Podobnie jak w przeszłości następowały po sobie epoka kamienia, epoka brązu i epoka żelaza, tak od początku XX w. trwa niezmiennie epoka tworzyw sztucznych. Te materiały są zbudowane z syntetycznych polimerów, czyli substancji powstałych z połączenia setek tysięcy niewielkich molekuł, które tworzą długie łańcuchy. Rozejrzyjmy się wokół – jeżeli nikt nie natrafi wzrokiem na żadne tworzywo sztuczne, to prawdopodobnie znajdujemy się w ściśle chronionym rezerwacie przyrody. Choć i w takich miejscach nie brakuje innych polimerów – naturalnych, z których zbudowane są tkanki roślin, zwierząt i ludzi. Białka, kwasy nukleinowe i polisacharydy to nic innego jak biopolimery, które wchodzą w skład naszych komórek. Bez nich życie nie byłoby możliwe. Polimery naturalne nie stanowią zagrożenia dla otaczającego nas środowiska. Różnego rodzaju mikroorganizmy zamieszkujące glebę i wodę szybko rozkładają tkanki roślinne i zwierzęce, przez co nie toniemy w zwałach śmieci utworzonych z materii organicznej. Niestety, mikroorganizmy nie radzą sobie równie łatwo z tworzywami sztucznymi, a w związku z masową produkcją plastików ogromne ilości tego rodzaju odpadów trafiają każdego roku do środowiska. Ze względu na to tworzywa sztuczne często uważane są za antyekologiczne. Czy na pewno słusznie?
Co spowodowało, że tworzywa sztuczne tak zyskały na popularności w XX w.? Może ich wytrzymałość? Byłaby to po części prawda. Duża część tworzyw sztucznych to materiały niezwykle wytrzymałe jak na swoją masę i odporne na działanie dużych sił. Gumowe opony w samochodach ciężarowych wytrzymują nacisk wielu ton przez długi czas. Nawet zwykła torba foliowa ma zdecydowanie większą wytrzymałość niż torba papierowa. Za wielką zaletę tworzyw sztucznych można uznać ich odporność na działanie warunków atmosferycznych. Polimery syntetyczne, w przeciwieństwie do metali i ich stopów, nie ulegają tak łatwo procesom korozji (to pojęcie dotyczy nie tylko metali).
Jeszcze do niedawna urządzenia na placach zabaw dla dzieci były w większości wykonane ze stopów metali oraz drewna. Jednak koszty powodowane ich konserwacją i usuwaniem skorodowanych elementów były zbyt duże. Obecnie na placach zabaw wykorzystywane są przede wszystkim tworzywa sztuczne, przez co mogą służyć mieszkańcom przez lata i nie wymagają dużych nakładów na utrzymanie. Nie jest to bez znaczenia, ponieważ korozja naprawdę dużo kosztuje. Ocenia się, że straty korozyjne w Polsce pochłaniają aż 8 proc. PKB rocznie (jeszcze niedawno było to 10 proc.). Jednak to inna cecha tworzyw sztucznych przesądziła o ich szerokim zastosowaniu w niemal każdej dziedzinie życia – ich lekkość.
Ludzkość od dawna poszukiwała materiału, który zapewniłby jej przyjemną lekkość bytu. Dla wielu milionów ludzi w Afryce plastikowe pojemniki na wodę i wiadra to najcenniejsze rzeczy w ich dobytku. Od kiedy plastikowe pojemniki zastąpiły ciężkie, gliniane stągwie służące do przechowywania oraz, co istotniejsze, do przenoszenia wody, mieszkańcom Afryki żyje się odrobinę lepiej.
Przez kilkadziesiąt najbliższych lat paliwa kopalne wciąż będą stanowiły główne źródło energii na świecie. Każdy kierowca wie, że niska masa samochodu wiąże się z mniejszym spalaniem paliwa. Mniejsze spalanie to niższe wydatki oraz mniejsza emisja dwutlenku węgla i innych substancji potencjalnie niebezpiecznych dla ludzi i całej planety. Coraz więcej elementów we współczesnych pojazdach wykonanych jest z najlżejszych tworzyw polimerowych. Niekiedy są to materiały najwyższej jakości, które zapewniają również ogromną wytrzymałość, przez co wzrasta bezpieczeństwo pasażerów podczas zderzenia. Czy jednak tworzywa sztuczne są równie bezpieczne dla środowiska?
Aby prawidłowo ocenić wpływ na środowisko, wykorzystuje się tzw. ocenę cyklu życia produktu. Badacze od niedawna przyglądają się bliżej nie tylko szkodliwości produktu po zakończeniu jego eksploatacji, ale również skupiają swoją uwagę na ilości pobranej energii i emisji niebezpiecznych substancji podczas wydobycia surowca, w trakcie wytwarzania produktu, w czasie jego transportu i w końcu – recyklingu. Tylko takie całościowe spojrzenie pozwala uznać dany wyrób za bardziej przyjazny środowisku niż inny.
Naukowcy porównali ze sobą w ten sposób trzy podstawowe rodzaje opakowań na napoje: puszki aluminiowe, butelki szklane i butelki plastikowe wykonane z polimeru PET. Jak się okazało, w całym „cyklu życia” butelki szklane generowały dwukrotnie więcej dwutlenku węgla (CO2) – gazu powszechnie uważanego za główną przyczynę efektu cieplarnianego – w stosunku do puszek i butelek PET. Im większa była pojemność opakowania, tym bardziej ekologiczne okazywały się butelki plastikowe.
Z drugiej strony, jeśli uwzględnić emisję różnych substancji toksycznych, najgorszym rozwiązaniem są puszki aluminiowe, ponieważ ich wytwarzanie wiąże się z powstawaniem tzw. czerwonego błota. Wyciek tej substancji w 2010 r. ze zbiornika na Węgrzech spowodował poważne obrażenia u ponad 120 osób i śmierć okolicznych zwierząt oraz całkowite zniszczenie pobliskich ekosystemów roślinnych. Szklane butelki i tworzywa sztuczne wypadają pod tym względem lepiej. Są to wolno rozkładające się materiały, które po przedostaniu się do środowiska nie powodują jego skażenia, choć przebywają w nim przez długi czas. Jednak widok leżących w lesie opakowań plastikowych czy szklanych to z pewnością estetyczna zmora naszych czasów. Wykorzystaną torbę foliową czy butelkę PET można co prawda poddać recyklingowi. Jak się okazuje, nie zawsze jest to proste.
Pomimo wielu zalet tworzyw sztucznych istnieje poważny problem związany z ich recyklingiem. Większość polimerów syntetycznych, z których wytwarza się opakowania, to tzw. tworzywa termoplastyczne, które można łatwo stopić i uformować ponownie. W Polsce tylko ułamek tworzyw sztucznych poddaje się takiemu procesowi. Problemem jest niewłaściwa segregacja odpadów. Opakowania wytwarzane są z różnych rodzajów polimerów, których rozdział jest trudny. Wyglądają bowiem podobnie, mają podobną gęstość.
Na popularną butelkę plastikową składa się kilka elementów, przy czym nakrętka, uszczelka i etykieta są wykonane z zupełnie innego tworzywa niż właściwy przezroczysty pojemnik. A to rodzi poważne komplikacje, ponieważ każdy z tych elementów topi się w innej temperaturze, co uniemożliwia ich wspólne formowanie i grozi uszkodzeniem drogiego sprzętu przetwórczego. Dlatego tak ważne jest sortowanie odpadów. Na pewno będzie ono łatwiejsze, jeśli w opakowaniach będzie się wykorzystywać mniej rodzajów polimerów.
W Europie z problemem segregacji odpadów najlepiej radzą sobie Szwedzi i Niemcy. W tych krajach dzieci od najmłodszych lat są uczone, w jaki sposób sortować odpady oraz dlaczego warto to robić. Nikt nawet nie myśli o wyrzuceniu opakowania po batoniku na chodnik czy do lasu. W Szwecji wszyscy obywatele segregują śmieci i wiedzą, jak to robić poprawnie. Jedynie 3 proc. odpadów trafia tam na wysypiska, podczas gdy w Polsce niemal 90 proc. W związku z zaostrzeniem przepisów w całej Unii Europejskiej, segregacja odpadów w Polsce powinna jednak w najbliższych latach ulec poprawie.
Innym rozwiązaniem jest produkcja opakowań z tworzyw biodegradowalnych. Modne ostatnimi czasy torby foliowe z napisami „torba biodegradowalna” szybko zyskały na popularności, ponieważ miały eliminować problem zalegania folii na wysypiskach śmieci oraz w miejscach do tego nieprzeznaczonych. Czy jednak takie tworzywa są faktycznie biodegradowalne? Okazuje się, że często za folię biodegradowalną uchodzi zwykła folia z niewielkim, np. 1-procentowym, dodatkiem polimeru naturalnego.
Czy taki znikomy dodatek może odpowiednio wpłynąć na rozkład takiego tworzywa? Postanowiliśmy to sprawdzić. Badaliśmy torbę papierową, torbę biodegradowalną (z niewielkim dodatkiem skrobi) oraz klasyczną torbę foliową. Sprawdziliśmy, czy i jak szybko materiały te ulegają biodegradacji w glebie pobranej z parku. Po 12 miesiącach od umieszczenia folii w glebie stwierdziliśmy, że jedynie torba papierowa ulega właściwej biodegradacji. Folia, która miała być „biodegradowalna”, wykazała tylko niewielkie zmiany, natomiast torba foliowa w żadnym stopniu nie uległa rozkładowi.
Aby folię móc uznać za biodegradowalną, musiałaby w 90 proc. ulec rozkładowi w czasie 6 miesięcy. Większość toreb foliowych udostępnianych na rynku w żadnym stopniu nie spełnia tych kryteriów. Niewielkie dodatki polimerów biodegradowalnych (takich jak skrobia) nie wpływają znacząco na skrócenie czasu rozkładu takich tworzyw. Prawdziwie biodegradowalne torby foliowe posiadają nadruk, który informuje, że są to tworzywa „kompostowalne”. Tylko one są wykonane w 100 proc. z polimerów otrzymywanych z surowców roślinnych (głównie z mączki kukurydzianej) i szybko ulegają biodegradacji w środowisku.
Czy tworzywa kompostowalne rozwiążą problemy zalegania śmieci i ekologiczności produkowanych opakowań? Niestety, wydaje się to mało prawdopodobne. Nawet jeżeli udałoby się wytworzyć odpowiednio dużo kompostowni, w których takie materiały ulegałyby szybko rozkładowi, pozostaje nieusuwalny konflikt. Wyobraźmy sobie, że opakowania są produkowane z tych samych surowców co pożywienie. W niewielkich ilościach z pewnością może to mieć sens, jednak masowa produkcja kompostowalnych tworzyw sztucznych zbyt mocno naruszyłaby gospodarkę żywnościową na całym świecie.
Najbardziej popularny polimer biodegradowalny – PLA – wytwarzany jest głównie z kukurydzy. Może więc powinniśmy zwiększyć tereny pod uprawy? Karczowanie lasów i terenów zielonych pod uprawę kukurydzy czy innych roślin używanych do wytwarzania tworzyw biodegradowalnych spowodowałoby poważne zachwianie w funkcjonowaniu całej planety i doprowadziłoby do śmierci wielu gatunków roślin i zwierząt. Wydaje się, że mogłoby to mieć dużo bardziej negatywny wpływ na środowisko naturalne niż obecna produkcja tworzyw sztucznych z paliw kopalnych (które, co gorsza, za jakiś czas ulegną wyczerpaniu).
Naukowcy każdego dnia poszukują nowych rozwiązań. Ostatnio pojawił się pomysł, aby produkować tworzywa biodegradowalne z wykorzystaniem bakterii oraz glonów występujących w morzach i oceanach. Potencjał produkcyjny drzemiący w tych niewielkich organizmach jest ogromny i jego wykorzystanie być może pozwoliłoby zredukować kłopoty związane z zaśmiecaniem naszej planety.
Autorzy – dr hab. Łukasz Chrzanowski, Mateusz Sydow, Marta Woźniak – są pracownikami Wydziału Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej.