„A jó a rossz és a csúf”: Hogyan lesz a fenntartható fejlődést elősegítő jó műanyag termékből a rossz gyakorlat miatt csúf tengeri hulladék, és mi mindent lehetne vele kezdeni, ha kihalásznánk?
Ronkay Ferenc, Molnár Béla, Gere Dániel, Czigány Tibor
Eredeti cikk: Ronkay, F.; Molnar, B.; Gere, D.; Czigany, T.: Plastic waste from marine environment: Demonstration of possible routes for recycling by different manufacturing technologies. WASTE MANAGEMENT 119 pp. 101-110. (2021)
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0956053X20305407
Bevezetés
A világ népessége folyamatosan növekszik, jelenleg a Földön 7.7 milliárd ember él, ugyanakkor az előrejelzések szerint Földünk csak közel 10 milliárd embert tud eltartani, ha a jelenlegi életvitel és ütem szerint folytatódik a fogyasztás, a természeti javak védelme és a hulladékkezelés [1-3]. Ez utóbbi különösen kritikus, hiszen az elmúlt években a termékek és csomagolóanyagaik egyre gyorsabban hulladékká válnak, aminek jelentős része a felelőtlen emberi magatartás és a helytelen hulladékgazdálkodás miatt a természetbe kerül lerakás vagy szemetelés útján. Az elmúlt évtizedekben az egyre jobb tulajdonságokkal rendelkező műanyagtermékek és csomagolóanyagok mennyisége jelentősen növekedett. Becslések szerint 1950 és 2017 között 6789 millió tonna (million metric tons) műanyagot (nonfiber plastics (resins)) állítottak elő [4] és ez a mennyiség évről évre növekszik [4, 5], mert a műanyag kiváló tulajdonságainak köszönhetően az emberiség életminősége növekedett, a károsanyag kibocsátás csökkent, az energiatermelés pedig hatékonyabbá vált használatával. Az előállított műanyag volumenének növekedése a belőle keletkező hulladék mennyiségénél is jelentkezik. A szelektív hulladékgyűjtésnek köszönhetően egyre kevesebb újrahasznosítható termék kerül a vegyes hulladékba [4], ugyanakkor a fenntartható fejlődés egyik záloga, hogy a begyűjtött hulladékok minél nagyobb mértékben kerüljenek megfelelő újrahasznosításra, újrafeldolgozásra.
A műanyag jó, mert a belőle készülő csomagolás segítségével csökkenthető az élelmiszerhulladék, pl. a modern csomagolóanyagok a Parmezán sajt eltarthatóságát 20 napról 50+ napra növelik [6]. A műanyagok csökkentik a csomagolás mennyiségét és tömegét, pl. egy 1 kg-os termék (be)csomagolásához átlagosan 22 gramm műanyag szükséges, amíg egyéb csomagolóanyag esetén ez 88 gramm [6]. A műanyagoknak köszönhetően jut el friss ivóvíz, élelmiszer és gyógyszer az elmaradott térségekbe [7, 8]. Nekik köszönhetően az elmúlt évtizedekben az energiatermelés sokkal hatékonyabbá és környezetbarátabbá vált (pl. szélkerekek) [9, 10]. Szintén nekik köszönhető, hogy a járműveink tömege csökkent, használatukhoz ezért kevesebb üzemanyagra van szükség, így a károsanyag kibocsátás is mérsékeltebb [8, 11]. A műanyag hőszigetelő elemek épületeink energiaköltségét is jelentősen redukálják [12]. Az orvostechnikában alkalmazott műanyag implantátumok, protézisek pedig hozzájárultak az emberek gyorsabb, komfortosabb gyógyulásához, mindennapi életük megkönnyítéséhez [13]. A fenti példák mind erős összefüggésben állnak a fenntartható fejlődéssel, az életminőség javulásával, a Föld tovább használatával.
Ugyanakkor nem lehet elhallgatni, hogy a pazarló, csak profitban gondolkozó, meggondolatlan termék és csomagolóanyag gyártás, valamint a helytelen hulladékgazdálkodás eredménye a műanyagokkal kapcsolatos rossz beidegződés. 1950 és 2015 között összesen kb. 6300 millió tonna elsődleges és másodlagos (recycled) műanyaghulladék keletkezett, aminek csak a 9%-át hasznosították újra anyagában, ezzel szemben 12%-át elégették, 79%-a pedig hulladéklerakóba vagy a természetbe került [4]. A helytelen hulladékgazdálkodás következtében a nem megfelelően kezelt vagy kezeletlen hulladék a folyók, szennyvíz kivezetések, szél és árapály, folyami és légi szállítás útján, illetve közvetlenül a tengeri tevékenység (hajózás és halászat) eredményeképpen az óceánokba került [14, 15]. Ez az emberi felelőtlenség csúffá teszi a környezetet, mivel műanyaghulladékkal szinte mindenhol lehet találkozni, a tengerpartokon, a tengerek, illetve óceánok felszínén, valamint fenekén és még az Északi-sark jegében is (shoreline, seabed, water column and sea surface) [14-17]. A Földközi tengeren bizonyították, hogy egy eldobott palack 2 év alatt akár 700-1200 km-t is utazhat a szél/áramlatok hatására [18]. Az emberi populációktól távol eső helyeken is kimutatták a műanyaghulladékok jelenlétét, pl. ∼2500 m-es mélységben a Charlie-Gibbs törészónában a Közép-Atlanti hátság mentén, illetve ∼2450 m-es mélységben a Fram-szorosban (79°N) [19-21].
Hulladékok a tengerben – statisztikai áttekintés
A szakirodalomban számos adat található a tengeri, óceáni hulladék összetételével kapcsolatban, melyekben megfigyelhető, hogy a műanyaghulladék alig több, mint fele a teljes mennyiségnek, ugyanakkor csak ez az anyag van a figyelem középpontjában, hiszen a műanyagok jelentős része jól láthatóan úszik a vízfelszínen, míg a többi hulladék lesüllyed a tengerfenékre.
A tudományos szakirodalomban már az 1970-es évek elején megjelentek cikkek/beszámolók az óceáni műanyagszennyezésről [14, 19], amely az utóbbi évtizedekben egyre növekvő figyelmet, hangsúlyt kap. Ezt alátámasztja az is, hogy a „Web of Science” adatbázisában a „marine plastics debris” kulcsszó alatt, 1975 és 2018 között exponenciálisan növekedett a publikációk száma. Ezekben a tanulmányokban megemlítik, hogy az óceáni hulladék (marine debris) legalább 80%-a a szárazföldről származik [14, 26, 27]. A műanyaghulladék több mint 74%-a május és október között áramlik be az óceánokba a folyókon keresztül, mivel a monszunokkal összefüggésbe hozható megnövekedett csapadékmennyiség a szárazföldön eldobott műanyaghulladékot az óceánba viszi. A 20 legjobban szennyező folyó többsége Ázsiában található, amelyek a teljes szennyezés 67%-áért, valamint a műanyagszennyezés 86%-áért felelnek [15]. Az Ázsiai kontinens domináns szerepét az eredményezi, hogy a meglehetősen magas népsűrűség kombinálva van a viszonylag nagymennyiségben keletkező kezeletlen hulladékkal és az erős esőzésekkel [15].
A szakirodalomban különböző, néhány esetben egymásnak ellentmondó adatot is lehet találni a tengerekben, óceánokban lévő műanyaghulladék mennyiségéről és elhelyezkedéséről. Ezeket az adatokat összegzi az 1. táblázat.
|
Műanyaghulladék mennyisége |
Megjegyzés | Hivatkozás |
| 1.15-2.41 millió tonna/év | évente az óceánokba kerülő műanyaghulladék mennyisége | [15] |
| 4.80-12.70 millió tonna műanyaghulladék | 192 part menti országból, 2010-ben a keletkezett műanyaghulladék 1.8-4.7%-a került az óceánokba | [14] |
| 0.27 millió tonna | 0.23 millió tonna nagyobb műanyag tárgy és 0.04 millió tonna mikroműanyag | [28] |
| 0.01-0.04 millió tonna | a nyílt óceán felszínén | [29] |
1. táblázat: Tengerekben, óceánokban jelenlévő műanyaghulladék mennyisége
A műanyaghulladék elhelyezkedésével kapcsolatban több vonatkozó kutatás megállapítja, hogy kb. 70% található a tengerfenéken és kb. 15-15% a felszínen úszó-lebegő, illetve a tengerparton található szennyezők aránya [24, 26, 30].
A tengerekbe, óceánokba került hulladékok közül a tengervíznél nagyobb sűrűségű anyagok (pl. üveg, fém) lesüllyednek, a kisebb sűrűségűek (pl. PE, PP, levegőt tartalmazó PET palack) pedig úsznak vagy lebegnek [26]. A tengervíznél nagyobb sűrűségű anyagok mellett a kisebb sűrűségűek is idővel lesüllyedhetnek a vízoszlopban a tengerfenékre, mivel az úszó, lebegő mikroműanyagon felhalmozódó lerakódások (pl. kagyló, alga és tengeri növények) egy bizonyos idő után annyira megnövelik a látszólagos sűrűséget, hogy az már nagyobb lesz, mint a tengervízé [29, 31-34].
Az óceáni környezetben található tengeri műanyaghulladék mintegy 18%-át a halászati iparágnak tulajdonítják, ezért az óceáni műanyaghulladékokat két nagy kategóriába sorolják: halászathoz kapcsolódó hulladékok és lakossági eredetű műanyagok [27, 28].
A legtöbb szakirodalomban [31, 35-37], csak feltételezik, és nem konkretizálják, hogy milyen fajta műanyagok (PE, PP, PVC, PS, PET, PA), milyen arányban, illetve milyen formában (pl. palack, fólia, textília) fordulnak elő az óceáni műanyaghulladékban. Annak ellenére nincsenek konkrétabb adatok, hogy egy review cikk, 104 feldolgozott irodalma szerint, 16 különböző begyűjtési módszerrel, összesen 259822 tonna, 1.122 millió darab és 1586 dm3 tengeri hulladékot már összegyűjtöttek [22], pedig az óceánokból és a tengerpartokról összegyűjtött műanyagok könnyen azonosíthatók lennének pl. FTIR-ATR módszerrel [31]. A említett feltételezések összhangban vannak azzal, hogy az előállított polimerek nagy részét (42%) a csomagolóipar használja, amely szintén ezeket a polimereket dolgozza fel legnagyobb mértékben, azonban ezeknek a termékeknek az átlagos élettartama néhány hónap, emiatt nagyon hamar hulladékká válnak [4]. Emellett a halászati iparág is PE-t, PP-t, PA-t használ leginkább [27]. Főleg tengerparti hulladékok esetén jelentős mennyiségben megjelenik a cellulóz-acetát is, mint a cigaretta szűrők alapanyaga [24].
A szakirodalom a tengerből összegyűjtött műanyaghulladékot gyakran méret szerint is meg szokta különböztetni, leggyakrabban microplastics, mesoplastics, macroplastics besorolást alkalmazva, azonban ezen kategóriák mérettartományai nem egységesek. Például a mikroműanyag kifejezést a különböző kutatók különbözőképpen definiálják, van, aki az 5 mm-nél kisebb, míg van, aki az 0.5 mm-nél kisebb műanyagrészecskéket nevezi mikroműanyagnak [27, 31]. Manapság legtöbbet a mikroműanyagok eredetét, tulajdonságait és hatását kutatják. Ezeknek a szakirodalom [27, 31] szerint két típusa van: az elsődleges mikroműanyagok közé tartoznak az ipari szinten előállított különböző méretű mikrogyöngyök amelyeket általában kozmetikai készítményekben használnak, illetve az ipari csiszolóanyagok. Az óceánokban azonban sokkal több a másodlagos mikroműanyag, amelyek jellemzően a nagyobb műanyaghulladékok töredeződésével jönnek létre, akár a termék használata során, akár az időjárási körülmények miatt [31].
Tengeri hulladék begyűjtése és újrahasznosítása
A műanyag hulladékok megfelelő kezelése alapvetően anyagában, illetve kémiai újrahasznosítással (pl. pirolízis) történhet, ha ezek nem valósíthatóak meg akkor energetikai célú hasznosítással (égetéssel). Az anyagában történő újrahasznosítás során a polimer hulladékot az előkészítő lépések után ömledékállapotba hozzák, majd másodlagos nyersanyagot vagy közvetlenül terméket állítanak elő belőle. Ezzel szemben a kémiai újrahasznosítás során, hevítés hatására a polimerláncok felbomlanak és gáz, folyadék, illetve szilárd állapotú termékek jönnek létre [38].
A szárazföldről begyűjtött, ismeretlen összetételű műanyaghulladék különböző szerves és szervetlen szennyeződéseket (pl. olaj, zsír, ragasztóanyag), illetve különböző fém, fa, üveg és egyéb komponenseket is tartalmazhat. Az újrahasznosítás során kulcsfontosságú a műanyaghulladék anyagcsaládonkénti szétválogatása, mivel csak a nagy tisztaságú, homogén polimerekből lehet gazdaságosan jó minőségű terméket előállítani. Emiatt az anyagában történő újrahasznosítás jellemzően a műanyaghulladék összegyűjtését, válogatását, aprítását, mosását, tisztítását és regranulálását foglalja magába. A hulladék eredetétől és összetételétől függően ezek a lépések különböző sorrendben, akár többször is előfordulhatnak az újrahasznosítási folyamat során [38].
A szárazföldi hulladék begyűjtésével szemben a tengeri hulladék esetén problémát jelent, hogy a nagyméretű tengerparti és úszó hulladékok mellett az óceánokban jelenlévő mikroműanyagot, illetve a tengerfenékre lesüllyedt hulladékot nehézkes detektálni, újrahasznosításra vagy más ártalmatlanításra összegyűjteni [31]. A begyűjtött tengeri műanyaghulladék anyagában történő újrahasznosítása valószínűleg nagyobb kihívást jelent, mint a szárazföldi, mivel a hagyományos szennyezők mellett jelentős mennyiségben tartalmazhat homokot, sót, illetve kagylót, algát és tengeri növényeket, akár a hulladék felületére tapadva is. A homok és egyéb üledékek sűrűsége tipikusan 2.65 g/cm3, ezért valószínűleg a hagyományos sűrűségkülönbségen alapuló módszerekkel leválaszthatók [24, 33, 35]. A szennyezők mellett problémát okoznak a különböző környezeti tényezők indukálta degradációs folyamatok is. A napsugárzásban lévő UV-B sugárzás (280-315 nm) elősegíti a foto-oxidatív degradációt, amelynek hatására csökken a műanyagokat alkotó polimer molekulák tömege. Ennek következtében gyengül az anyag (mikrorepedések jönnek létre), ami azt eredményezi, hogy mechanikai igénybevétel hatására törés, illetve szétaprózódás következik be a hulladékban (1. ábra) [19, 27, 37, 39].
- ábra: Környezeti tényezők hatása a műanyagokra tengeri környezetben [40]
A műanyaghulladék a tengerpartokon akár 40 °C-osra is felmelegedhet, ami tovább gyorsítja a napsütés által okozott öregedés, degradáció folyamatát, ezért a tördelődés a tengerpartokon nagyobb arányban és eséllyel fordul elő. Ezzel szemben, ha ugyanaz a műanyag ugyanazon a helyen a tengervízben lebeg, a degradáció lassabban megy végbe az alacsonyabb hőmérséklet miatt [27, 31, 41, 42], emellett a lebegő, úszó hulladékon lévő szennyeződések kiszűrik a napfényből az oxidációs reakciók beindításáért felelős UVR egy részét, ezáltal késleltetve a degradációt [31, 43]. A tengerben, óceánban elsüllyedt műanyagok esetén sokkal lassabb a degradáció mértéke az UV-B sugárzás hiánya, az alacsony hőmérséklet és az alacsonyabb oxigén koncentráció miatt, ezért nem valószínű, hogy le fog játszódni aprózódás [27, 31, 44]. A szakirodalom szerint tengeri hulladékok esetén a többi degradációs folyamat nagyságrendekkel lassabb, mint a foto-oxidatív degradáció [27]. Ezek mellett meg lehet említeni a hullámok és az apály-dagály okozta mechanikai degradációt is, aminek hatására karcolódhat és töredezhet a hulladék [37].
Az elmúlt évtizedben növekvő tendenciát mutat a tengeri hulladék begyűjtésével kapcsolatos projektek és publikációk száma [22], azonban még nem készült olyan publikáció, amely részletesen bemutatja a különböző begyűjtések eredményeit pl. műanyagtípusok mennyisége, aránya; begyűjtött hulladék újrahasznosíthatósága; begyűjtött hulladék méret eloszlása. Sokkal inkább a bekerülő hulladék csökkentését, illetve a tengeri hulladék élettani hatását vizsgálják [22]. Schneider és társai [22] review cikkükben 132 db tengeri hulladék begyűjtésével kapcsolatos tanulmányt, cikket és projektet dolgoztak fel, viszont ezek közül 124 db egyáltalán nem foglalkozott a begyűjtött hulladék kezelésével, újrafeldolgozhatóságával. Ami foglalkozik vele az megemlíti az anyagában történő újrahasznosítást, a pirolízist és az égetést, mint lehetséges módszereket, azonban gyakorlati tapasztalatokról egyik sem számol be [22, 24].
A műanyagok tengeri körülmények közötti öregítésének mesterséges (gyorsított) vizsgálatára nincs egységesen elfogadott módszer, szabvány. Emiatt vannak, akik egyszerű házi módszerekkel, akvárium, UV lámpa és tengervíz segítségével kísérleteztek [37].
Összefoglalásul megállapítható, hogy egyre nagyobb erőfeszítéseket tesznek a tengeri hulladékok összegyűjtésére, ezért fontos felkészülni ezek célzott újrahasznosítására. A szakirodalomban kevés információ található a tengeri hulladékban egyik legnagyobb mértékben jelenlévő PET palackok természetes öregedéséről, illetve, hogy ez hogyan befolyásolja az alapanyag tulajdonságait. Emellett a tengerekből összegyűjtött PET palackok újrahasznosíthatóságáról sem áll rendelkezésre semmilyen információ, ezért a cikk célja szabványos vizsgálatok alkalmazásával a tengeri, óceáni környezetet modellezve több évnyi óceánban tartózkodást, úszást megélő PET palackok újrafeldolgozhatóságának elemzése és termékgyártási kísérletek bemutatása.
Kísérletek
Annak érdekében, hogy a vizsgált minták öregedése pontosan nyomon követhető legyen, valamint a sokéves természetes öregedési folyamat gyorsíthatóvá váljon, mesterséges öregítési folyamatot dolgoztunk ki.
A modellezni kívánt természetes környezeti hatásokat a hulladékok helyén található időjárási körülmények határozzák meg. A műanyag hulladék szempontból egyik legkritikusabb terület, a „Nagy-hulladéksziget” elhelyezkedését az 2. ábra mutatja [49]. A meteorológiai adatbázisokból meghatározhatók a jellemző időjárási adatok erre a területre. Ezek alapján az elmúlt 10 évet tekintve a tenger felületi átlaghőmérséklete (Sea Surface Temperature – SST) 21.7 °C [50]; az átlagos napfénysugárázási intenzitás pedig rövidhullámhosszon 108.1 W/m2 [51]. Ezeket tekintettük tehát a modell peremfeltételeinek.
- ábra: A „Nagy-hulladéksziget” a Csendes óceánon [49]
A modellezési folyamat során a cél egy egységesen használható, nagyobb mintamennyiségen elvégezhető, a főbb környezeti körülményeket (napfénysugárzás, hőmérséklet, tengervíz) figyelembe vevő módszer megalkotása volt.
A mesterséges öregítési folyamat ciklusokból állt, egy ciklus pedig 7 napig (168 óra) tartott a következő felépítéssel: 1 nap sópermetkamrában + 6 nap Xenon kamrában történő öregítés.
Bár az öregítés gyorsítási tényezőjének meghatározására nincs egzakt módszer, mégis kb. 10‑15-szörös gyorsítás becsülhető, annak ismeretében, hogy a Xenon-kamrában alkalmazott sugárzás átlagos intenzitása a természetesnél kb. 6-szor nagyobb, illetve a kamrahőmérséklet kb. 16 °C-kal magasabb a természetes átlaghőmérsékletnél. Ez a becslés összhangban van Philip és Al-Azzawi [53] megállapításával, akik PET minták természetes és mesterséges öregítését hasonlították össze, és kb. 25 nap mesterséges öregítéssel értek el egy évnyi természetes öregedést.
A mesterséges öregítés során összesen elvégzett 15 ciklus során a teljes öregítési idő 2520 óra volt, amelyből a Xenon kamrában töltött idő 2153 óra. Ezen idő alatt a besugárzott energia értéke a 300-400 nm (UV) hullámhossztartományban 465 MJ/m2 volt, amely érték közelítő becsléssel mintegy 3-4 évnyi óceán-felszíni tartózkodási időnek feleltethető meg.
Újrahasznosítási technológiák
Annak igazolására, hogy az óceáni körülményeknek kitett PET palackok anyaga a visszagyűjtés után alkalmas lehet a műanyagiparban elterjedt technológiákkal történő feldolgozásra, ötféle különböző gyártástechnológia tesztelését végeztük el:
- extrúziós szálgyártás (félkész termék gyártás 3D nyomtatáshoz és granulálás után fröccsöntéshez);
- extrúziós lemezgyártás (félkész termék gyártás melegalakításhoz);
- 3D nyomtatás;
- melegalakítás;
- fröccsöntés.
Annak érdekében, hogy az újrahasznosítás és a tengeri körülmények között történő öregedés tulajdonságmódosító hatásai külön-külön is detektálhatók legyenek, a kísérleteket nem csak az öregített darálékon, hanem öregítés nélküli darálékon, valamint eredeti PET alapanyagon is elvégeztük. Így a különböző életutakat megjárt, ezáltal különböző mértékű degradációs hatásoknak kitett anyagokból készült termékek összehasonlíthatóvá váltak.
A kísérletünk folyamatábráját a 3. ábra mutatja.
- ábra: A kutatás felépítése
A tulajdonságok változása a mesterséges öregítés során
A PET darálék változása
A PET palack darálék felszíne az öregítési vizsgálat során jelentősen változott. A 4. ábra (bal oldall) a kiindulási állapotot mutatja, ahol sima felszín figyelhető meg. A 4. ábrán (jobb oldal) a teljes öregítési idő után az UV-sugárzás degradációs hatására a felszínen mikro-repedések, felületi elválások jelentkeztek. Leváló Leváló anyagrészecskék nem voltak jellemzők a károsodásra, tehát PET-alapú mikro-műanyagok nem jelentek meg a kísérlet során.
4. ábra: A PET palack darálék felszínének pásztázó elektronmikroszkópos felvétele öregítetlen esetben (bal oldali ábra.) és 2153 óra Xenon-kamrában töltött idő után (jobb oldali ábra)
A PET molekulatömegét jellemző IV érték változását mutatja az 5. ábra, a Xenon‑kamrában töltött idő függvényében. A csökkenés a (2) exponenciális összefüggéssel modellezhető (az 5. ábrán szaggatott fekete trendvonallal jelölve), amely alapján az IV‑csökkenés mennyisége arányos a megmaradt mennyiséggel:
, (2) 
ahol IV [dl/g] a t időpontban mérhető IV érték; IV0 [dl/g] a kezdeti IV érték;
t [h] a Xenon kamrában töltött idő; k [1/h] az arányossági tényező; IVΔ,∞ [dl/g] a végtelen időnél elméletileg jelentkező IV-érték csökkenés.
- ábra: Az átlagos molekulatömeget jellemző IV érték változása a Xenon-kamrában töltött idő függvényében
Az illesztett modell alapján a végtelen időnél elméletileg várható IV-érték csökkenés 0,21 dl/g, így 0,77 dl/g indulási érték esetén az öregített anyag IV-értéke várhatóan nem csökken 0,56 g/dl alá. Ez az érték azt jelzi, hogy az anyag még alkalmas ipari szintű újrahasznosításra [55]. Mivel a csökkenő IV érték konstans értékhez tart, feltételezhető, hogy a lánctördelődés (chain scission) mellett, kis mértékű molekulalánc-elágazódás (branching) is fellép, és a két folyamat egyensúlyban tartja a molekulatömeg értékét [56]. Térhálósodás (cross-linking) nem valószínűsíthető, mivel az oldat-viszkozitás mérése során nem voltak észlelhetők térhálósodásra utaló oldhatatlan-részek [57].
A HDPE kupak változása
A PET darálékkal együtt a palackok lezárására szolgáló HDPE kupakokon is elvégeztük a mesterséges öregítés teljes folyamatát. A 2153 óra öregítés után a kupakok felületén kismértékű elváltozás, repedezettség volt megfigyelhető (6. ábra). A károsodott felületet elektronmikroszkóppal vizsgálva megállapítható volt, hogy a sugárzás irányára merőleges sík repedezett, elváló részek keletkeztek. A roncsolódás mértéke csekély, a kupak tömegcsökkenése a vizsgált időtartam alatt csupán 1.5 mg (955 ppm), azonban a levált részecskék 10-100 μm mérettartományba esnek, tehát mikro-műanyagnak tekinthetők.
- ábra: HDPE kupak sztereo-mikroszkópos és pásztázó elektronmikroszkópos felvétele (bal oldal: öregítés előtt, jobb oldal: öregítés után)
A kísérleti eredmények alapján tehát a mintegy 3-4 évi óceáni tartózkodást szimuláló mesterséges öregítési idő alatt a kupakok nem szenvedtek olyan károsodást, ami funkcióvesztést eredményezne, és a leromlott zárási tulajdonságok miatt a PET palackok elsüllyedését okozná.
PET anyagból gyártott minták, és azok összehasonlítása
Az öregített PET palack darálékkal, valamint nem-öregített darálékkal és eredeti anyaggal is technológiai teszteket végeztünk, amelyek során szál- és lemez-extrudálási, fröccsöntési, 3D nyomtatási és melegalakítási műveleteket hajtottunk végre. A különböző kiindulási anyagok alkalmazása lehetővé tette annak vizsgálatát, hogy az egyes reciklálási folyamatok során jelentkező további járulékos degradáció eltérő-e a különböző életutat megjárt alapanyagoknál.
A tesztek alapján mind az ötféle gyártási technológia eredményesen alkalmazható öregített darálék esetében is (7. ábra).
7. ábra: Az ötféle gyártástechnológiával eredeti PET-ből, illetve öregítetlen és öregített PET darálékból készült előgyártmányok és termékek
Konklúziók, termékgyártási javaslatok, jövőkép
A nem megfelelő emberi hozzáállás miatt a műanyag hulladék egy része a világ tengereibe/óceánjaiba kerül és a felszínen lebegve veszélyezteti az élővilágot. A vízfelszíni hulladék jellemzésére, valamint „lehalászására” számos új projekt irányul (pl. The Ocean Cleanup, Manta Trust), azonban a visszagyűjtött hulladék újrahasznosíthatóságát és feldolgozhatóságát eddig nem vizsgálták. A fenntartható fejlődés és a körkörös gazdaság szempontjai alapján viszont a megelőzésen túl az eddig felhalmozódott műanyaghulladék kezelését is meg kell oldani.
Jelen kísérletsorozatban ezért a következő kérdésekre kerestük a választ:
- Újrahasznosítható-e termelékeny műanyag-feldolgozási technológiákkal a tengeri körülmények között öregedett hulladék?
- Amennyiben lehetséges terméket gyártani, akkor az így készített darabokat lehet-e alkalmazni eredeti, illetve a szárazföldről begyűjtött, újrahasznosított anyagból készültek helyett?
A vizsgálathoz fejlesztett gyorsított mesterséges öregítéssel mintegy 3-4 év tengerfelszíni tartózkodást modelleztünk. Megállapítottuk, hogy ezen időtartam alatt a palackok HDPE anyagú kupakjai károsodnak ugyan, de nem olyan mértékben, hogy az a víz beszivárgását és a palackok elsüllyedését eredményezze. Kimutattuk, hogy a PET palackok anyaga az UV-sugárzás hatására károsodik, a benne található molekulaláncok rövidülnek, ám a degradáció mértéke időben egyre lassul.
Az öregített anyag felhasználásával ötféle feldolgozási technológiát teszteltünk, amelyek során eredményesen gyártottunk szálat és abból 3D nyomtatott darabokat, regranulátumot és belőle fröccsöntött terméket, extrudált lemezt és abból vákuumformázott mintát. Bár a gyártástechnológiai folyamatok további degradációt okoztak, ez az öregített alapanyag esetén nem volt jelentősebb, mint az eredeti anyag feldolgozása esetében.
A fröccsöntéssel történő újrahasznosítás kiemelkedően jó lehetőség lehet az újrahasznosításra, mivel termelékeny és számos területen használt eljárás nagy alapanyagigénnyel. Ezért a fröccsöntött mintákat funkcionális vizsgálatoknak is alávetettük. Ezek során kimutattuk, hogy az öregedés és az újrafeldolgozás során jelentkező degradáció miatt a fényáteresztő képesség jelentősen csökken, valamint lényeges elszíneződés, barnulás történik. A darabok szilárdsága és merevséges nem változik számottevően, ezen értékek az eredeti darabéval megegyeznek. Korlátot jelenthet viszont a darab ridegedése, ami a szakadási nyúlás és az ütőmunka csökkenésében jelentkezett.
Az esztétikai tulajdonságok és a törékenység bizonyos területeken limitálhatja az öregedett anyagból készített termékek használhatóságát, azonban szükség esetén a degradáció következményei különböző módszerekkel kompenzálhatók lehetnek (pl. színezékek alkalmazása, Solid State Polymerization reakció, Chain-extender adalékok felhasználása [61, 62]).
Bizonyításra került tehát, hogy a tengeri környezetbe kerülő palackok akár évekig is úszhatnak a felszínen, és ezalatt a szerkezetük nem károsodik olyan mértékben, ami az újrahasznosítást, az újrafeldolgozást lehetetlenné tenné. Környezetvédelmileg tehát indokolt a felszínen úszó műanyaghulladék összegyűjtése, mivel műszaki szempontból hasznosításuk megvalósítható. További feladatot jelent az újrahasznosított anyag számára alkalmazási területeket, termékötleteket kidolgozni, amelyre két javaslatot mutatunk be: egy fröccsöntött előformából kialakított napfényvédőkrém-tégelyt és egy fröccsöntött alkatrészekből összeállítható napszemüveget (8. ábra). Koncepciónk lényege az volt, hogy a tengeri műanyaghulladékból olyan termékeket készítsünk, amelyek egyfajta „menő cuccként” kötődnek a tengerparthoz, így is kifejezve, hogy használója támogatja és fontosnak tartja a környezetvédelmet. A napkrémtartó és a szemüveg kék színvilága utal arra, hogy újrahasznosított tengeri hulladékból készültek, míg a hagyományos, az újrahasznosítás nemzetközi logóját átterveztük hullámosra, hogy az szintén a tengeri újrahasznosításra utaljon.
- ábra: Terméktervek öregített darálékból készíthető alkalmazásokhoz
Cikkünkben bemutattuk, hogy nemcsak a természet- és a tengeri állatok védelme érdekében fontos a csúf tengeri műanyaghulladék begyűjtése, hanem rámutattunk, hogy a víz felszínén úszó műanyagok jól újrafeldolgozhatóak, így kiváló nyersanyagai lehetnek új termékeknek. Ugyanakkor fontos, hogy folyamatosan csökkenjen és megszűnjön a szemetelés, a műanyaghulladék lerakása, hiszen az emberi nemtörődömség miatt kerülnek a műanyagok a vizekbe. A fenntartható fejlődés, sőt a Föld és az emberiség jövője múlik a szemléletváltozáson, hiszen az egyre nagyobb ütemű városiadás, a fejlődő közlekedési infrastruktúra és a fosszilis energiahordozókat egyre nagyobb mennyiségben elégető ipari termelés hatására bekövetkező klímaváltozás olyan méreteket öltött, amely már veszélyezteti az életet. Ezért sokkal nagyobb figyelmet kéne fordítanunk a megújuló energiaforrásokra, a folyamatos újrahasznosításra és ennek oktatására, hogy megbecsüljük termékeinket, legyen az fémből, kerámiából vagy műanyagból. Az „eldobható” kifejezés helyett pedig az „újrahasznosítható” jelző használatát javasoljuk. Ez is hozzájárul ahhoz, hogy a ma még csúf eldobált műanyaghulladékból jó és újrahasznosítandó termék legyen.
A kutatás az Imsys Kft. Anyagvizsgáló Laboratóriuma és a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Polimertechnika Tanszék együttműködésével készült.
Felhasznált szakirodalom
[1] United Nations, Department of Economic and Social Affairs, Population Division: World population prospects 2019: Highlights. United Nations, New York (2019).
[2] Kin C. S., Ut I. M., Hang L., Hou U. I., Weng N. K., Ha U. S., Hin L. K., Heng C. K., Tim T. S., Kuai C. I., Shan L. W.: Predicting Earth’s carrying capability of human population as the predator and the natural resources as the prey in the modified Lokta-Volterra equations with time-dependent parameters. arXiv, 1909.05002, (2019).
[3] Taagepera R.: A world population growth model: Interaction with Earth’s carrying capacity and technology in limited space. Technological Forecasting & Social Change, 82, 34-41 (2014).
[4] Geyer R., Jambeck J. R., Law K. L.: Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advances, 3, e1700782 (2017).
[5] Nova-Institut: Bio-based building blocks and polymers in the world – capacities, production and applications: Status quo and trends toward 2020. Nova-Institut GmbH, Hürth (2015).
[6] PlasticsEurope: The unknown life of plastics. PlasticsEurope AISBL, Brüsszel (2016).
[7] Stoler J., Weeks J. R., Fink G.: Sachet drinking water in Ghana’s Accra-Tema metropolitan area: past, present, and future. Journal of Water, Sanitation and Hygiene for Development, 2, 223-240 (2012).
[8] Parker L.: Plastic. National Geographic, 40-71 (2018).
[9] Schubel P. J., Crossley R. J.: Wind turbine blade design. Energies, 5, 3425-3449 (2012).
[10] Mishnaevsky L., Branner K., Petersen H. N., Beauson J., McGugan M., Sørensen B. F.: Materials for wind turbine blades: An overview. Materials, 10, 1285 (2017).
[11] Elmarakbi A.: Advanced composite materials for automotive applications: Structural integrity and crashworthiness. John Wiley & Sons, Chichester (2014).
[12] Bozsaky D.: The historical development of thermal insulation materials. Periodica Polytechnica Architecture, 41, 49-56 (2010).
[13] Sastri V. R.: Plastics in medical devices: Properties, requirements, and applications. William Andrew, Oxford (2014).
[14] Jambeck J. R., Geyer R., Wilcox C., Siegler T. R., Perryman M., Andrady A., Narayan R., Law K. L.: Plastic waste inputs from land into the ocean. Science, 347, 768-771 (2015).
[15] Lebreton L. C. M., van der Zwet J., Damsteeg J.-W., Slat B., Andrady A., Reisser J.: River plastic emissions to the world’s oceans. Nature Communications, 8, 15611 (2017).
[16] Barnes D. K. A., Galgani F., Thompson R. C., Barlaz M.: Accumulation and fragmentation of plastic debris in global environments. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 364, 1985-1998 (2009).
[17] Obbard R. W., Sadri S., Wong Y. Q., Khitun A. A., Baker I., Thompson R. C.: Global warming releases microplastic legacy frozen in Arctic Sea ice. Earth’s Future, 2, 315-320 (2014).
[18] Pasternak G., Zviely D., Ariel A., Spanier E., Ribic C. A.: Message in a bottle – The story of floating plastic in the eastern Mediterranean sea. Waste Management, 77, 67-77 (2018).
[19] Law K. L.: Plastics in the marine environment. Annual Review of Marine Science, 9, 205-229 (2017).
[20] Pham C. K., Ramirez-Llodra E., Alt C. H. S., Amaro T., Bergmann M., Canals M., Company J. B., Davies J., Duineveld G., Galgani F., Howell K. L., Huvenne V. A. I., Isidro E., Jones D. O. B., Lastras G., Morato T., Gomes-Pereira J. N., Purser A., Stewart H., Tojeira I., Tubau X., Van Rooij D., Tyler P. A.: Marine litter distribution and density in European seas, from the shelves to deep basins. PLoS One, 9, e95839 (2014).
[21] Bergmann M., Klages M.: Increase of litter at the Arctic deep-sea observatory HAUSGARTEN. Marine Pollution Bulletin, 64, 2734-2741 (2012).
[22] Schneider F., Parsons S., Clift S., Stolte A., McManus M. C.: Collected marine litter – A growing waste challenge. Marine Pollution Bulletin, 128, 162-174 (2018).
[23] Polasek L., Bering J., Kim H., Neitlich P., Pister B., Terwilliger M., Nicolato K., Turner C., Jones T.: Marine debris in five national parks in Alaska. Marine Pollution Bulletin, 117, 371-379 (2017).
[24] Iñiguez M. E., Conesa J. A., Fullana A.: Marine debris occurrence and treatment: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 64, 394-402 (2016).
[25] Coe J. M., Rogers D. B.: Marine Debris. Springer, New York (1997).
[26] PlasticsEurope: PlasticsEurope Annual Review 2017-2018. PlasticsEurope AISBL, Brussels (2018).
[27] Andrady A. L.: Microplastics in the marine environment. Marine Pollution Bulletin, 62, 1596-1605 (2011).
[28] Eriksen M., Lebreton L. C. M., Carson H. S., Thiel M., Moore C. J., Borerro J. C., Galgani F., Ryan P. G., Reisser J.: Plastic pollution in the world’s oceans: More than 5 trillion plastic pieces weighing over 250,000 tons afloat at sea. PLoS One, 9, e111913 (2014).
[29] Cózar A., Echevarría F., González-Gordillo J. I., Irigoien X., Úbeda B., Hernández-León S., Palma A. T., Navarro S., García-de-Lomas J., Ruiz A., Fernández-de-Puelles M. L., Duarte C. M.: Plastic debris in the open ocean. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111, 10239-10244 (2014).
[30] Whitacre D. M.: Reviews of Environmental Contamination and Toxicology. Springer, New York (2012).
[31] Andrady A. L.: The plastic in microplastics: A review. Marine Pollution Bulletin, 119, 12-22 (2017).
[32] Woodall L. C., Sanchez-Vidal A., Canals M., Paterson G. L. J., Coppock R., Sleight V., Calafat A., Rogers A. D., Narayanaswamy B. E., Thompson R. C.: The deep sea is a major sink for microplastic debris. Royal Society Open Science, 1, 140317 (2014).
[33] Fazey F. M. C., Ryan P. G.: Biofouling on buoyant marine plastics: An experimental study into the effect of size on surface longevity. Environmental Pollution, 210, 354-360 (2016).
[34] Ye S., Andrady A. L.: Fouling of floating plastic debris under Biscayne Bay exposure conditions. Marine Pollution Bulletin, 22, 608-613 (1991).
[35] Hidalgo-Ruz V., Gutow L., Thompson R. C., Thiel M.: Microplastics in the marine environment: A review of the methods used for identification and quantification. Environmental Science & Technology, 46, 3060-3075 (2012).
[36] Li W. C., Tse H. F., Fok L.: Plastic waste in the marine environment: A review of sources, occurrence and effects. Science of the Total Environment, 566-567, 333-349 (2016).
[37] Iñiguez M. E., Conesa J. A., Fullana A.: Recyclability of four types of plastics exposed to UV irradiation in a marine environment. Waste Management, 79, 339-345 (2018).
[38] Ragaert K., Delva L., Van Geem K.: Mechanical and chemical recycling of solid plastic waste. Waste Management, 69, 24-58 (2017).
[39] Andrady A. L.: Plastics and environmental sustainability. John Wiley & Sons, Hoboken (2015).
[40] Urbanek A. K., Rymowicz W., Mirończuk A. M.: Degradation of plastics and plastic-degrading bacteria in cold marine habitats. Applied Microbiology and Biotechnology, 102, 7669-7678 (2018).
[41] Andrady A. L.: Weathering of polyethylene (LDPE) and enhanced photodegradable polyethylene in the marine environment. Journal of Applied Polymer Science, 39, 363-370 (1990).
[42] Pegram J. E., Andrady A. L.: Outdoor weathering of selected polymeric materials under marine exposure conditions. Polymer Degradation and Stability, 26, 333-345 (1989).
[43] Weinstein J. E., Crocker B. K., Gray A. D.: From macroplastic to microplastic: Degradation of high-density polyethylene, polypropylene, and polystyrene in a salt marsh habitat. Environmental Toxicology and Chemistry, 35, 1632-1640 (2016).
[44] Muthukumar T., Aravinthan A., Lakshmi K., Venkatesan R., Vedaprakash L., Doble M.: Fouling and stability of polymers and composites in marine environment. International Biodeterioration & Biodegradation, 65, 276-284 (2011).
[45] Brandon J., Goldstein M., Ohman M. D.: Long-term aging and degradation of microplastic particles: Comparing in situ oceanic and experimental weathering patterns. Marine Pollution Bulletin, 110, 299-308 (2016).
[46] Welden N. A., Cowie P. R.: Degradation of common polymer ropes in a sublittoral marine environment. Marine Pollution Bulletin, 118, 248-253 (2017).
[47] Ioakeimidis C., Fotopoulou K. N., Karapanagioti H. K., Geraga M., Zeri C., Papathanassiou E., Galgani F., Papatheodorou G.: The degradation potential of PET bottles in the marine environment: An ATR-FTIR based approach. Scientific Reports, 6, 23501 (2016).
[48] Mendes L. C., Rufino E. S., De Paula F. O. C., Torres A. C.: Mechanical, thermal and microstructure evaluation of HDPE after weathering in Rio de Janeiro City. Polymer Degradation and Stability, 79, 371-383 (2003).
[49] Lebreton L., Slat B., Ferrari F., Sainte-Rose B., Aitken J., Marthouse R., Hajbane S., Cunsolo S., Schwarz A., Levivier A., Noble K., Debeljak P., Maral H., Schoeneich-Argent R., Brambini R., Reisser J.: Evidence that the Great Pacific Garbage Patch is rapidly accumulating plastic. Scientific Reports, 8, 4666 (2018).
[50] NOOA – Earth System Research Laboratory – Physical Sciences Division.
[51] Data based on ERA5 reanalysis which are available via the Copernicus Climate Change Service (C3S) Climate Data Store (CDS) (https://climate.copernicus.eu/climate-data-store).
[52] Jabarin S. A., Lofgren E. A.: Effects of water absorption on physical properties and degree of molecular orientation of poly (ethylene terephthalate). Polymer Engineering & Science, 26, 620-625 (1986).
[53] Philip M., Al-Azzawi F.: Effects of natural and artificial weathering on the physical properties of recycled poly(ethylene terephthalate). Journal of Polymers and the Environment, 26, 3139-3148 (2018).
[54] Wu H., Lv S., He Y., Qu J.-P.: The study of the thermomechanical degradation and mechanical properties of PET recycled by industrial-scale elongational processing. Polymer Testing, 77, 105882 (2019).
[55] Frounchi M.: Studies on degradation of PET in mechanical recycling. Macromolecular Symposia, 144, 465-469 (1999).
[56] Venkatachalam S., Nayak S. G., Labde J. V., Gharal P. R., Rao K., Kelkar A. K.: Degradation and recyclability of poly (ethylene terephthalate). in ‘Polyester’ (szerk.: Saleh H.) IntechOpen, London, 75-98 (2012).
[57] Bikiaris D. N., Karayannidis G. P.: Synthesis and characterisation of branched and partially crosslinked poly(ethylene terephthalate). Polymer International, 52, 1230-1239 (2003).
[58] Fechine G. J. M., Souto-Maior R. M., Rabello M. S.: Structural changes during photodegradation of poly(ethylene terephthalate). Journal of Materials Science, 37, 4979-4984 (2002).
[59] Torres N., Robin J. J., Boutevin B.: Study of thermal and mechanical properties of virgin and recycled poly(ethylene terephthalate) before and after injection molding. European Polymer Journal, 36, 2075-2080 (2000).
[60] La Mantia F. P., Vinci M.: Recycling poly(ethyleneterephthalate). Polymer Degradation and Stability, 45, 121-125 (1994).
[61] Bocz K., Molnár B., Marosi G., Ronkay F.: Preparation of low-density microcellular foams from recycled PET modified by solid state polymerization and chain extension. Journal of Polymers and the Environment, 27, 343-351 (2019).
[62] Awaja F., Pavel D.: Recycling of PET. European Polymer Journal, 41, 1453-1477 (2005).