10.7: Пластмаси та навколишнє середовище

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20329

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Знайте проблеми, пов'язані з пластикою.
Визначте тип полімеру, пов'язаний з кожним номером переробки.
Знайте різні процеси переробки пластмас.

Проблеми з пластикою

Завдяки низькій вартості, простоті виготовлення, універсальності і непроникності для води пластмаси використовуються в безлічі виробів різного масштабу, включаючи скріпки і космічні апарати. Вони переважали над традиційними матеріалами, такими як дерево, камінь, ріг і кістка, шкіра, метал, скло та кераміка, в деяких виробах, раніше залишених натуральним матеріалам. Однак існують численні проблеми, з якими стикаються при використанні пластику.

Вивільнення малих молекул

Багато видів полімерів містять невеликі молекули - або мономери, що не реагували, або спеціально додані речовини (пластифікатори, ультрафіолетові поглиначі, антипірени тощо) для зміни їх властивостей. Багато з цих менших молекул здатні дифузно через матеріал і виділятися в будь-яку рідину або повітря, що контактує з пластиком - і врешті-решт у водне середовище. Ті, які використовуються для будівельних матеріалів (наприклад, у мобільних будинках), можуть накопичуватися в закритих середовищах і сприяти забрудненню повітря в приміщенні.

Залишковий мономер

Формування довгих полімерних ланцюгів - складний і кілька випадковий процес, який ніколи не буває ідеально стехіометричним. Тому не рідкість, коли в готовому продукті залишається якийсь нереагурований мономер. Деякі з цих мономерів, такі як формальдегід, стирол (з полістиролу, включаючи контейнери для виносу харчових продуктів з пінополістиролу), вінілхлорид та бісфенол-А (з полікарбонатів), відомі канцерогенами. Хоча існує мало доказів того, що невеликі кількості, які дифундують у повітря або вимивають у рідини, становлять кількісний ризик для здоров'я, люди, зрозуміло, неохоче переносять ці впливи, і державна політика поступово починає їх регулювати.

Перфтороктанова кислота (PFOA), мономер, з якого виготовлений тефлон, стала предметом позову 2004 року проти заводу DuPont, яка забруднювала грунтові води. Невеликі кількості ПФОА були виявлені в газоподібних викидах з гарячих фторуглеродних продуктів.

продукти розкладання

Найбільш часто використовувані полімери не піддаються біологічному розкладанню, особливо в анаеробних умовах більшості сміттєзвалищ. І те, що відбувається розкладання, буде поєднуватися з дощовою водою, утворюючи вилуговування, які можуть забруднювати прилеглі потоки та запаси підземних вод. Часткове фоторозкладання, ініційоване впливом сонячного світла, є більш імовірною довгостроковою долею для відкритих пластиків, що призводить до крихітних розбитих фрагментів. Багато з цих матеріалів менш щільні, ніж морська вода, і як тільки вони потрапляють в океани через прибережні стічні води або з відходів морських суден, вони, як правило, залишаються там нескінченно довго.

Відкрите горіння полімерних матеріалів, що містять хлор (наприклад, полівінілхлорид), як відомо, виділяють такі сполуки, як діоксини, які зберігаються в навколишньому середовищі. Спалювання в правильних умовах може ефективно усунути цю небезпеку. Утилізовані продукти, що містять фторуглероди (посуд з тефлоновим покриттям, деякі засоби особистої гігієни, гідроізоляційні та антипригарні матеріали) розпадаються на перфтороктановий сульфонат, який, як було показано, пошкоджує водних тварин.

Небезпеки для тварин

Існує два загальних типи небезпек, які полімери можуть вводити у водне середовище. Один з них стосується вивільнення малих молекул, які діють як руйнівники гормонів, як описано вище. Загальновідомо, що дрібні водні тварини, такі як риба, серйозно постраждали від таких речовин у багатьох річках та естуаринових системах, але деталі джерел та ідентичності цих молекул не були виявлені. Одним із заплутаних факторів є викид стічних вод, що містять наркотики контролю над народжуваністю людини (які мають фемінізуючий вплив на статевий розвиток) у багато водних шляхів.

Інша небезпека стосується шматків пластикових відходів, які водні тварини помиляються за їжу або заплуталися в (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Малюнок\(\PageIndex{1}\) р еластичний мішок (ймовірно, помилковий за медузу, єдина їжа морської черепахи) не може бути відригнутий і призводить до кишкової закупорки та повільної смерті (зліва) залишків альбатроса, який помиляв шматочки пластикового сміття за їжу (праворуч).

Ці небезпеки трапляються по всьому океану, але сильно підкреслюються в регіонах, відомих як гіри. Це регіони океану, в яких комбінація океанських течій рухає постійні вихори, які, як правило, збирають та концентрують плавучі матеріали. Найбільш відомими з них є Великі Тихоокеанські гіри, які накопичили вражаючу кількість пластикових відходів.

Recycling

The huge quantity (one estimate is 10⁸metric tons per year) of plastic materials produced for consumer and industrial use has created a gigantic problem of what to do with plastic waste which is difficult to incinerate safely and which, being largely non-biodegradable, threatens to overwhelm the capacity of landfills. An additional consideration is that de novo production most of the major polymers consumes non-renewable hydrocarbon resources.

Plastics recycling has become a major industry, greatly aided by enlightened trash management policies in the major developed nations. However, it is plagued with some special problems of its own:

Recycling is only profitable when there is a market for the regenerated material. Such markets vary with the economic cycle (they practically disappeared during the recession that commenced in 2008.)
The energy-related costs of collecting and transporting plastic waste, and especially of processing it for re-use, are frequently the deciding factor in assessing the practicability of recycling.
Collection of plastic wastes from diverse sources and locations and their transport to processing centers consumes energy and presents numerous operational problems.
Most recycling processes are optimized for particular classes of polymers. The diversity of plastic types necessitates their separation into different waste streams — usually requiring manual (i.e., low-cost) labor. This in turn encourages shipment of these wastes to low-wage countries, thus reducing the availability of recycled materials in the countries in which the plastics originated.

Some of the major recycling processes include

Thermal decomposition processes that can accommodate mixed kinds of plastics and render them into fuel oil, but the large inputs of energy they require have been a problem.
A very small number of condensation polymers can be depolymerized so that the monomers can be recovered and re-used.
Thermopolymers can be melted and pelletized, but those of widely differing types must be treated separately to avoid incompatability problems.
Thermosets are usually shredded and used as filler material in recycled thermopolymers.

Other processes

A process has also been developed in which many kinds of plastic can be used as a carbon source in the recycling of

scrap steel. There is also a possibility of mixed recycling of different plastics, which does not require their separation. It is called compatibilization and requires use of special chemical bridging agents compatibilizers. It can help to keep the quality of recycled material and to skip often expensive and inefficient preliminary scanning of waste plastics streams and their separation/purification.

Recycled Plastics

Seven groups of plastic polymers, each with specific properties, are used worldwide for packaging applications (see Table \(\PageIndex{1}\)). Each group of plastic polymer can be identified by its plastic identification code (PIC), usually a number or a letter abbreviation. For instance, low-density polyethylene can be identified by the number "4" or the letters "LDPE". The PIC appears inside a three-chasing-arrow recycling symbol. The symbol is used to indicate whether the plastic can be recycled into new products.

The PIC was introduced by the Society of the Plastics Industry, Inc., to provide a uniform system for the identification of various polymer types and to help recycling companies separate various plastics for reprocessing. Manufacturers of plastic products are required to use PIC labels in some countries/regions and can voluntarily mark their products with the PIC where there are no requirements. Consumers can identify the plastic types based on the codes usually found at the base or at the side of the plastic products, including food/chemical packaging and containers.

Not all categories are accepted by all local recycling authorities, so residents need to be informed about which kinds should be placed in recycling containers and which should be combined with ordinary trash.

Table \(\PageIndex{1}\) The Major Groups of Plastic Polymers. Source: Wikipedia
Type of plastic polymer	Properties	Common packaging applications	Melting temperatures (°C)
Polyethylene terephthalate(PET, PETE)	Clarity, strength, toughness, barrier to gas and moisture.	Soft drink, water and salad dressing bottles; peanut butter and jam jars; ice cream cone lids; small consumer electronics	Tm = 250
High-density polyethylene(HDPE)	Stiffness, strength, toughness, resistance to moisture, permeability to gas	Water pipes, Gas & Fire Pipelines, Electrical & Communications conduit, hula hoop rings, five gallon buckets, milk, juice and water bottles; grocery bags, some shampoo/toiletry bottles	Tm = 130
Polyvinyl chloride(PVC)	Versatility, ease of blending, strength, toughness.	Blister packaging for non-food items; cling films for non-food use. May be used for food packaging with the addition of the plasticisers needed to make natively rigid PVC flexible. Non-packaging uses are electrical cable insulation; rigid piping; vinyl records.	Tm = 240
Low-density polyethylene(LDPE)	Ease of processing, strength, toughness, flexibility, ease of sealing, barrier to moisture	Frozen food bags; squeezable bottles, e.g. honey, mustard; cling films; flexible container lids	Tm = 120
Polypropylene(PP)	Strength, toughness, resistance to heat, chemicals, grease and oil, versatile, barrier to moisture.	Reusable microwaveable ware; kitchenware; yogurt containers; margarine tubs; microwaveable disposable take-away containers; disposable cups; soft drink bottle caps; plates.	Tm = 173
Polystyrene(PS)	Versatility, clarity, easily formed	Egg cartons; packing peanuts; disposable cups, plates, trays and cutlery; disposable take-away containers	Tm = 240
Other (often polycarbonateor ABS)	Dependent on polymers or combination of polymers	Beverage bottles, baby milk bottles. Non-packaging uses for polycarbonate, compact discs, "unbreakable" glazing, electronic apparatus housing, lenses (including sunglasses), prescription glasses, automotive headlamps, riot shields, instrument panels.	Polycarbonate: Tm = 225

Tire Recycling

The large number of rubber tires that are disposed of, together with the increasing reluctance of landfills to accept them, has stimulated considerable innovation in the re-use of this material, especially in the construction industry.

Plastics and Fire Hazards

The term fire (or flame)-retardant as applied to organic (i.e., containing carbon) materials, is intended to refer to reduced fire hazard, as all will burn under certain circumstances. Fabric flammability is an important textile issue, especially for stage drapery that will be used in a public space such as a school, theatre or special event venue. In the United States, Federal regulations require that drapery fabrics used in such spaces be certified as flame or fire-retardant. For draperies and other fabrics used in public places, this is known as the NFPA 701 Test, which follows standards developed by the National Fire Protection Association (NFPA). Although all fabrics will burn, some are naturally more resistant to fire than others. Those that are more flammable can have their fire resistance drastically improved by treatment with fire-retardant chemicals. Inherently flame-retardant fabrics such as polyester are commonly used for flame retardant curtain fabrics.

The deaths in fiery crashes of race car drivers Fireball Roberts at Charlotte, and Eddie Sachs and Dave MacDonald at Indianapolis in 1964 led to the use of flame-resistant ics such as Nomex. Nomex and related aramid polymers are related to nylon, but have aromatic backbones, and hence are more rigid and more durable. Nomex is an example of a meta variant of the aramids (Kevlar is a para aramid). Unlike Kevlar, Nomex strands cannot align during filament polymerization and has less strength. However, it has excellent thermal, chemical, and radiation resistance for a polymer material.

A Nomex hood is a common piece of racing and firefighting equipment. It is placed on the head on top of a firefighter's face mask. The hood protects the portions of the head not covered by the helmet and face mask from the intense heat of the fire.

Wildland firefighters wear Nomex shirts and trousers as part of their personal protective equipment during wildfire suppression activities.

Racing car drivers wear driving suits constructed of Nomex and or other fire retardant materials, along with Nomex gloves, long underwear, balaclavas, socks, helmet lining and shoes, to protect them in the event of a fire.

Military pilots and aircrew wear flight suits made of over 92 percent Nomex to protect them from the possibility of cockpit fires and other mishaps. Recently, troops riding in ground vehicles have also begun wearing Nomex. Kevlar thread is often used to hold the fabric together at seams.

Military tank drivers also typically use Nomex hoods as protection against fire.

Plasticizers and Pollution

Plasticizers (UK: plasticisers) or dispersants are additives that increase the plasticity or decrease the viscosity of a material. These substances are compounded into certain types of plastics to render them more flexible by lowering the glass transition temperature. They accomplish this by taking up space between the polymer chains and acting as lubricants to enable the chains to more readily slip over each other. Many (but not all) are small enough to be diffusible and a potential source of health problems.

Polyvinyl chloride polymers are one of the most widely-plasticized types, and the odors often associated with flexible vinyl materials such as garden hoses, waterbeds, cheap shower curtains, raincoats and upholstery are testament to their ability to migrate into the environment.

The well-known "new car smell" is largely due to plasticizer release from upholstery and internal trim.

According to 2014 data, the total global market for plasticizers was 8.4 million metric tonnes including 1.3 million metric tonnes in Europe.

Figure \(\PageIndex{5}\) Shares of global plasticizer consumption in 2014 (8 million metric tons).

Substantial concerns have been expressed over the safety of some plasticizers, especially because some low molecular weight ortho-phthalates have been classified as potential endocrine disruptors with some developmental toxicity reported.

Summary

Plastics are found everywhere due to its low cost, versatility, ease of use etc.
Plastics pose a threat to the environment due to residual or degradation products that contribute to air and water pollution.
Plastics hazards to animals and marine life as these living creatures mistake them for food.
Plastic polymers are classified into seven groups for recycling purposes.