoje gerokai padidino pakuotės perdirbimo rodiklius – nuo apie 42 procentų 2018 m. iki dabartinių 51 %, daugiausia dėl reikalavimų naudoti tam tikrą perdirbtų medžiagų kiekį. Kai kurios naujesnės priemonės apima taip vadinamus ekologinius moduliuojamus mokesčius, kurių atveju įmonės gauna nuolaidas, jei pagerina savo plastikų perdirbamumą. Pavyzdžiui, įmonės gali sulaukti 15 % nuolaidos nuo mokesčių, pavykus padidinti polimerų perdirbamumą vos 10 %. Tuo pat metu įvairios mokslinių tyrimų grupės dirba kurdamos skaitmeninius produkto paso analogus, kurie esminiai veikia kaip medžiagų ID kortelės judant per gamybos ir vartojimo etapus. Šie „paso“ analogai padeda stebėti viską – nuo žaliavų iki gatavų produktų – palengvinant atsakomybės nustatymą ir kartu gerinant išteklių srautų efektyvumą visame gamybos procese.

DUK

Koks yra polimerų gamybos poveikis aplinkai?

Dėl plastiko atliekų, mikroplastiko užterštumo ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijų polimerų gamyba lemia didelį ekologinį pėdsaką. Šie procesai ilgalaikiškai veikia tiek vandens, tiek sausumos ekosistemas.

Su kokiomis problemomis susiduria cheminė perdirbimo technologija?

Cheminis perdirbimas susiduria su techniniais ir finansiniais sunkumais, tokiiais kaip nevienodas atliekų kiekis ir dideli kapitaliniai įrenginių sąnaudos, dėl ko ribojamas jos mastas ir plitimasis.

Kodėl tarp perdirbtų plastikų paklausos ir pasiūlos yra skirtumas?

Perdirbtų plastikų pasiūla yra ribota dėl nevienodo surinkimo, užterštumo problemų bei technologinių spragų, trukdančių efektyviai tvarkyti mišrius plastikus.

Kaip išplėstinė gamintojų atsakomybė (EPR) padeda užtikrinti apytaką?

ES EPR politika padidina perdirbimo lygį, nustatydama reikalavimus dėl perdirbtų medžiagų naudojimo ir skatindama skatinimą už geroves polimerų perdirbamumą.