A műanyagprobléma megoldása – a műanyagok? – A biodegradábilis polimerek helyzete napjainkban

Hulladékgazdálkodási válság, mikroműanyagok az élelmiszerekben, magas szén-dioxid-kibocsátás, alacsony újrafeldolgozási arány, tengereket elárasztó hulladék – csak néhány kifejezés azok közül, amelyeket a műanya­gokkal kapcsolatban az utóbbi években a leggyakrabban hallhattunk. Gyakran már csak legyintünk a műanya­gok okozta problémákra, hiszen a riasztó statisztikák, becslések egy idő után nem is annyira ijesztőek. Pedig a műanyaghulladék kezelhetetlensége nem hiába vált mostanra az egyik legégetőbb globális problémává.

Leginkább azért, mert annak ellenére, hogy a problémá­val tisztában vagyunk, a műanyagtermelést nem lehet leállítani. Sőt, az évente előállított műanyag termékek mennyisége inkább növekvő trendet követ. 2018-ban az Európai Unióban közel 62 millió tonna műanyagot állítottak elő [1] – ez olyan hatalmas szám, ami talán fel sem fogható, de egy főre vonatkoztatva ez évi 139 kg műanyag-felhasználást jelent. Ennek eredményeképp ugyanebben az évben 29 millió tonna műanyaghulla­dék keletkezett [1] (65 kg/fő). A jövőkép még ennél is rosszabb: várhatóan 2050-re az éves műanyagterme­lés a négyszeresére nőhet világszerte, és az üvegház­hatású gázkibocsátás 15%-a is ehhez az iparághoz lesz köthető [2].

A műanyaggyártáshoz és hulladékfeldolgozáshoz (vagy annak hiányához) köthető környezeti hatások már most hatalmas problémát jelentenek. Először ta­lán mindenkinek az eldobott halászhálókba vagy zacs­kókba gabalyodott tengeri állatok juthatnak az eszébe, de a negatív hatások nem köthetőek kizárólag a ten­gerekhez és óceánokhoz. A műanyaghulladékokból kioldódó anyagok szennyezik a talajt és a talajvizet, a mikroműanyagok bekerülnek az ivóvízhálózatba, és az üvegházhatású gázok nagymértékű kibocsátása felgyorsítja a klímaváltozást. Ezek a hatások pedig glo­bális mértékűek. Egyes becslések szerint, amennyiben a műanyagipar az eddigieknek megfelelő mértékben folytatná a növekedést, 2050-ig összesen 52 milliárd tonna szén-dioxid kerülne a légkörbe [3]. Amennyiben ez megtörténne, a Párizsi Megállapodásban [4] célul ki­tűzött, 1,5 °C-os globális átlaghőmérséklet-emelkedést gyakorlatilag lehetetlenné tenné.

A változás jelei már látszódnak, bár egyelőre apró lépésekben haladunk a cél felé. Az Európai Parlament és Tanács 2015-ben közzétett irányelvében a műanyag hordtasakok felhasználásának csökkentéséről rendel­kezett [5]. Ebben a témában pedig az utóbbi évek egyik legtöbb sajtófigyelmet kapott intézkedése a tengerpar­tokon megtalálható tíz leggyakoribb műanyagtermék gyártásának betiltásáról szól. Ennek eredményeképp elvileg 2021. július 3-ától Magyarországon [6] is tilos lesz forgalomba hozni bizonyos egyszer használatos termékeket, többek között műanyag evőeszközöket, fültisztító pálcikákat, habosított polisztirol ételtáro­lókat. Nem hiába irányulnak a korlátozások az egy­szer használatos termékek visszaszorítására. Ezen műanyagtermékek nagy része ugyanis nem haszno­sítható újra, így nem valósul meg a zárt életciklus. Másrészt pedig, sokszor a gazdasági érdekek döntenek, ami azt jelenti, hogy az olcsó alapanyag és gyártási költségek miatt kifizetődőbb újat gyártani, mint a ko­rábbi, elhasznált műanyag terméket újrahasznosítani. További lehetőség az egyszer használatos műanyagter­mékek kiváltásában rejlik, amire egyre nagyobb igény van a felhasználói oldalról.

Alternatív alapanyagok

A műanyagok végleges száműzése mindennapi éle­tünkből valószínűleg lehetetlen, de szerencsére mos­tanra számos alternatív alapanyag rendelkezésünkre áll a hagyományos műanyagok helyettesítésére. A kör­nyezettudatos vásárlók leginkább üveggel, papírral, fával, bambusszal, illetve bioműanya­gokkal válthatják ki műanyag haszná­lati tárgyaikat. Mindegyik alapanyagról elmondható (az üveg kivételével), hogy előállításukhoz nagy mennyiségű bio­massza szükséges, illetve számos fizikai tulajdonságuk elmarad a műanyagokétól.

Utóbbi kijelentés alól azonban kivételt képeznek a bioműanyagok, azaz az olyan polimerek, amelyek természetes forrás­ból származó alapanyagból állíthatóak elő. A bioműanyag-ipar az 1990-es évek­ben kezdett fellendülni, miután a környe­zettudatosságra egyre nagyobb hangsúly került. Az utóbbi 30 évben felhasználási körük egyre szélesebbé vált, alkalmazzák őket csomagolóanyagként, textiliparban, a gyógyszeriparban, orvosi implantátum­ként, és a 3D nyomtatás alapanyagaként is. Ehhez képest a bioműanyagok jelenleg a műanyagipar éves termelésének kevesebb, mint 1%-át adják. A jelenség oka, hogy a biopolimerek ára jelentősen meghaladja a tradicionális, kőolajalapú műanyagokét. A jövőben talán ez a különbség mérséklőd­het, ugyanis a korábban említett 2020. évi XCI. törvényben közel négyszeres termékdí­jat vezettek be a műanyag hordtasakokra, a biodegradábilis műanyagokhoz képest.

A bioműanyagok előnye nemcsak ab­ban rejlik, hogy kőolaj helyett természetes alapanyagokból készülnek. Egyrészt, teljes életciklusukat tekintve ezek a termékek ke­vesebb üvegházhatású gáz emisszióját eredményezik, mint a kőolajalapú műanyagok. Abban az esetben, hogy­ha 2050-ig a bioműanyagok piaca jelentősen megnőne (49%-ra), akár 4,3 milliárd tonna szén-dioxid kibocsátá­sa elkerülhető lenne [13]. Ez egyébként technológiailag megoldható feladat, egyes szakértők szerint a jelenleg forgalomban lévő műanyagok 90%-a helyettesíthető lenne növényi alapú termékekkel. A bioműanyagok másik előnye a tradicionális műanyagokkal szemben, az alternatív hulladékfeldolgozási lehetőségük.

1. ábra. A biodegradábilis műanyagok életciklusa

A biodegradábilis műanyagok a bioműanyagok egyik csoportját alkotják. Ezek olyan anyagok, amelyek a megfelelő körülmények között, mikroorganizmusok segítségével vízzé, szén-dioxiddá és biomasszává bont­hatók le. Ilyenek pl. a keményítő, a politejsav (PLA), vagy a polibutilén-adipát-tereftalát (PBAT). A „megfe­lelő körülmények” kifejezés több mindent takarhat: vízben, talajban, otthoni vagy ipari komposztálási kö­rülmények közti lebomlást. Míg bizonyos keményítő­tartalmú termékek akár vízben is le tudnak bomlani [7], addig a PLA és a PBAT csak ipari komposztáló üzem­ben mineralizálhatók és humifikálhatók. A biodegra­dábilis műanyagok életciklusa az 1. ábrán látható.

Hulladékból tápanyag

Az elhasznált bioműanyagok, akárcsak a kőolajalapú műanyagok a hagyományos hulladékkezelési techni­kákkal jól kezelhetők, vagyis égetéssel energetikailag újrahasznosíthatóak, szelektív gyűjtéssel pedig lehet­séges a mechanikai újrahasznosítás. A biodegradábi­lis műanyagok esetén azonban lehetőség van egy más típusú hulladékkezelési technológia alkalmazására is, ez pedig az oxigéndús (aerob) környezetben történő komposztálás.

Az aerob komposztálás során mikrobák (gombák és baktériumok) az elhalt szerves anyagot bontják le egysze­rűbb szerkezetű szerves (humusszá), illetve szervetlen anyagokká (vízzé és szén-dioxid­dá). A komposztálási folyamat szempont­jából meghatározó, hogy megfelelő legyen a komposzt összetétele (szén/nitrogén ará­nya) és szemcsemérete, optimális legyen a nedvességtartalom és az oxigénellátás. Amennyiben ezek a feltételek teljesülnek, az aerob lebomlás lejátszódhat, a 2. ábrán jelölt szakaszokon keresztül [14].

2. ábra. Az aerob lebomlás szakaszai

A komposzt aktuális állapotát elsősor­ban a belső hőmérséklete alapján lehet megállapítani, ami szorosan összefügg azzal, hogy éppen mik a domináns mik­roorganizmusok a rendszerben. Kezdet­ben a mezofil baktériumtörzsek az ural­kodók. Az optimális hőmérséklet számukra 25–30 °C, így gyors szaporodásba kezdenek, a lebontó folyama­taikból származó energia pedig folyamatosan növeli a komposzt belső hőmérsékletét. Számuk 45–50 °C-ig növekszik, efölött azonban elpusztulnak, és a ter­mofil baktériumok veszik át szerepüket. Hatásukra a komposzt hőmérséklete elérheti a 70–75 °C-ot. Ez a magas hőmérséklet biztosítja a patogén mikroorga­nizmusok pusztulását, így a folyamat végén keletke­ző komposzt kórokozóktól mentes lesz. Az átalakulási szakasz során a hőmérséklet csökken, a baktériumok helyett gombák kezdenek elszaporodni a rendszerben, és a szakasz végéig a lebontási folyamatok a meghatá­rozóak. A biodegradábilis műanyagok lebomlása is ek­kor történik, a komposzt érésével párhuzamosan megy végbe. Végül a felépítési és stabilizációs szakaszokban végbemegy a humuszképződés, és a komposzt teljesen kihűl. A folyamat végén keletkező komposztot talajjaví­tási célból visszajuttatják a termőföldekre.

3. ábra. A szabványosított lebonthatóságvizsgálat

Ahhoz, hogy a komposzt érése megtörténhessen a fent leírt módon (gyakorlatilag külső beavatkozás nél­kül), alapvető a megfelelően nagy tömegű biomas­sza összemérése. Ez megvalósul ipari komposztálási körülmények közt, azonban a biológiai bonthatósági vizsgálatok sztenderdizálása érdekében laboratóriumi körülmények közé is szükséges átültetni a folyama­tot. Az ipari folyamatok modellezése legjobban érett komposztalapú mikrokozmosz-rendszerek szabályo­zott körülmények közti tárolásával valósíthatók meg. Ilyen körülmény a mikrokozmosz-rendszerek tárolási hőmérséklete (58 ± 2 °C), a komposzt nedvességtartal­ma (~ 50%) és szén-nitrogén aránya (10–40:1), illetve a rendelkezésre álló oxigén mennyisége. A lebomlás mértékét a műanyag mineralizációjával keletkező szén-dioxid mennyiségi meghatározásával lehet követni [15]. A szabványosított lebonthatóságvizsgálat részletei a 3. ábrán láthatóak. A 2. ábra felső részén lát­ható néhány biodegradábilis polimer lebomlási ideje [8-12]. Habár a vizsgálatok körülményei megegyeztek, a PLA-nál látható eltérő eredmények jól mutatják, hogy a lebomlási időt a vizsgált próbatest tulajdonságai (pl. vastagsága) is számottevően befolyásolhatják. Az ered­ményekből az is jól látszik, hogy még a leghamarabb degradálódó polikaprolakton (PCL) lebomlása is közel 3 hétig tart a leírt, szabványosított körülmények közt.

Nem csak polimer

A biodegradábilis műanyagok lebomlási mechaniz­musával kapcsolatban az utóbbi években számos tu­dományos publikáció látott napvilágot. Vizsgálták már a környezeti körülmények­nek, azaz a hőmérsékletnek, a komposzt nedvességtartalmá­nak, illetve pH-jának hatását a degradábilitásra. Termékol­dalról eddig a legtöbb kutatás a polimerkeverékek lebomlásá­val foglalkozott, de találhatunk példát a polimer kristályszer­kezetének, illetve a különböző adalékanyagok hatásának vizs­gálatára is. Mindeddig azonban kevés figyelem irányult arra, hogy a műanyagokban találha­tó adalékanyagok és bomlás­termékeik komposztba kerülése okozhatja-e a talajminőség rom­lását.

A kérdés megválaszolása érdekében kutatócsopor­tomban laboratóriumi komposztálási körülmények közt vizsgáltuk néhány, a politejsav gyártása során al­kalmazott szintetikus adalékanyag minőségi és mennyiségi változását. A vizsgált adalékanyagok közt volt háromféle antioxidáns (BHT, Ionox 220 és Irgafos 168), egy UV-abszorber (fénystabilizátor, Tinuvin 900), illetve egy hidrolízisgátló anyag (Stabaxol 1). Az adalékanya­gokat érett komposzthoz kevertük, majd az elkészített komposztalapú mikrokozmosz rendszereket szabá­lyozott körülmények közt (55 ± 5 °C-on, rendszeresen levegőztetve és pótolva az elvesztett nedvességet) tá­roltuk 90 napig. A kísérleti rendszerek összeállításának folyamata, illetve az alkalmazott körülmények a 4. ábrán láthatóak.

4. ábra. A kísérleti rendszer összeállításának folyamata

Az adalékanyagok minőségi és mennyiségi válto­zását gázkromatográfiás–tömegspektrometriás ana­litikai módszerrel követtük, a mennyiségi változás eredményei az 5. ábrán szerepelnek. Ahogy látható, a BHT antioxidáns gyorsan, már a kísérlet 10. napjára elbomlott. Tíz bomlástermékének szerkezetét tömeg­spektrumuk alapján sikerült azonosítani. A BHT mel­lett jelentős átalakulást szenvedett az Ionox 220 és a Stabaxol 1 is, bár ezek bomlása lényegesen lassabb fo­lyamat volt. Az Ionox 220 bomlástermékei szerkezetü­ket tekintve nagyrészt megegyeztek a BHT-t tartalmazó mikrokozmosz-rendszerekben megtaláltakkal, ami nem meglepő, hisz a két adalékanyag szerkezetileg hasonlít egymásra. A Stabaxol 1 esetén a kromatogra­mokban kevés csúcs volt megtalálható, összesen pedig három degradációs terméke volt azonosítható. Az Irga­fos 168 és Tinuvin 900 esetén a visszamért koncentrá­ció nem változott jelentősen a kísérlet 90 napos időtar­tama során, így feltételezhető, hogy ezek a vegyületek ipari komposztálás során sem alakulnak át.

5. ábra. Az adalékanyagok mennyiségi változása

A talajminták minőségéről (így a komposztéról is) közvetlen információt kaphatunk a benne lévő, élő mikroorganizmusok számának meghatározásával, vagy különféle specifikus enzimaktivitás-mérési mód­szerekkel. Kísérleteink során dehidrogenáz-enzimak­tivitás mérést alkalmaztuk a komposzt mikroflórájá­nak jellemzésére. Tapasztalataink alapján, a BHT-t és Stabaxol 1-et tartalmazó rendszerek enzimak­tivitása számottevően csökkent a referencia mikrokozmoszhoz ké­pest. Feltételezhetően a keletkező bomlástermékek között volt olyan anyag, amely negatív hatással volt a komposzt dehidrogenáz-enzi­maktivitására.

Összességében elmondható, hogy a vizsgált ötféle műanyagadalék közül kettő esetén nem tapasztaltunk szerkezeti átalakulást a 90 napos komposztalapú mik­rokozmosz kísérletek során. Így várható, hogy ezen vegyületek megtalálhatóak lesznek a lebomló PLA-t tartalmazó komposztban. Ezzel szemben más adalé­kanyagok szinte teljesen elbomlottak a kísérlet végé­re, azonban bizonyos degradációs termékeik a kom­posztban lévő mikroorganizmusok aktivitásának csökkenését eredményezték.

Kutatni kell a hatásokat

A műanyaghulladék mennyiségének exponenciális növekedése 2020-ra globális problémává nőtte ki ma­gát. A megoldási javaslatok nagyrészt már a jövőre vonatkoznak, a legfőbb cél, hogy megtaláljuk azt az alternatívát, amivel az évente újratermelődő hulladék­mennyiséget csökkenteni lehet. A különböző újrahasz­nosítási lehetőségek mellett alapvető eleme a megoldá­si terveknek az egyszer használatos műanyagtermékek végleges száműzése vagy helyettesítése. Emiatt a kör­nyezettudatos vásárlók egyre nyitottabbak a többszö­rösen felhasználható termékekre, pl. élelmiszercso­magoló-anyagokra, és az újratölthető flakonokra. A környezeti és ipari körülmények között gyakorlatilag nem lebontható kőolajalapú műanyagok mellett egy­re szélesebb piaccal rendelkeznek a természetes úton lebontható anyagokból készült termékek is. Fa, papír, bambusz, vagy biodegradábilis polimerek alkalmazá­sával jelentősen mérsékelhető lenne a felhalmozódó hulladékprobléma, és a termékek teljes életciklusát tekintve a kibocsátott szén-dioxid mennyisége is csökkenhetne. A biodegradábilis műanyagok azon­ban csak akkor válhatnak igazán hasznos alternatí­vává, ha megfelelő hulladékkezelésük biztosított lesz. A lebontható műanyagok jelentős része csak ipari komposztálási körülmények közt mineralizálható, ami azt jelenti, hogy a hagyományos műanyagoktól külön, lehetőség szerint a zöldhulladékkal együtt kellene őket gyűjteni és kezelni. Ennek bevezetésére jelenleg Magyarországon még nem látszik szándék, de vannak a Európában jó példák előttünk, többek kö­zött Hollandiában, Belgiumban és Ausztriában. Habár a biodegradábilis műanyagok lebomlásával számos kutatás foglalkozott, mindeddig mérsékelt figyelem irányult a komposztban a műanyagokból potenci­álisan visszamaradó adalékanyagok, illetve bomlás­termékeik azonosítására, hatásuk felmérésére. A ko­rábban ismertetett kutatásunkban ezzel a témával kezdtünk foglalkozni, eredményeink pedig azt mu­tatják, hogy bizonyos adalékanyagok bomlástermékei csökkenthetik a komposzt mikrobiológiai aktivitását. A probléma megoldását jelenthetik a természetes ere­detű adalékanyagok (pl. citrátalapú lágyítók) alkalma­zása a szintetikus adalékok helyett, de ez a terület még további vizsgálatra szorul.

PETROVICS NOÉMI

IRODALOM


(1) Europe, P.; EPRO. Plastics – the Facts 2019. 2019.
(2) Európai Bizottság. Új Megközelítés a Műanyagok Felhasználása Terén.
(3) Hamilton, L. A.; Feit, S.; Muffett, C.; Kelso, M. Plastic & Climate: The Hidden Costs of Plastic Planet. Cent. Int. Environ. Law 2019, 1–108.
(4) Európai Unió. Párizsi Megállapodás. 2016, 4–18.
(5) Európai Parlament, E. T. 94/62/EC – A Csomagolásról És Csomagolási Hulladékról. https://doi.org/10.1128/AAC.03728-14.
(6) Magyarország Kormánya. 2020. Évi XCI Törvény – Egyes Egyszer Hasz­nálatos Műanyagok Forgalomba Hozatalának Betiltásáról; 2021.
(7) Asoh, T. Researchers Create Water-Degradable Plastic Combining Starch and Cellulose. 2020, No. March, 3–5.
(8) Kalita, N. K.; Bhasney, S. M.; Mudenur, C.; Kalamdhad, A.; Katiyar, V. End-of-Life Evaluation and Biodegradation of Poly(Lactic Acid) (PLA)/Polycaprolactone (PCL)/Microcrystalline Cellulose (MCC) Polyblends under Composting Conditions. Chemosphere 2020, 247, 125875. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.125875.
(9) Leejarkpai, T.; Suwanmanee, U.; Rudeekit, Y.; Mungcharoen, T. Biodegradable Kinetics of Plastics under Controlled Composting Conditions. Waste Manag. 2011, 31 (6), 1153–1161. https://doi.or­g/10.1016/j.wasman.2010.12.011.
(10) Sedničková, M.; Pekařová, S.; Kucharczyk, P.; Bočkaj, J.; Janigová, I.; Kleinová, A.; Jochec-Mošková, D.; Omaníková, L.; Perďochová, D.; Koutný, M.; Sedlařík, V.; Alexy, P.; Chodák, I. Changes of Physical Properties of PLA-Based Blends during Early Stage of Biodegrada­tion in Compost. Int. J. Biol. Macromol. 2018, 113, 434–442. https:// doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.02.078.
(11) Stloukal, P.; Pekařová, S.; Kalendova, A.; Mattausch, H.; Laske, S.; Hol­zer, C.; Chitu, L.; Bodner, S.; Maier, G.; Slouf, M.; Koutny, M. Kinetics and Mechanism of the Biodegradation of PLA/Clay Nanocomposites during Thermophilic Phase of Composting Process. Waste Manag. 2015, 42, 31–40. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2015.04.006.
(12) Tabasi, R. Y.; Ajji, A. Selective Degradation of Biodegradable Blends in Simulated Laboratory Composting. Polym. Degrad. Stab. 2015, 120, 435–442. https://doi.org/10.1016/j.polymdegrads­tab.2015.07.020.
(13) Visszafordítható – 100 hatékony megoldás a klímakatasztrófa megállításához. 1. kiadás (HVG Könyvek, Budapest) Szerk.: P. Haw­ken 2019. 184-185. oldal
(14) Mezőgazdasági (növénytermesztés, állattartás, erdészeti) hul­ladékok kezelése és hasznosítása. Írta: Dr. Czupy Imre, Vágvöl­gyi Andrea
https://regi.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0021_ Mezogazdasag_hulladekai/index.html utolsó látogatás: 2020. no­vember 3.
(15) MSZ EN ISO 14855-2:2019 szabvány – A műanyagok teljes aerob bio­lógiai lebonthatóságának meghatározása ellenőrzött komposz­tálási feltételek mellett. Módszer a felszabadult szén-dioxid elemzésével. 2. rész: A laboratóriumi léptékű vizsgálatban fel­szabadult szén-dioxid gravimetriás mérése

A KEHOP-3.1.5-21-2021-00003 sz. projektet
támogatta Magyarország Kormánya
és az Európai Unió.

Természet Világa

Kapcsolódó cikkek