Perspektive recikliranja najraširenijih biorazgradivih i biološki baziranih plastičnih materijala

Autor:

Kategorija:

spot_img

Uvod

U posljednjih nekoliko desetljeća, Europska unija predvodi inicijative za recikliranje i održivo upravljanje otpadom kroz direktive poput 2008/98/EC i 2018/851. Ove direktive oblikuju prakse u svim zemljama članicama EU, potičući kružnu ekonomiju i smanjenje otpada. Međutim, unatoč napretku, još uvijek postoje značajne razlike među zemljama u načinima zbrinjavanja plastičnog otpada.

Trenutno se u EU reciklira oko 30% komunalnog otpada, 19% se kompostira, 23% spaljuje, a 23% odlaže na odlagališta. No, ovi prosjeci skrivaju velike regionalne varijacije. Dok mediteranske i balkanske zemlje EU uglavnom preferiraju odlaganje na odlagališta, zapadne i središnje zemlje EU više se oslanjaju na recikliranje i kompostiranje. Nordijske zemlje pak prednjače u spaljivanju otpada.

Ovaj pregledni rad istražuje mogućnosti recikliranja najčešće korištenih biorazgradivih i biološki baziranih plastičnih materijala, fokusirajući se na oporabu materijala kroz mehaničko ili kemijsko recikliranje.

Biorazgradivi materijali i recikliranje

Biorazgradivi i kompostabilni plastični materijali smatraju se ugljično neutralnima jer ne doprinose značajno emisijama stakleničkih plinova. Međutim, njihovo recikliranje može dodatno produžiti životni ciklus materijala, omogućujući duže skladištenje ugljika prije konačnog kompostiranja.

Mogućnost kemijskog ili mehaničkog recikliranja ovih materijala ovisi o dva ključna faktora:

  1. Mogućnost ponovne obrade bioplastike bez značajnog gubitka svojstava
  2. Sposobnost izdvajanja homogenih frakcija bioplastike nakon prikupljanja otpada

Različite strukturne značajke biorazgradivih bioplastika rezultiraju različitim mogućnostima kemijskog recikliranja i različitim ponašanjem tijekom ponovne obrade potrebne za recikliranje.

Mehaničko recikliranje

Mehaničko recikliranje ima smisla ako je trajnost materijala, uzimajući u obzir interakcije s mikroorganizmima u okolišu, barem veća od dva životna ciklusa. U suprotnom se može postići samo “downcycling” odnosno recikliranje u proizvode manje vrijednosti.

Iz ovoga proizlaze dvije važne posljedice:

  1. Bolje je ako se recikliranje provodi s ciljem stvaranja proizvoda s dugim životnim vijekom, kako bi se minimizirao utjecaj obrade na okoliš, a kompostiranje razmotrilo kao konačna opcija zbrinjavanja.
  2. Pogodnije je reciklirati bioplastiku koja pokazuje veću trajnost.

Najpogodnija bioplastika za mehaničko recikliranje je svakako biološki baziran polietilen (PE), koji uopće nije kompostabilan i vrlo je stabilan. Međutim, njegova struktura i svojstva identični su petrokemijskoj verziji, pa je njegova reciklabilnost dobro poznata.

Ovaj pregled se fokusira na biološki bazirane i biorazgradive plastike jer one imaju perspektivu biti reciklirane jednom ili više puta, a kada recikliranje više nije izvedivo, mogu se kompostirati (organski reciklirati), što pruža bolji kraj životnog ciklusa i pozitivan utjecaj na plodnost tla.

Polilaktična kiselina (PLA) je kompostabilna u industrijskom okruženju, dok su polibutilen sukcinat (PBS), polibutilen adipat-ko-tereftalat (PBAT) i polihidroksialkanoati (PHA) općenito kompostabilni u blažim uvjetima. Stoga je mehaničko recikliranje PLA svakako značajnije, jer se za PBS, PBAT i PHA može preferirati brža opcija organskog recikliranja.

Recikliranje PLA

PLA se proizvodi industrijskom sintezom počevši od mliječne kiseline, koja se pak dobiva fermentacijom škroba iz biljaka poput kukuruza ili šećerne trske. Tijekom industrijske polimerizacije moguće je kontrolirati udio L ili D mliječne kiseline u polimeru, što utječe na svojstva poput kristalizacije, optičkih i mehaničkih karakteristika.

Mehaničko recikliranje PLA

Glavni izazov pri recikliranju PLA je smanjenje molekularne mase, što rezultira pogoršanjem mehaničkih svojstava nakon ponovljenih ciklusa injekcijskog prešanja ili ekstrudiranja. Ključni problemi su hidrolitiča i termička otpornost PLA.

Tijekom skladištenja i ponovne obrade PLA može doći do hidrolize, što treba uzeti u obzir pri mehaničkom recikliranju. Studije su pokazale da relativna vlažnost iznad 50% može značajno smanjiti molekularnu masu PLA tijekom skladištenja.

Ponovna obrada PLA također može povećati kristalizaciju tijekom hlađenja, što se objašnjava većom pokretljivošću lanaca zbog cijepanja lanaca tijekom injekcijskog prešanja. Istraženo je nekoliko rješenja za ovaj problem, uključujući ojačavanje biokompozitnima i korištenje stabilizatora slobodnih radikala.

Dodavanje različitih aditiva poput nanogline, biopolimera (kitozan, fibroin svile) ili epoksidiranih biljnih ulja može pomoći u kontroli viskoznosti taline PLA tijekom ponovne obrade. Međutim, važno je napomenuti da onečišćenje aditiva može komplicirati recikliranje, posebno ako su prisutni kao odvojeni slojevi.

Kemijsko recikliranje PLA

Kemijsko recikliranje PLA može se postići kroz tri glavne metode: hidrolizu, alkoholizu i pirolizu.

Hidroliza PLA proizvodi mliječnu kiselinu, što bi moglo biti ekonomičnije od fermentacije šećera. Proučavane su različite kombinacije otapala i vode za optimizaciju procesa depolimerizacije.

Alkoholiza PLA može proizvesti metil laktat ili etil laktat koristeći metanol ili etanol pod blagim uvjetima. Istraženi su različiti katalizatori i uvjeti reakcije za poboljšanje prinosa.

Piroliza PLA se temelji na zagrijavanju materijala na temperaturu termičke razgradnje u inertnoj atmosferi. Može proizvesti tekućinu bogatu laktidom i drugim organskim spojevima koji sadrže kisik. Korištenje mikrovalova i različitih katalizatora istraženo je za optimizaciju procesa.

Recikliranje drugih biorazgradivih bioplastik

Polihidroksialkanoati (PHA)

PHA su klasa polimera koje proizvode mikroorganizmi i lako su biorazgradivi u okolišu. Istraživanja o mehaničkom i kemijskom recikliranju PHA dominiraju tehnike ekstruzije i pirolize. Postoji potencijal za zatvoreni krug recikliranja PHA kroz pretvorbu u sintetski plin koji se može koristiti u anaerobnoj razgradnji za proizvodnju novih polimera.

Polibutilen sukcinat (PBS)

PBS je djelomično ili potpuno dobiven iz obnovljivih izvora i pokazuje bolju obradivost od PHB. Studije su pokazale da PBS može podnijeti nekoliko ciklusa ponovne obrade bez značajnog gubitka svojstava, posebno ako se koriste stabilizatori. Zanimljivo je da PBS može pokazati povećanje molekularne mase nakon ponovne obrade zbog potencijalne esterifikacije.

Polibutilen adipat-ko-tereftalat (PBAT)

PBAT je biorazgradivi polimer koji se trenutno sintetizira iz fosilnih izvora, ali se radi na prelasku na potpuno biološke izvore. Pokazao je manje izraženo cijepanje lanaca tijekom ponovne obrade u usporedbi s PLA. Mješavine na bazi PBAT pokazale su dobru mehaničku reciklabilnost, posebno nakon sušenja.

Recikliranje materijala na bazi škroba

Materijali na bazi škroba široko se koriste, posebno za vrećice i vreće. Sastoje se od škroba (amiloze i amilopektina) pomiješanog s biorazgradivim polimerima i plastifikatorima. Mehaničko recikliranje ovih materijala pokazalo se problematičnim zbog značajne degradacije tijekom upotrebe i cijepanja lanaca koje izazivaju u biopoliesterima.

Međutim, neki istraživači su pokazali da se dodavanjem nanoceluloznih vlakana i nanogline mogu poboljšati fizikalna i mehanička svojstva recikliranih kompozita na bazi škroba. Također, korištenje produživača lanaca može pomoći u kontroli hidrolitičke degradacije tijekom ponovne obrade.

Recikliranje mješavina

Mješavine PLA s drugim biorazgradivim polimerima poput PHB ili PBS pokazale su obećavajuće rezultate u pogledu reciklabilnosti. Na primjer, mješavina PLA/PHB mogla se ponovno obraditi do 11 puta bez značajnog gubitka svojstava.

Za mješavine PLA/PBS, kemijsko recikliranje se pokazalo učinkovitim metodom. Razvijene su različite rute za odvajanje i regeneraciju pojedinačnih komponenti. Mehaničko recikliranje ovih mješavina također je moguće uz korištenje odgovarajućih aditiva za kontrolu viskoznosti taline.

Recikliranje kompozita ojačanih prirodnim vlaknima

Kompoziti ojačani prirodnim vlaknima zanimljivi su jer predstavljaju biološku verziju inženjerskih kompozitnih materijala s visokim modulom i niskom gustoćom. Također nude mogućnost valorizacije vlakana iz agroindustrijskog otpada.

Međutim, dodavanje prirodnih vlakana može biti štetno za biokomposite s matricom od biopoliestera jer vlakna bogata hidroksilnim skupinama mogu izazvati cijepanje lanaca poliestera. Nadalje, higroskopna priroda vlakana može unijeti vlagu koja uzrokuje hidrolizu tijekom taljenja.

Unatoč ovim izazovima, istraživanja su pokazala da se biokompositi na bazi PLA s umjerenim udjelom prirodnih vlakana (do 20%) mogu uspješno reciklirati kroz nekoliko ciklusa ponovne obrade bez značajnog gubitka svojstava. Korištenje aditiva poput produživača lanaca i antioksidansa može dodatno poboljšati reciklabilnost ovih materijala.

Zaključak

Recikliranje biorazgradivih i biološki baziranih plastičnih materijala predstavlja važan korak prema održivijoj budućnosti. Iako ovi materijali nude prednost organske reciklaže (kompostiranja) na kraju životnog vijeka, njihovo mehaničko ili kemijsko recikliranje može dodatno produžiti njihov životni ciklus i maksimizirati vrijednost resursa.

Ključni izazovi uključuju kontrolu degradacije tijekom ponovne obrade, optimizaciju metoda odvajanja i sortiranja, te razvoj učinkovitih aditiva za poboljšanje reciklabilnosti. Potrebna su daljnja istraživanja kako bi se bolje razumjeli mehanizmi degradacije, optimizirali procesi recikliranja i razvili novi, potpuno biološki aditivi za poboljšanje svojstava recikliranih materijala.

Integrirani pristup koji kombinira mehaničko recikliranje, kemijsko recikliranje i konačno kompostiranje mogao bi omogućiti maksimalno iskorištenje ovih inovativnih materijala, podržavajući pritom principe kružne ekonomije i održivog razvoja.

SAVJETODAVNI PARTNER

Pročitajte više

Povezani članci