Polyme phân hủy sinh học: khái niệm, tính chất, phương pháp điều chế và ví dụ về phản ứng

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Bạn có thể nhận thấy rằng trong thập kỷ qua, các sản phẩm có tiền tố "bio" được thêm vào tên đã trở nên phổ biến. Nó nhằm thông báo rằng sản phẩm an toàn cho con người và thiên nhiên. Nó được quảng bá tích cực bởi các phương tiện truyền thông. Nó thậm chí còn trở nên lố bịch - khi chọn đồ uống, họ coi biokefir là tốt nhất, và nhiên liệu sinh học không còn là sự thay thế cho dầu mà là một sản phẩm thân thiện với môi trường. Và đừng quên những chiết xuất sinh học giúp mỹ phẩm có công dụng "thần kỳ".

Thông tin chung

Bây giờ chúng ta hãy nghiêm túc. Thường thì di chuyển dọc các tuyến đường, bạn có thể bắt gặp những bãi rác tự phát. Ngoài ra, còn có những bãi rác chính thức là nơi chứa chất thải của con người. Nó có vẻ không tệ, nhưng có một điểm trừ - thời gian phân hủy quá lâu. Có rất nhiều cách để khắc phục điều này - đây là tái chế rác và sử dụng các vật liệu ít độc hại hơn để tiêu diệt nhanh các chất phân hủy. Hãy nói về trường hợp thứ hai.

Có rất nhiều điểm ở đây. Bao bì, săm lốp, thủy tinh, các dẫn xuất của ngành hóa chất. Tất cả chúng đều yêu cầuchú ý. Tuy nhiên, không có công thức chung cụ thể. Vì vậy, cần phải biết cụ thể những gì và làm thế nào để đảm bảo ngăn ngừa ô nhiễm môi trường.

Polyme phân hủy sinh học được phát triển như một câu trả lời cho vấn đề xử lý rác thải nhựa. Không có gì bí mật khi khối lượng của họ đang tăng lên hàng năm. Từ biopolyme cũng được sử dụng cho tên viết tắt của chúng. Đặc thù của họ là gì? Chúng có thể bị phân hủy trong môi trường do tác động của các yếu tố vật lý và vi sinh vật - nấm hoặc vi khuẩn. Một polyme được coi là như vậy nếu toàn bộ khối lượng của nó được hấp thụ trong nước hoặc đất trong vòng sáu tháng. Điều này giải quyết một phần vấn đề lãng phí. Đồng thời, thu được các sản phẩm phân hủy - nước và khí cacbonic. Nếu có bất cứ điều gì khác, thì nó cần được điều tra về độ an toàn và sự hiện diện của các chất độc hại. Chúng cũng có thể được tái chế bằng hầu hết các công nghệ sản xuất nhựa tiêu chuẩn như ép đùn, đúc thổi, tạo hình nhiệt và ép phun.

Chúng tôi đang làm việc trên những lĩnh vực nào?

Thu được các polyme phân hủy sinh học là một công việc khá tốn công sức. Việc phát triển các công nghệ giúp thu được các vật liệu an toàn đang được tích cực thực hiện ở Hoa Kỳ, trên lục địa Châu Âu, ở Nhật Bản, Hàn Quốc và Trung Quốc. Thật không may, cần lưu ý rằng ở Nga kết quả không đạt yêu cầu. Tạo ra một công nghệ để phân hủy sinh học nhựa và sản xuất chúng từ các nguyên liệu thô tái tạo là một thú vui đắt giá. Ngoài ra, quốc gia này vẫn có đủ dầu để sản xuất polyme. Nhưng mọi thứgiống nhau, có thể phân biệt ba hướng chính:

1. Sản xuất polyeste phân hủy sinh học dựa trên axit hydroxycarboxylic.
2. Tạo chất dẻo dựa trên các thành phần tự nhiên có thể tái tạo được.
3. Polyme công nghiệp trở nên phân hủy sinh học.

Nhưng trong thực tế thì sao? Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn cách các polyme phân hủy sinh học được tạo ra.

Polyhydroxyalkanoates vi khuẩn

Vi sinh vật thường phát triển trong môi trường có sẵn nguyên tử cacbon dinh dưỡng. Trong trường hợp này, thiếu phốt pho hoặc nitơ. Trong những trường hợp như vậy, vi sinh vật tổng hợp và tích lũy polyhydroxyalkanoat. Chúng đóng vai trò như một nguồn dự trữ cacbon (dự trữ thức ăn) và năng lượng. Nếu cần, chúng có thể phân hủy polyhydroxyalkanoat. Thuộc tính này được sử dụng để sản xuất công nghiệp các vật liệu thuộc nhóm này. Quan trọng nhất đối với chúng tôi là polyhydroxy butyrate và polyhydroxy valerate. Do đó, các loại nhựa này có thể phân hủy sinh học. Đồng thời, chúng là polyeste béo có khả năng chống lại bức xạ tia cực tím.

Cần lưu ý rằng mặc dù chúng có đủ độ ổn định trong môi trường nước, nhưng môi trường biển, đất, phân trộn và tái chế góp phần làm suy thoái sinh học của chúng. Và nó diễn ra khá nhanh chóng. Ví dụ, nếu phân trộn có độ ẩm 85% và 20-60 độ C, thì quá trình phân hủy thành carbon dioxide và nước sẽ mất 7-10 tuần. Polyhydroxyalkanoat được sử dụng ở đâu?

Họđược sử dụng để sản xuất bao bì phân hủy sinh học và vật liệu không dệt, khăn lau, sợi và phim dùng một lần, các sản phẩm chăm sóc cá nhân, lớp phủ chống thấm nước cho các tông và giấy. Theo quy luật, chúng có thể vượt qua oxy, chống lại các hóa chất mạnh, ổn định nhiệt tương đối và có độ bền tương đương với polypropylene.

Nói về nhược điểm của polyme phân hủy sinh học, cần lưu ý rằng chúng rất đắt. Một ví dụ là Biopol. Có giá gấp 8 - 10 lần so với nhựa truyền thống. Do đó, nó chỉ được sử dụng trong y tế, để đóng gói một số loại nước hoa và các sản phẩm chăm sóc cá nhân. Phổ biến hơn trong số các polyhydroxyalkanoat là mirel, thu được từ bột ngô đường hóa. Ưu điểm của nó là giá thành tương đối thấp. Tuy nhiên, giá của nó vẫn cao gấp đôi so với polyethylene mật độ thấp truyền thống. Đồng thời, nguyên vật liệu chiếm 60% giá thành. Và những nỗ lực chính là nhằm tìm kiếm các đối tác giá rẻ của nó. Khách hàng tiềm năng được đề cập là tinh bột của ngũ cốc như lúa mì, lúa mạch đen, lúa mạch.

Axit polylactic

Việc sản xuất polyme phân hủy sinh học để đóng gói cũng được thực hiện bằng cách sử dụng polylactide. Nó cũng là axit polylactic. Anh ta đại diện cho cái gì? Nó là một polyester béo tuyến tính, một sản phẩm ngưng tụ của axit lactic. Nó là một đơn phân mà từ đó polylactide được tổng hợp nhân tạo bởi vi khuẩn. Cần lưu ý rằng việc sản xuất nó với sự trợ giúp của vi khuẩn dễ dàng hơn so với phương pháp truyền thống. Rốt cuộc, polylactide được tạo ra bởi vi khuẩn từ các loại đường có sẵn trong một quy trình công nghệ đơn giản. Bản thân polyme là hỗn hợp của hai đồng phân quang học có cùng thành phần.

Chất tạo thành có độ bền nhiệt khá cao. Vì vậy, quá trình thủy tinh hóa xảy ra ở nhiệt độ 90 độ C, trong khi quá trình nóng chảy xảy ra ở nhiệt độ 210-220 độ C. Ngoài ra, polylactide có khả năng chống tia cực tím, hơi dễ cháy và nếu nó cháy, thì với một lượng khói nhỏ. Nó có thể được xử lý bằng tất cả các phương pháp phù hợp với nhựa nhiệt dẻo. Các sản phẩm thu được từ polylactide có độ cứng cao, bóng và trong suốt. Chúng được sử dụng để làm đĩa, khay, màng, chất xơ, cấy ghép (đây là cách polyme phân hủy sinh học được sử dụng trong y học), bao bì cho mỹ phẩm và sản phẩm thực phẩm, chai đựng nước, nước trái cây, sữa (nhưng không phải đồ uống có ga, vì vật liệu đi qua khí cacbonic). Cũng như vải, đồ chơi, vỏ điện thoại di động và chuột máy tính. Như bạn có thể thấy, việc sử dụng polyme phân hủy sinh học là rất rộng rãi. Và đó chỉ là dành cho một trong những nhóm của họ!

Sản xuất và phân hủy sinh học axit polylactic

Lần đầu tiên, bằng sáng chế về sản xuất của nó đã được cấp vào năm 1954. Nhưng việc thương mại hóa loại nhựa sinh học này chỉ bắt đầu vào đầu thế kỷ 21 - năm 2002. Mặc dù vậy, đã có một số lượng lớn các công ty tham gia vào sản xuất của nó - chỉ ở châu Âu có hơn 30 công ty trong số đó. Một lợi thế quan trọngaxit polylactic có giá thành tương đối thấp - nó đã cạnh tranh gần như ngang bằng với polypropylene và polyethylene. Người ta cho rằng vào năm 2020, polylactide sẽ có thể bắt đầu đẩy chúng ra thị trường thế giới. Để tăng khả năng phân hủy sinh học của nó, người ta thường thêm tinh bột vào. Điều này cũng ảnh hưởng tích cực đến giá của sản phẩm. Đúng vậy, các hỗn hợp tạo thành khá dễ vỡ và các chất hóa dẻo, chẳng hạn như sorbitol hoặc glycerin, phải được thêm vào chúng để làm cho sản phẩm cuối cùng đàn hồi hơn. Một giải pháp thay thế cho vấn đề này là tạo ra một hợp kim với các polyeste có thể phân hủy khác.

Axit polylactic phân hủy theo hai bước. Đầu tiên, các nhóm este bị thủy phân với nước, dẫn đến sự hình thành axit lactic và một số phân tử khác. Sau đó, chúng phân hủy trong một môi trường nhất định với sự hỗ trợ của vi sinh vật. Polylactide trải qua quá trình này trong 20-90 ngày, sau đó chỉ còn lại carbon dioxide và nước.

Biến đổi tinh bột

Khi các nguyên liệu thô tự nhiên được sử dụng thì rất tốt, bởi vì các nguồn tài nguyên cho nó được đổi mới liên tục, vì vậy chúng thực tế là không giới hạn. Tinh bột đã trở nên phổ biến rộng rãi nhất trong lĩnh vực này. Nhưng nó có một nhược điểm - nó có khả năng hút ẩm tăng lên. Nhưng điều này có thể tránh được nếu bạn nhận thấy một phần của các nhóm hydroxyl trên este.

Xử lý hóa học cho phép bạn tạo liên kết bổ sung giữa các phần của polyme, giúp tăng khả năng chịu nhiệt, ổn địnhđối với axit và lực cắt. Kết quả là, tinh bột biến tính, được sử dụng như một loại nhựa có thể phân hủy sinh học. Nó phân hủy ở 30 độ trong phân trộn trong hai tháng, làm cho nó rất thân thiện với môi trường.

Để giảm giá thành của nguyên liệu, người ta sử dụng tinh bột thô, trộn với bột talc và rượu polyvinyl. Nó có thể được sản xuất bằng cách sử dụng thiết bị tương tự như đối với nhựa thông thường. Tinh bột biến tính cũng có thể được nhuộm và in bằng các kỹ thuật thông thường.

Xin lưu ý rằng vật liệu này có tính chất chống tĩnh điện. Nhược điểm của tinh bột là tính chất vật lý của nó nói chung là kém hơn so với nhựa được sản xuất hóa dầu. Đó là, polypropylene, cũng như polyethylene áp suất cao và thấp. Chưa hết, nó còn được ứng dụng và bày bán trên thị trường. Vì vậy, nó được sử dụng để làm pallet cho các sản phẩm thực phẩm, màng nông nghiệp, vật liệu đóng gói, dao kéo, cũng như lưới cho trái cây và rau quả.

Sử dụng các polyme tự nhiên khác

Đây là một chủ đề tương đối mới - polyme phân hủy sinh học. Quản lý thiên nhiên hợp lý góp phần tạo ra những khám phá mới trong lĩnh vực này. Vì vậy, nhiều polysaccharid tự nhiên khác được sử dụng trong sản xuất chất dẻo dễ phân hủy sinh học: chitin, chitosan, cellulose. Và không chỉ riêng lẻ, mà còn kết hợp với nhau. Ví dụ, một màng có độ bền tăng lên thu được từ chitosan, sợi microcellulose và gelatin. Và nếu bạn chôn nó xuống đất, thì nó sẽ nhanh chóngbị phân hủy bởi vi sinh vật. Nó có thể được sử dụng để đóng gói, khay và các mặt hàng tương tự.

Ngoài ra, sự kết hợp của xenlulo với anhydrit dicacboxylic và các hợp chất epoxy là khá phổ biến. Sức mạnh của chúng là chúng phân hủy trong bốn tuần. Chai, màng phủ, bộ đồ ăn dùng một lần được làm từ vật liệu tạo thành. Việc sáng tạo và sản xuất của họ đang tích cực phát triển hàng năm.

Khả năng phân hủy sinh học của polyme công nghiệp

Vấn đề này là khá liên quan. Các polyme phân hủy sinh học, các ví dụ đã được trích dẫn ở trên cho các phản ứng với môi trường, sẽ không tồn tại trong môi trường dù chỉ một năm. Trong khi các vật liệu công nghiệp có thể gây ô nhiễm trong nhiều thập kỷ, thậm chí nhiều thế kỷ. Tất cả điều này áp dụng cho polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polystyrene, polyethylene terephthalate. Do đó, giảm thời gian xuống cấp của chúng là một nhiệm vụ quan trọng.

Để đạt được kết quả này, có một số giải pháp khả thi. Một trong những phương pháp phổ biến nhất là đưa các chất phụ gia đặc biệt vào phân tử polyme. Và trong nhiệt hoặc dưới ánh sáng, quá trình phân hủy của chúng được tăng tốc. Điều này thích hợp cho bộ đồ ăn, chai lọ, bao bì và màng nông sản, túi dùng một lần. Nhưng, than ôi, cũng có những vấn đề.

Đầu tiên là các chất phụ gia phải được sử dụng theo cách truyền thống - đúc, đúc, đùn. Trong trường hợp này, các polyme không được phân hủy, mặc dù chúng phải chịu nhiệt độChế biến. Ngoài ra, các chất phụ gia không được đẩy nhanh quá trình phân hủy polyme dưới ánh sáng, và cũng cho phép khả năng sử dụng lâu dài dưới nó. Có nghĩa là, cần đảm bảo rằng quá trình suy thoái bắt đầu từ một thời điểm nhất định. Nó rất khó. Quy trình công nghệ bao gồm việc bổ sung 1-8% phụ gia (ví dụ, tinh bột đã được thảo luận trước đây được giới thiệu) như một phần của phương pháp chế biến nhỏ điển hình, khi gia nhiệt nguyên liệu không quá 12 phút. Nhưng đồng thời cần đảm bảo rằng chúng được phân bố đồng đều trong toàn bộ khối polyme. Tất cả những điều này làm cho nó có thể duy trì thời gian xuống cấp trong khoảng từ chín tháng đến năm năm.

Triển vọng phát triển

Mặc dù việc sử dụng polyme phân hủy sinh học đang được đà tăng trưởng, nhưng giờ đây chúng chiếm một tỷ lệ đáng kể trong tổng thị trường. Tuy nhiên, họ vẫn tìm thấy một ứng dụng khá rộng rãi và ngày càng trở nên phổ biến hơn. Hiện tại, họ đã khá ổn định trong lĩnh vực bao bì thực phẩm. Ngoài ra, polyme phân hủy sinh học được sử dụng rộng rãi cho các loại chai, cốc, đĩa, bát và khay dùng một lần. Họ cũng đã có mặt trên thị trường dưới dạng túi để thu gom và ủ rác thực phẩm sau đó, túi cho siêu thị, màng nông nghiệp và mỹ phẩm. Trong trường hợp này, có thể sử dụng thiết bị tiêu chuẩn để sản xuất polyme phân hủy sinh học. Do những lợi thế của chúng (khả năng chống suy thoái trong điều kiện bình thường, rào cản hơi nước và oxy thấp, không gặp vấn đề với việc xử lý chất thải, độc lập với nguyên liệu hóa dầu), chúng tiếp tục giành được chiến thắng.thị trường.

Trong số những bất lợi chính, người ta nên nhớ lại những khó khăn của việc sản xuất quy mô lớn và chi phí tương đối cao. Vấn đề này, ở một mức độ nhất định, có thể được giải quyết bằng các hệ thống sản xuất quy mô lớn. Cải tiến công nghệ cũng làm cho nó có thể có được các vật liệu bền hơn và chịu mài mòn. Ngoài ra, cần lưu ý rằng có xu hướng tập trung mạnh vào các sản phẩm có tiền tố "sinh thái". Điều này được hỗ trợ bởi cả phương tiện truyền thông và các chương trình hỗ trợ của chính phủ và quốc tế.

Các biện pháp bảo tồn đang dần được thắt chặt, dẫn đến một số sản phẩm nhựa truyền thống bị cấm ở một số quốc gia. Ví dụ, các gói. Chúng bị cấm ở Bangladesh (sau khi chúng bị phát hiện làm tắc nghẽn hệ thống thoát nước và gây ra lũ lụt lớn hai lần) và Ý. Dần dần người ta nhận ra cái giá thực sự phải trả cho những quyết định sai lầm. Và hiểu rằng cần phải đảm bảo an toàn cho môi trường sẽ dẫn đến việc hạn chế ngày càng nhiều đối với nhựa truyền thống. May mắn thay, có nhu cầu về việc chuyển đổi sang các vật liệu thậm chí đắt tiền hơn, nhưng thân thiện với môi trường. Ngoài ra, các trung tâm nghiên cứu ở nhiều quốc gia và các công ty tư nhân lớn đang tìm kiếm các công nghệ mới và rẻ hơn, đó là một tin tốt.

Kết

Vì vậy, chúng tôi đã xem xét polyme phân hủy sinh học là gì, phương pháp sản xuất và phạm vi của những vật liệu này. Có một hằng sốcải tiến và cải tiến công nghệ. Vì vậy, chúng ta hãy hy vọng rằng trong những năm tới, giá thành của các polyme phân hủy sinh học sẽ thực sự bắt kịp các vật liệu thu được bằng các phương pháp truyền thống. Sau đó, việc chuyển đổi sang các phát triển an toàn hơn và thân thiện hơn với môi trường sẽ chỉ còn là vấn đề thời gian.