Пластмасата напоследък е обект на много негативни коментари в медиите – и напълно заслужено. Небрежното ни използване на материала е покрило земята и е напълнило океаните с приблизително осем трилиона тона пластмасови отпадъци.
Но тъмната страна на пластмасовите отпадъци често засенчва значението: без съмнение пластмасата революционизира живота през ХХ век. Издръжлива, гъвкава, стерилна и универсална – нищо подобно на пластмасовите полимери не може да се намери в природата. Без нея никога не бихме могли да създадем винилови плочи, магнитни ленти, фотографски филми или компактдискове. Без пластмаса записаната музика и филми не биха били възможни. Съвременната медицина също е изцяло зависима от пластмасата – кръвни торбички, спринцовки, гъвкави тръби са направени именно от нея. Авточасти, леки материали за самолети, сателити и космически совалки – всички разчитаме на пластмасата, за да можем да пътуваме по света и да изследваме Вселената. И разбира се: компютри, телефони и всички форми на интернет технологии. Почти всеки човек, който чете тези думи, го прави благодарение на пластмасата. Огледайте се и ще осъзнаете до каква степен ежедневието ви е възможно единствено заради нея.
Освен проблема с изхвърлянето, има и друга неприятна страна на пластмасата: нейният произход. Лесно е да забравим, че тя се произвежда от изкопаеми горива. Около четири процента от петрола и газа, които използваме годишно, отиват за производство на полимери – което може да не изглежда много, но всъщност показва колко тясно пластмасата е свързана с добива на изкопаеми горива и изменението на климата.
Биопластмаси – зелена илюзия или решение?
Има ли алтернативи? Около биопластмасите се вдига огромен шум – примери са полилактидът (PLA): прибори за еднократна употреба, направени от картофи, бутилки, изработени от царевица, торби за боклук, умело изработени от хранителни отпадъци. С весели зелени лога, те изглеждат като идеално решение, но истината е далеч по-сложна.
Първо, биопластмасите не се разграждат толкова лесно, колкото подсказва името им, обикновено изискват индустриални компостери за обработка. Още по-лошо, когато се вземе предвид енергията, необходима за производството им – събиране на реколтата с машини, обработка на суровини във фабрики и други процеси – биопластмасите често имат по-висок въглероден отпечатък от конвенционалните пластмаси.
Изследователи от Университета в Шефилд наскоро анализираха пълното въздействие върху околната среда от производството на пластмасови бутилки от различни материали, включително царевица и полиетилентерефталат, и биопластмасите не се представиха добре.
Заради разходите за торове, транспорт и събиране на реколтата, биопластмасите всъщност се представиха най-зле. Най-добрият резултат в проучването е първичният изкопаем петрол, отбелязва д-р Питър Стайринг, професор по химическо инженерство и химия в Университета в Шефилд.
Освен това водата и торовете, използвани в процеса, могат да допринесат за замърсяването на реки и естуари чрез еутрофикация. Ако пък биопластмаса попадне по погрешка в контейнерите за рециклиране, тя може да замърси потоците и да влоши качеството на рециклираната пластмаса.
Засега картинката е разочароваща. И все пак има една алтернатива, която химиците преследват повече от десетилетие. Днес сме на прага да видим как упоритият труд на хиляди изследователи дава плодове: пластмаси, произведени от въглероден диоксид.
Пластмаса от CO₂
„Вместо да използваме изкопаеми горива като суровина, можем да обърнем индустрията с главата надолу, като използваме отпадъчен въглероден диоксид чрез химически трикове – това ще революционизира нефтохимическия сектор“, казва проф. Стайринг, който е и директор на Центъра за оползотворяване на въглероден диоксид в Обединеното кралство (CDUUK), и работи върху това решение повече от дванадесет години.
В момента по-голямата част от въглеродния диоксид идва от производството на водород, но учените вече разработват методи за улавяне на промишлени емисии. Това не само би намалило количеството изкопаеми горива, които използваме, но и би оказало положително влияние върху изменението на климата, като намали емисиите на парникови газове.
В CDUUK изследователи вече са открили как да произвеждат полиакриламид от въглероден диоксид.
„Наистина е лудост да си представим, че може да се направи найлон от въглероден диоксид, но ние го направихме“, казва проф. Стайринг.
Ключът към производството на пластмаса от въглероден диоксид се крие в проектирането на сложни катализатори – материали, които ускоряват химическите реакции, без да се изразходват в процеса. Такива например са съединенията, съдържащи метали като мед.
Учени от компанията Covestro откриха катализатори, които позволяват на въглеродния диоксид да реагира с епоксиди, за да образува семейство химикали, наречени „полиетерни поликарбонатни полиоли“. Те са основата на полиуретана – материалът, който се намира в матраци, възглавници и изолация за хладилници.
Спане на газ: матраци от въглероден диоксид
Заводите на Covestro в Германия вече произвеждат матраци, съдържащи 20% въглероден диоксид, под марката Cardyon. Като се има предвид, че всяка година в световен мащаб се произвеждат над 15 милиона тона полиуретан, преминаването към въглероден диоксид като суровина може да има огромно въздействие.
Във Великобритания компанията Econic също разработва полиуретан от въглероден диоксид и очаква да има продукти от пяна на рафтовете в магазините до две години, както и покрития, уплътнители и еластомери. Тези материали не само съответстват на конвенционалните пластмаси по качество, но дори могат да ги превъзхождат в някои отношения.
„Откриваме, че някои от нашите материали имат подобрени характеристики, като например способност за забавяне на горенето или устойчивост на надраскване“, казва Лий Тейлър, ръководител продажби и лицензиране в Econic.
Според изчисленията на компанията, ако 30% от всички полиоли (молекули, използвани като омрежващи агенти) бъдат произведени от въглероден диоксид, това би довело до спестяване на 90 милиона тона въглероден диоксид от атмосферата – еквивалентно на засаждането на четири милиона дървета или премахването на два милиона автомобила от пътищата. Освен това въглеродният диоксид е значително по-евтин – около 100 долара на тон, в сравнение с 2000 долара за пропиленов оксид (стандартната суровина). Така един завод с годишно производство от 50 килотона би спестил около 10 милиона долара годишно.
Още по-амбициозна цел е производството на етилен от CO₂ – суровина, от която се създава около половината от пластмасата в света. Професор Енрико Андреоли и екипът му от Института за изследване на енергийната безопасност към Университета в Суонзи работят за разработване на катализатори, съдържащи мед, които позволяват създаването на етилен чрез комбиниране на въглероден диоксид с вода и електричество. Според тях ще са нужни около 20 години, за да се произвежда пластмасовият полиетилен от въглероден диоксид в търговски мащаб от етилен.
„Но след 30-40 години няма да можем да разчитаме на изкопаеми горива за етилен – затова вече трябва да търсим други начини“, казва проф. Андреоли.
В Университета в Бат, химици под ръководството на проф. Антоан Бушар от Центъра за устойчиви химични технологии са разработили метод за производство на поликарбонат (използван за контейнери за многократна употреба, като например бебешки шишета), като комбинират въглероден диоксид със захари като ксилоза – основният компонент на дървесината, който може лесно да се извлича от използвано смляно кафе.
Съвременните процеси за производство на поликарбонат обикновено използват фосген (токсичен газ, използван като химическо оръжие през Първата световна война) и бисфенол-А – химикал, който имитира естроген и вече е забранен в бебешки продукти в редица страни. Поликарбонатът на захарна основа би бил по-безопасен, както за производство, така и за употреба, което го прави подходящ за медицински импланти, шевове и органни скелета.
В САЩ химици от Университета Рутгерс са разработили нова техника, използваща електрокатализатори, съдържащи никел и фосфор, за да комбинират вода и въглероден диоксид с електричество и да създадат сложни въглеродни молекули. Те могат да се използват за производство на пластмаси и дори фармацевтични продукти.
„Това е по същество изкуствена фотосинтеза“, казва професор Чарлз Дисмукс, изтъкнат професор в катедрата по химия и химическа биология в Университета Рутгерс. „Знаехме, че е възможно да надминем естествената фотосинтеза по ефективност – и това просто я превъзхожда.“
„Конвенционалните начини за производство на пластмаси може да са норма – но това не ги прави идеални“, казва проф. Дисмукс. „Създаването на мономерни градивни елементи от изкопаеми горива е много енергоемък и мръсен процес – използването на топлина за задвижване на химическата реакция е бавно, разточително и неефективно“, допълва той. „Не е нужно да го правим по този начин.“
