Jak zamienić ropę naftową w plastik?

„Tylko my, ludzie, wytwarzamy odpady, których natura nie może strawić”. Takie są słowa oceanografa, kapitana Charlesa Moore’a, który odkrył Great Pacific Garbage Patch w 1997 roku. I oczywiście mówi o plastiku.

Większość ludzi, którzy to czytają, prawdopodobnie będzie mieć coś z tworzywa sztucznego w zasięgu wzroku. Ten materiał jest wszechobecny: obecnie produkujemy ponad 300 milionów ton (272 ton metrycznych) plastiku rocznie, z czego mniej więcej połowa jest przeznaczona do jednorazowego użytku – co oznacza, że ​​jest on wyrzucany natychmiast po tym, jak spełnił swoje zadanie. Doprowadziło to do narastającego problemu z odpadami z tworzyw sztucznych trafiającymi na wysypiska, a część tych odpadów zbacza z kursu i przedostaje się do rzek, a ostatecznie do morza. W rzeczywistości około 8 milionów ton (7,2 miliona ton metrycznych) zanieczyszczeń plastikiem przedostaje się do oceanu każdego roku, gdzie oplata życie morskie i zanieczyszcza rafy koralowe i ostatecznie – ulegając degradacji przez wodę, wiatr i słońce – rozpada się na biliony maleńkich kawałków mikroplastiku.

Te cząsteczki plastiku wyglądają jak pożywienie dla wielu gatunków morskich, które następnie napychają się zanieczyszczeniami a w końcu głodują z braku prawdziwego pożywienia. Powierzchnia mikroplastików również przyciąga zanieczyszczenia do oceanu i przenosi je do ciał zwierząt, czego efekty wciąż staramy się zrozumieć. Istnieje możliwość, że mikrodrobiny plastiku mogą również szkodzić ludziom, ponieważ spożywamy je z owocami morza, a nawet w wodzie pitnej: w 2019 roku Światowa Organizacja Zdrowia wezwała do dalszych badań nad potencjalnym wpływem zanieczyszczenia mikroplastikami na nasze zdrowie.

U podstaw tego wszystkiego leży fakt, że w zależności od składników użytych do jego wykonania, plastik może być niesamowicie odporny i może nigdy nie ulegać prawdziwej biodegradacji (co dla celów tego artykułu oznacza efektywną redukcję do podstawowych związków wielokrotnego użytku w naturze, przez mikroorganizmy w wodzie i glebie). Połącz to z ilością zanieczyszczenia plastikiem w naszym środowisku i mamy wyraźny problem. Na przykład większość jednorazowych tworzyw sztucznych trafiających do oceanu pozostanie tam przez wieki.

Jak stworzyliśmy ten kryzys uporczywego plastiku? Odpowiedź leży w procesie, który wykorzystujemy do produkcji samego tworzywa sztucznego. Ale po pierwsze, ważne jest, aby zrozumieć, że “plastik” to nie tylko torby na zakupy, które wyobrażamy sobie pływające w oceanie.

Co to jest plastik?

„Termin ‘tworzywo sztuczne’ często obejmuje szeroką gamę heterogenicznych materiałów, z których każdy ma inne zastosowania i wymaga bardzo różnych właściwości fizycznych” – powiedział Carl Redshaw, chemik z University of Hull w Wielkiej Brytanii i uczestnik uniwersyteckiego projektu Plastics Collaboratory, który prowadzi badania mające na celu poprawę zrównoważonego rozwoju przemysłu tworzyw sztucznych. „W rzeczywistości znanych jest ponad 300 rodzajów tworzyw sztucznych” – powiedział Redshaw dla Live Science.

Jeśli więc tworzywa sztuczne są tak różne, co mają ze sobą wspólnego? Są wykonane z polimerów, które są cząsteczkami zawierającymi wiele powtarzających się jednostek, w formacjach, które nadają tworzywom sztucznym wiele pożądanych cech – takich jak elastyczność, plastyczność i wytrzymałość – które często mają wspólne. Poza tym tworzywa sztuczne ogólnie należą do jednej z dwóch szerokich kategorii: tworzywa sztuczne na bazie biologicznej, w których polimery pochodzą ze źródeł takich jak skrobia kukurydziana, tłuszcze roślinne i bakterie; oraz tak zwane „syntetyczne” tworzywa sztuczne, w których polimery są syntetyzowane z ropy naftowej i gazu ziemnego.

Pomimo nazwy przyjaznej dla Ziemi, biopolimery nie mają automatycznie dobrych wyników w zakresie ochrony środowiska, ponieważ mogą również utrzymywać się w środowisku i nie ulegać biodegradacji. „Nie wszystkie tworzywa sztuczne pochodzenia biologicznego są polimerami biodegradowalnymi i nie wszystkie tworzywa sztuczne biodegradowalne są pochodzenia biologicznego” – wyjaśnił Redshaw. Niemniej jednak materiały ropopochodne i gaz ziemny powodują porównywalnie największe szkody dla środowiska, ponieważ tworzywa sztuczne z tej kategorii zwykle utrzymują się w środowisku przez dłuższy czas – jednocześnie powodując inne skutki dla środowiska.

Aby zrozumieć, dlaczego, przyjrzymy się przykładowi plastiku na bazie oleju: weź butelkę mleka z lodówki. Ten karton zaczyna swoje życie w znacznie bardziej dramatycznym miejscu – głęboko w trzewiach Ziemi, jako ropa naftowa. Substancja ta, gromadząca się w komorach wysokociśnieniowych w skorupie ziemskiej, jest wiercona i wypompowywana na powierzchnię oraz transportowana rurociągami do rafinerii ropy naftowej. Gęsty szlam składa się z węglowodorów, związków powstałych z kombinacji atomów węgla i wodoru, które tworzą łańcuchy o różnej długości, nadając im różne właściwości. Węglowodory te są najwcześniejszymi surowcami tworzyw sztucznych, przygotowanymi przez Ziemię.

W rafinerii naprawdę rusza produkcja tworzyw sztucznych. Tutaj ropa podobna do melasy jest podgrzewana w piecu, który rozdziela węglowodory na różne grupy – w zależności od liczby zawartych w nich atomów i wynikającej z nich masy cząsteczkowej – a następnie wprowadza je do pobliskiej rury destylacyjnej. Wewnątrz tej rury dłuższe, zwykle cięższe węglowodory opadają na dno, podczas gdy krótsze, lżejsze unoszą się do góry. W rezultacie ropa naftowa zostaje podzielona na kilka różnych grup substancji chemicznych do wykorzystania – takich jak ropa naftowa, benzyna i parafina – z których każda zawiera węglowodory o podobnej masie i długości. Jedną z tych grup jest nafta, substancja chemiczna, która stanie się podstawowym surowcem do produkcji tworzyw sztucznych.

Proces destylacji ropy naftowej (Zdjęcie: Getty Images)

Benzyna jest jak złoty pył do produkcji tworzyw sztucznych, ponieważ dwa z wielu zawartych w niej węglowodorów to etan i propen. Te dwa związki mają kluczowe znaczenie dla powstawania najczęściej wytwarzanych i wszechobecnych na Ziemi produktów z tworzyw sztucznych, w tym rodzaju używanego do tego kartonu mleka. Aby jednak przekształcić się w coś, co faktycznie może być wykorzystane do budowy tworzyw sztucznych, etan i propen muszą zostać podzielone z ich stanu surowego węglowodoru na mniejsze jednostki.

Można to zrobić na różne sposoby. Jedną z metod jest zastosowanie wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia w środowisku beztlenowym. Ten proces, zwany „krakingiem parowym”, rozbija węglowodory na krótsze cząsteczki zwane monomerami.

„Monomery, takie jak etylen z etanu lub propylen z propenu, mogą pochodzić bezpośrednio z ciężkiej benzyny  po krakingu termicznym” (co obejmuje kraking parowy), powiedział Payal Baheti, badacz z tytułem doktora na Uniwersytecie Aston, skupiający się na zrównoważonych materiałach polimerowych. Wreszcie uproszczony etylen i propylen to cenne składniki potrzebne do stworzenia szkieletu plastiku.

Ten kolejny etap rozwija się w procesie zwanym polimeryzacją, w którym te poszczególne składniki monomeru są łączone chemicznie w nowe układy, aby wytworzyć długie powtarzające się łańcuchy znane jako polimery. W tym przypadku etylen i propylen tworzą polietylen i polipropylen – dwa najpopularniejsze i najszerzej produkowane polimery na Ziemi.

Dlaczego więc te dwa polimery są tak popularne? Skład polietylenu pozwala na stosowanie go do produkcji tworzyw sztucznych o różnej gęstości – co oznacza, że ​​może być cienki i giętki lub twardy i wytrzymały – dzięki czemu jego zastosowania są niezwykle różnorodne. Tymczasem konfiguracja polipropylenu sprawia, że ​​jest on szczególnie elastyczny i sprężysty. W związku z tym codziennie widzimy tego typu tworzywa sztuczne, głównie w przedmiotach jednorazowego użytku, takich jak karton na mleko, nie wspominając o plastikowych opakowaniach, słomkach, butelkach na wodę, torbach na zakupy, pojemnikach na szampony, nakrętkach do butelek – lista jest długa.

Ale to tylko dwie spośród wielu dziesiątek innych odmian tworzyw sztucznych. Inne rodzaje węglowodorów są izolowane i rozkładane z różnych źródeł – nie tylko z ropy naftowej, ale także z gazu ziemnego – i są również wykorzystywane do produkcji tworzyw sztucznych. W niektórych przypadkach polimery mogą być wykonane z pojedynczego monomeru, powtarzane, jak widzimy w polietylenie i polipropylenie, lub mogą obejmować kombinacje kilku typów monomerów.

Co więcej, każdy z tych łańcuchów polimerowych będzie następnie przetwarzany na różne sposoby i mieszany z różnymi dodatkami – przeciwutleniaczami, środkami spieniającymi, plastyfikatorami, środkami zmniejszającymi palność – które umożliwiają im spełnianie różnorodnych niszowych funkcji, które sprawiają, że tworzywa sztuczne są tak wszechstronne.

„Różne tworzywa sztuczne muszą mieć różne właściwości” – powiedział Baheti dla Live Science. „Weźmy na przykład opakowanie do żywności, które powinno powstrzymywać przedostawanie się nadmiaru tlenu lub światła słonecznego, aby uniknąć degradacji, a więc zawiera dodatki, które to umożliwiają.” Można powiedzieć, że to dodatki nadają polimerowi jego właściwości i prowadzą do powstawania tworzywa sztucznego”.

Te ostatnie rozkwity tworzą ogromną różnorodność produktów z tworzyw sztucznych, które mamy dzisiaj – i mają ogromny wkład w produkcję i przechowywanie żywności, kosmetyki, technologię, medycynę i opiekę zdrowotną.

„Obcy materiał”

Przejdźmy jeszcze raz szybko przez ten proces produkcyjny. Tworzywa sztuczne syntetyzowane z ropy naftowej i gazu ziemnego są wytwarzane poprzez izolację węglowodorów, rozbicie ich na części składowe, a następnie odtworzenie ich w zupełnie nowe formacje, których nigdy wcześniej nie widziano w naturze. Mówiąc prościej, tworzy to „obcy” materiał, nieznany mikrobom w wodzie i glebie Ziemi, wyjaśnił Baheti. „Szkielet węglowy znajdujący się w syntetyzowanym plastiku nie jest rozpoznawany przez bakterie glebowe, co oznacza, że ​​nie są one w stanie strawić i przekształcić go w wodę i dwutlenek węgla”.

„Takie jak polietylen rozkładają się na wysypiskach przez wieki” – powiedział Redshaw. „Oznacza to, że wiele z tego, co zostało wyprodukowane w ciągu naszego życia, nadal pozostaje w swojej niemal pierwotnej formie. Wytrwałość to nie jedyna kwestia: w miarę jak stopniowo rozpada się pod wpływem słońca, wody i wiatru, tworzywa sztuczne pochodzące z ropy naftowej i gazu ziemnego uwalniają do środowiska zawarte w nich gazy cieplarniane, a także wymywają z powrotem do środowiska substancje chemiczne dodane podczas produkcji. Ogromna ilość jednorazowych zanieczyszczeń tworzyw sztucznych, w szczególności – w połączeniu z ich utrzymywaniem się i ciągłym oddziaływaniem na środowisko, które może trwać przez wieki – spowodowała katastrofę ekologiczną, którą widzimy dzisiaj.

Ale może być wyjście z tej rosnącej kupy śmieci. Redshaw uważa, że ​​biodegradowalne tworzywa sztuczne – które są przedmiotem jego badań – mogą być jednym z potencjalnych rozwiązań. Podsumowując, wytwarzanie biodegradowalnego plastiku niekoniecznie oznacza wytwarzanie go ze źródeł biologicznych, takich jak skrobia kukurydziana (chociaż może to zapewnić rozwiązanie). Mówiąc dokładniej, obejmuje wytwarzanie plastiku z polimerów, które mogą być dość skutecznie rozkładane przez mikroorganizmy w wodzie i glebie.

Aby miało to prawdziwy wpływ na planetę, biodegradowalne polimery musiałyby zastąpić polietylen i polipropylen na bazie oleju – ale jednocześnie zachowując właściwości takie jak wytrzymałość i elastyczność, które czynią te konwencjonalne polimery tak pożądanymi. To trudne zadanie, utrudniając tym samym fakt, że konwencjonalne polimery są nadal konkurencyjne, tańsze w produkcji.

Jednak kilka opcji biodegradowalnych zaczyna przybierać na sile. Jeden z nich to polilaktydy, które są używane do produkcji przedmiotów jednorazowego użytku, takich jak kubki, sztućce i słomki, które mogłyby skuteczniej ulegać biodegradacji, gdy znajdą się w środowisku. Według Redshaw, tego rodzaju wynalazki prawdopodobnie wzrosną wraz ze wzrostem globalnej presji, aby uczynić plastik bardziej zrównoważonym.

Gdzie indziej są też oznaki optymizmu. W 2016 roku naukowcy odkryli bakterie zjadające plastik, a od tego czasu inni zidentyfikowali robaki żerujące na polietylenie (ta bestia jest gąsienicą ćmy woskowej, jak wcześniej donosiło Live Science ). Odkryli również enzymy, które można zmodyfikować tak, aby rozkładały odpady z tworzyw sztucznych .

Być może w nadchodzących latach będziemy uczyć się od bakterii i robaków, które mają zdolność do rozkładania i trawienia tworzyw sztucznych, nawet takich jak polietylenowe torby na zakupy, i projektować duże, sztuczne robaki, które mogą zjadać nasze plastikowe odpady – jak gigantyczne larwy, które pojawiły się w “Doctor Who” w latach 70-tych! powiedział Redshaw .

W każdym razie w procesie tworzenia plastiku ludziom udało się wydobyć surowce z natury i przekształcić je tak gruntownie, że natura ich już nie rozpoznaje. Nasza pomysłowość jest tym, co wpędziło nas w ten bałagan; miejmy nadzieję, że teraz nas to wyciągnie.

Źródło: Emma Bryce

Seas of plastic | Plastic Oceans

Our planet is drowning in plastic pollution

What Are Coral Reefs?

Microplastics: what they are and how you can reduce them

Information sheet: Microplastics in drinking-water

WHO calls for more research into microplastics and a crackdown on plastic pollution

What Is a Polymer?

Facts About Carbon  | Facts About Hydrogen | Facts About Gold

Greenhouse Gases: Causes, Sources and Environmental Effects

A bacterium that degrades and assimilates poly(ethylene terephthalate)

Role of the intestinal microbiome in low-density polyethylene degradation by caterpillar larvae of the greater wax moth, Galleria mellonella

This Very Hungry Caterpillar Eats Plastic Bags

Lab ‘Accident’ Becomes Mutant Enzyme That Devours Plastic

Zdjęcie: Getty Images

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x