Пластики представляют собой широкий спектр синтетических или полусинтетических материалов, в которых в качестве основного ингредиента используются полимеры . Их пластичность позволяет формовать , экструдировать или прессовать пластмассы в твердые предметы различных форм. Эта адаптивность, а также широкий спектр других свойств, таких как легкость, прочность, гибкость и дешевизна производства, привели к их широкому использованию. Пластики обычно производятся с помощью промышленных систем человека. Большинство современных пластмасс получают из химических веществ на основе ископаемого топлива, таких как природный газ или нефть ; однако в современных промышленных методах используются варианты, изготовленные из возобновляемых материалов, таких как производные кукурузы или хлопка . [1]
По оценкам, в период с 1950 по 2017 год было произведено 9,2 миллиарда метрических тонн пластика; более половины этого количества было произведено с 2004 года. В 2020 году было произведено 400 миллионов тонн пластика. [2] Если мировые тенденции спроса на пластик сохранятся, то, по оценкам, к 2050 году ежегодное мировое производство пластика превысит 1,1 миллиарда тонн.
Успех и доминирование пластика, начавшееся в начале 20-го века, вызвало широкомасштабные экологические проблемы [3] из-за его медленного разложения в природных экосистемах. Большая часть произведенного пластика не была повторно использована или не подлежит повторному использованию, либо была захоронена на свалках , либо сохранялась в окружающей среде в виде пластикового загрязнения и микропластика . Пластиковое загрязнение можно обнаружить во всех основных водоемах мира , например, создавая мусорные пятна во всех мировых океанах и загрязняя наземные экосистемы. Из всего выброшенного пластика на сегодняшний день около 14% было сожжено и менее 10% было переработано. [2]
В развитых экономиках около трети пластика используется в упаковке и примерно столько же в зданиях в таких приложениях, как трубопроводы , сантехника или виниловый сайдинг . [4] Другие области применения включают автомобили (до 20% пластика [4] ), мебель и игрушки. [4] В развивающихся странах применение пластика может отличаться; 42% потребления в Индии используется в упаковке. [4] В медицинской сфере полимерные имплантаты и другие медицинские устройства производятся, по крайней мере, частично из пластика. Во всем мире ежегодно производится около 50 кг пластика на человека, причем производство удваивается каждые десять лет.
Первым в мире полностью синтетическим пластиком был бакелит , изобретенный в Нью-Йорке в 1907 году Лео Бакеландом , [5] который и ввел термин «пластик». [6] Сегодня производятся десятки различных видов пластика, такие как полиэтилен , который широко используется в упаковке продуктов , и поливинилхлорид (ПВХ), используемый в строительстве и трубах из-за своей прочности и долговечности. Многие химики внесли свой вклад в материаловедение пластика, включая лауреата Нобелевской премии Германа Штаудингера , которого называют «отцом химии полимеров », и Германа Марка , известного как «отец физики полимеров ». [7]
Слово пластик происходит от греческого πλαστικός ( plastikos ), что означает «способный быть сформированным или отлитым »; в свою очередь, оно происходит от πλαστός ( plastos ), что означает «отлитый в форму». [8] Как существительное , это слово чаще всего относится к твердым продуктам нефтехимического производства. [9]
Существительное пластичность относится конкретно к деформируемости материалов, используемых в производстве пластмасс. Пластичность позволяет формовать , выдавливать или сжимать в различные формы: пленки, волокна, пластины, трубки, бутылки и коробки, среди многих других. Пластичность также имеет техническое определение в материаловедении за пределами этой статьи; она относится к необратимому изменению формы твердых веществ.
Большинство пластиков содержат органические полимеры. [10] Подавляющее большинство этих полимеров образовано из цепей атомов углерода с присоединением или без присоединения атомов кислорода, азота или серы. Эти цепи состоят из множества повторяющихся звеньев, образованных из мономеров . Каждая полимерная цепь состоит из нескольких тысяч повторяющихся звеньев. Основная цепь — это часть цепи, которая находится на главном пути , связывая вместе большое количество повторяющихся звеньев. Чтобы настроить свойства пластика, различные молекулярные группы, называемые боковыми цепями , подвешиваются к этой основной цепи; они обычно подвешиваются к мономерам до того, как сами мономеры соединяются вместе, образуя полимерную цепь. Структура этих боковых цепей влияет на свойства полимера.
Пластики обычно классифицируются по химической структуре основной цепи полимера и боковых цепей. Важные группы, классифицированные таким образом, включают акрилы , полиэфиры , силиконы , полиуретаны и галогенированные пластики . Пластики можно классифицировать по химическому процессу, используемому при их синтезе, такому как конденсация , полиприсоединение и сшивание . [11] Их также можно классифицировать по их физическим свойствам, включая твердость , плотность , прочность на разрыв , термическую стойкость и температуру стеклования . Пластики также можно классифицировать по их стойкости и реакциям на различные вещества и процессы, такие как воздействие органических растворителей, окисление и ионизирующее излучение . [12] Другие классификации пластиков основаны на качествах, имеющих отношение к производству или проектированию продукта для определенной цели. Примерами являются термопластики , термореактивные пластики , проводящие полимеры , биоразлагаемые пластики , инженерные пластики и эластомеры .
Одной из важных классификаций пластмасс является степень обратимости химических процессов, используемых при их производстве.
Термопластики не претерпевают химических изменений в своем составе при нагревании и, таким образом, могут быть отформованы повторно. Примерами являются полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), полистирол (ПС) и поливинилхлорид (ПВХ). [13]
Термореактивные полимеры, или термореактивные полимеры, могут плавиться и принимать форму только один раз: после затвердевания они остаются твердыми. [14] При повторном нагревании термореактивные полимеры разлагаются, а не плавятся. В процессе термореактивности происходит необратимая химическая реакция. Примером этого процесса является вулканизация резины . До нагревания в присутствии серы натуральный каучук ( полиизопрен ) представляет собой липкий, слегка текучий материал; после вулканизации продукт становится сухим и жестким.
Около 70% мирового производства сосредоточено в шести основных типах полимеров, так называемых товарных пластиках . В отличие от большинства других пластиков их часто можно идентифицировать по их идентификационному коду смолы (RIC):
Полиуретаны (PUR) и волокна PP&A [15] часто также включаются в основные классы товаров, хотя они обычно не имеют RIC, поскольку они являются химически довольно разнообразными группами. Эти материалы недороги, универсальны и просты в работе, что делает их предпочтительным выбором для массового производства повседневных предметов. Их крупнейшее применение — упаковка, около 146 миллионов тонн было использовано таким образом в 2015 году, что эквивалентно 36% мирового производства. Из-за их доминирования; многие свойства и проблемы, обычно связанные с пластиком, такие как загрязнение, вытекающее из его плохой биоразлагаемости , в конечном итоге относятся к товарному пластику.
Помимо обычных пластиков, существует огромное количество видов пластика, многие из которых обладают исключительными свойствами.
Инженерные пластики более прочные и используются для изготовления таких изделий, как детали транспортных средств, строительные и конструкционные материалы, а также некоторые детали машин. В некоторых случаях они представляют собой полимерные смеси, образованные путем смешивания различных пластиков (ABS, HIPS и т. д.). Инженерные пластики могут заменить металлы в транспортных средствах, снижая их вес и повышая топливную экономичность на 6–8%. Примерно 50% объема современных автомобилей изготовлено из пластика, но это составляет всего 12–17% веса транспортного средства. [18]
Высококачественные пластмассы обычно дороги, а их применение ограничено специализированными сферами, в которых используются их превосходные свойства.
Многие пластики полностью аморфны (без высокоупорядоченной молекулярной структуры), [20] включая термореактивные пластики, полистирол и метилметакрилат (ПММА). Кристаллические пластики демонстрируют структуру более регулярно расположенных атомов, например, полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полибутилентерефталат (ПБТ) и полиэфирэфиркетон (ПЭЭК). Однако некоторые пластики частично аморфны и частично кристалличны по молекулярной структуре, что дает им как температуру плавления, так и один или несколько стеклований (температура, выше которой степень локализованной молекулярной гибкости существенно увеличивается). Эти так называемые полукристаллические пластики включают полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиамиды (нейлоны), полиэфиры и некоторые полиуретаны.
Полимеры с внутренней проводимостью (ICP) — это органические полимеры, которые проводят электричество. Хотя в полиацетилене с направленным растяжением [21] была достигнута проводимость до 80 кСм/см , она не приближается к проводимости большинства металлов. Например, медь имеет проводимость в несколько сотен кСм/см. [22]
Биоразлагаемые пластики — это пластики, которые разлагаются (распадаются) под воздействием солнечного света или ультрафиолетового излучения ; воды или сырости; бактерий; ферментов; или ветровой абразивности. Атаки насекомых, таких как восковые черви и мучные хрущаки, также можно рассматривать как формы биоразложения. Аэробное разложение требует, чтобы пластик был открыт на поверхности, тогда как анаэробное разложение было бы эффективно в системах захоронения или компостирования. Некоторые компании производят биоразлагаемые добавки для улучшения биоразложения. Хотя крахмальный порошок может быть добавлен в качестве наполнителя, чтобы некоторые пластики могли разлагаться легче, такая обработка не приводит к полному разложению. Некоторые исследователи генетически модифицировали бактерии для синтеза полностью биоразлагаемых пластиков, таких как полигидроксибутират (ПГБ); однако по состоянию на 2021 год они все еще были относительно дорогими. [23]
В то время как большинство пластиков производится из нефтехимических продуктов, биопластики производятся в основном из возобновляемых растительных материалов, таких как целлюлоза и крахмал. [24] Из-за ограниченных запасов ископаемого топлива и растущего уровня парниковых газов, вызванного в первую очередь сжиганием этого топлива, разработка биопластиков является растущей областью. [25] [26] Мировые производственные мощности для биопластиков оцениваются в 327 000 тонн в год. Напротив, мировое производство полиэтилена (ПЭ) и полипропилена (ПП), ведущих в мире полиолефинов, полученных из нефтехимии, оценивалось в более чем 150 миллионов тонн в 2015 году. [27]
Пластиковая промышленность включает в себя глобальное производство, компаундирование , переработку и продажу пластиковых изделий. Хотя Ближний Восток и Россия производят большую часть необходимого нефтехимического сырья, производство пластика сосредоточено на глобальном Востоке и Западе. Пластиковая промышленность включает в себя огромное количество компаний и может быть разделена на несколько секторов:
По оценкам, в период с 1950 по 2017 год было произведено 9,2 миллиарда тонн пластика, причем более половины этого количества было произведено с 2004 года. С момента зарождения пластиковой промышленности в 1950-х годах мировое производство значительно возросло, достигнув 400 миллионов тонн в год в 2021 году; это больше, чем 381 миллион метрических тонн в 2015 году (без учета добавок). [2] [16] С 1950-х годов наблюдался быстрый рост использования пластика для упаковки, в строительстве и в других секторах. [2] Если глобальные тенденции спроса на пластик сохранятся, то, по оценкам, к 2050 году ежегодное мировое производство пластика превысит 1,1 миллиарда тонн в год. [2]
Пластики производятся на химических заводах путем полимеризации исходных материалов ( мономеров ), которые почти всегда являются нефтехимическими по своей природе. Такие объекты обычно большие и визуально похожи на нефтеперерабатывающие заводы , с разветвленной системой трубопроводов, проложенных по всему заводу. Большой размер этих заводов позволяет им использовать экономию масштаба . Несмотря на это, производство пластика не особенно монополизировано, около 100 компаний производят 90% мирового производства. [28] Это включает в себя смесь частных и государственных предприятий. Примерно половина всего производства происходит в Восточной Азии, причем Китай является крупнейшим производителем. Основные международные производители включают:
Исторически Европа и Северная Америка доминировали в мировом производстве пластика. Однако с 2010 года Азия стала значительным производителем, а на Китай в 2020 году пришлось 31% от общего объема производства пластиковой смолы. [29] Региональные различия в объеме производства пластика обусловлены спросом пользователей, ценой на ископаемое топливо и инвестициями в нефтехимическую промышленность. Например, с 2010 года в США было инвестировано более 200 миллиардов долларов США в новые заводы по производству пластика и химических веществ, что стимулировалось низкой стоимостью сырья. В Европейском союзе (ЕС) также были сделаны крупные инвестиции в индустрию пластика, в которой занято более 1,6 миллиона человек с оборотом более 360 миллиардов евро в год. В Китае в 2016 году насчитывалось более 15 000 компаний по производству пластика, которые приносили более 366 миллиардов долларов США дохода. [2]
В 2017 году на мировом рынке пластика доминировали термопластики — полимеры, которые можно плавить и перерабатывать. Термопластики включают полиэтилен (ПЭ), полиэтилентерефталат (ПЭТ), полипропилен (ПП), поливинилхлорид (ПВХ), полистирол (ПС) и синтетические волокна, которые вместе составляют 86% всех пластиков. [2]
Пластик не продается как чистое неразбавленное вещество, а вместо этого смешивается с различными химикатами и другими материалами, которые в совокупности известны как добавки. Они добавляются на этапе компаундирования и включают такие вещества, как стабилизаторы , пластификаторы и красители , которые предназначены для улучшения срока службы, обрабатываемости или внешнего вида конечного изделия. В некоторых случаях это может включать смешивание различных типов пластика для формирования полимерной смеси , такой как ударопрочный полистирол . Крупные компании могут выполнять собственное компаундирование перед производством, но некоторые производители поручают это третьей стороне. Компании, которые специализируются на этой работе, известны как компаундеры.
Компаундирование термореактивного пластика относительно простое; так как он остается жидким, пока не затвердеет в своей окончательной форме. Для термопластичных материалов, которые используются для изготовления большинства продуктов, необходимо расплавить пластик, чтобы смешать с добавками. Это включает в себя нагревание его до температуры в диапазоне от 150 до 320 °C (300–610 °F). Расплавленный пластик вязкий и демонстрирует ламинарный поток , что приводит к плохому смешиванию. Поэтому компаундирование выполняется с использованием экструзионного оборудования, которое способно подавать необходимое тепло и смешивать для получения правильно диспергированного продукта.
Концентрации большинства добавок обычно довольно низкие, однако для создания продуктов Masterbatch можно добавлять высокие уровни . Добавки в них сконцентрированы, но все еще должным образом диспергированы в основной смоле. Гранулы Masterbatch можно смешивать с более дешевым блочным полимером, и они высвободят свои добавки во время обработки, чтобы получить однородный конечный продукт. Это может быть дешевле, чем работать с полностью компаундированным материалом, и особенно распространено для введения цвета.
Компании, которые производят готовую продукцию, известны как преобразователи (иногда переработчики). Подавляющее большинство производимых в мире пластиков являются термопластичными и должны быть нагреты до расплавленного состояния для формования. Существуют различные виды экструзионного оборудования, которые затем могут формовать пластик практически в любую форму.
Для термореактивных материалов процесс немного отличается, поскольку пластмассы изначально жидкие, но их необходимо отверждать, чтобы получить твердые продукты, но большая часть оборудования в целом схожа.
Наиболее часто производимые пластиковые потребительские товары включают упаковку из LDPE (например, пакеты, контейнеры, пленку для упаковки пищевых продуктов), контейнеры из HDPE (например, бутылки для молока, бутылки для шампуня, ванночки для мороженого) и PET (например, бутылки для воды и других напитков). Вместе эти продукты составляют около 36% использования пластика в мире. Большинство из них (например, одноразовые стаканчики, тарелки, столовые приборы, контейнеры для еды на вынос, пакеты) используются только в течение короткого периода времени, многие менее суток. Использование пластика в строительстве, текстиле, транспорте и электрооборудовании также составляет значительную долю рынка пластика. Пластиковые изделия, используемые для таких целей, как правило, имеют более длительный срок службы. Они могут использоваться в течение периодов от примерно пяти лет (например, текстиль и электрооборудование) до более 20 лет (например, строительные материалы, промышленное оборудование). [2]
Потребление пластика различается в разных странах и сообществах, при этом та или иная форма пластика проникла в жизнь большинства людей. На Северную Америку (т. е. регион Североамериканского соглашения о свободной торговле или НАФТА) приходится 21% мирового потребления пластика, за ней следуют Китай (20%) и Западная Европа (18%). В Северной Америке и Европе наблюдается высокое потребление пластика на душу населения (94 кг и 85 кг на душу населения в год соответственно). В Китае наблюдается более низкое потребление на душу населения (58 кг на душу населения в год), но высокое потребление в национальном масштабе из-за большой численности населения. [2]
Наибольшее применение пластмассы находят в качестве упаковочных материалов, но они используются и в других отраслях, включая: строительство (трубы, желоба, двери и окна), текстиль ( эластичные ткани , флис ), потребительские товары (игрушки, посуда, зубные щетки), транспорт (фары, бамперы, кузовные панели , боковые зеркала ), электроника (телефоны, компьютеры, телевизоры) и детали машин. [16] В оптике пластмассы используются для изготовления асферических линз. [31]
Добавки — это химические вещества, добавляемые в пластмассы для изменения их характеристик или внешнего вида, что позволяет изменять свойства пластмасс для лучшего соответствия их предполагаемому применению. [32] [33] Поэтому добавки являются одной из причин, по которой пластмассы используются так широко. [34] Пластмассы состоят из цепей полимеров. В качестве добавок к пластмассам используется множество различных химических веществ. Случайно выбранное пластиковое изделие обычно содержит около 20 добавок. Идентификация и концентрация добавок, как правило, не указываются на изделиях. [2]
В ЕС в больших объемах используется более 400 добавок. [35] [2] В ходе анализа мирового рынка было обнаружено 5500 добавок. [36] Как минимум, все пластмассы содержат некоторые полимерные стабилизаторы , которые позволяют им подвергаться обработке в расплаве (формованию) без разрушения полимера . Другие добавки являются необязательными и могут добавляться по мере необходимости, причем нагрузки значительно различаются в зависимости от области применения. Количество добавок, содержащихся в пластмассах, варьируется в зависимости от функции добавок. Например, добавки в поливинилхлориде (ПВХ) могут составлять до 80% от общего объема. [2] Чистый неразбавленный пластик (смолы без примесей) никогда не продается, даже первичными производителями.
Добавки могут быть слабо связаны с полимерами или реагировать в полимерной матрице. Хотя добавки смешиваются с пластиком, они остаются химически отличными от него и могут постепенно выщелачиваться обратно при нормальном использовании, на свалках или после неправильной утилизации в окружающей среде. [37] Добавки также могут разлагаться с образованием других токсичных молекул. Фрагментация пластика на микропластик и нанопластик может позволить химическим добавкам перемещаться в окружающей среде далеко от места использования. После высвобождения некоторые добавки и производные могут сохраняться в окружающей среде и биоаккумулироваться в организмах. Они могут оказывать неблагоприятное воздействие на здоровье человека и биоту. Недавний обзор Агентства по охране окружающей среды США (US EPA) показал, что из 3377 химических веществ, потенциально связанных с пластиковой упаковкой, и 906, вероятно, связанных с ней, 68 были оценены ECHA как «самые опасные для здоровья человека» и 68 как «самые опасные для окружающей среды». [2]
Поскольку добавки изменяют свойства пластика, их необходимо учитывать при переработке. В настоящее время почти вся переработка осуществляется путем простого переплава и преобразования использованного пластика в новые предметы. Добавки представляют опасность для переработанных продуктов, поскольку их трудно удалить. При переработке пластиковых изделий весьма вероятно, что добавки будут интегрированы в новые продукты. Отходы пластика, даже если они все из одного и того же типа полимера, будут содержать различные типы и количества добавок. Смешивание их вместе может дать материал с непоследовательными свойствами, что может быть непривлекательно для промышленности. Например, смешивание пластика разных цветов с различными пластиковыми красителями может привести к обесцвеченному или коричневому материалу, и по этой причине пластик обычно сортируют как по типу полимера, так и по цвету перед переработкой. [2]
Отсутствие прозрачности и отчетности по всей цепочке создания стоимости часто приводит к отсутствию знаний о химическом профиле конечных продуктов. Например, продукты, содержащие бромированные антипирены, были включены в новые пластиковые продукты. Антипирены представляют собой группу химикатов, используемых в электронном и электротехническом оборудовании, текстиле, мебели и строительных материалах, которые не должны присутствовать в упаковке пищевых продуктов или товарах по уходу за детьми. Недавнее исследование обнаружило бромированные диоксины как непреднамеренные загрязнители в игрушках, изготовленных из переработанных пластиковых электронных отходов , которые содержали бромированные антипирены. Было обнаружено, что бромированные диоксины проявляют токсичность, аналогичную токсичности хлорированных диоксинов. Они могут оказывать отрицательное влияние на развитие и отрицательное воздействие на нервную систему и мешать механизмам эндокринной системы. [2]
Многие из противоречий, связанных с пластиком, на самом деле связаны с его добавками, поскольку некоторые соединения могут быть стойкими, биоаккумулирующимися и потенциально вредными. [38] [39] [32] Запрещенные в настоящее время антипирены OctaBDE и PentaBDE являются примером этого, в то время как воздействие фталатов на здоровье является постоянной областью общественного беспокойства. Добавки также могут быть проблематичными, если отходы сжигаются, особенно когда сжигание не контролируется или происходит в низкотехнологичных мусоросжигательных печах, как это часто бывает во многих развивающихся странах. Неполное сгорание может привести к выбросам опасных веществ, таких как кислотные газы и зола, которые могут содержать стойкие органические загрязнители (СОЗ), такие как диоксины . [2]
Ряд добавок, определенных как опасные для человека и/или окружающей среды, регулируются на международном уровне. Стокгольмская конвенция о стойких органических загрязнителях (СОЗ) является глобальным договором по защите здоровья человека и окружающей среды от химических веществ, которые остаются нетронутыми в окружающей среде в течение длительного времени, широко распространяются географически, накапливаются в жировых тканях людей и диких животных и оказывают вредное воздействие на здоровье человека или окружающую среду. [2]
Другие добавки, которые, как доказано, вредны, такие как кадмий , хром , свинец и ртуть (регулируемые Минаматской конвенцией о ртути ), которые ранее использовались в производстве пластика, запрещены во многих юрисдикциях. Однако они по-прежнему регулярно встречаются в некоторых видах пластиковой упаковки, включая упаковку для пищевых продуктов. Использование добавки бисфенол А (BPA) в пластиковых детских бутылочках запрещено во многих частях мира, но не ограничено в некоторых странах с низким уровнем дохода. [2]
В 2023 году у морских птиц был обнаружен пластикоз — новое заболевание, вызываемое исключительно пластиком. У птиц, у которых было выявлено это заболевание, пищеварительный тракт был изуродован из-за проглатывания пластиковых отходов. [40] «Они обнаружили, что когда птицы проглатывают небольшие кусочки пластика, это вызывает воспаление пищеварительного тракта. Со временем постоянное воспаление приводит к тому, что ткани становятся рубцовыми и изуродованными, что влияет на пищеварение, рост и выживание». [41]
Чистые пластмассы обладают низкой токсичностью из-за их нерастворимости в воде, а поскольку они имеют большую молекулярную массу, они биохимически инертны. Пластиковые изделия содержат различные добавки, однако некоторые из них могут быть токсичными. [43] Например, пластификаторы, такие как адипаты и фталаты, часто добавляют в хрупкие пластмассы, такие как ПВХ, чтобы сделать их достаточно гибкими для использования в упаковке пищевых продуктов, игрушках и многих других предметах. Следы этих соединений могут выщелачиваться из продукта. Из-за опасений по поводу воздействия таких выщелачиваний ЕС ограничил использование DEHP (ди-2-этилгексилфталат) и других фталатов в некоторых приложениях, а США ограничили использование DEHP, DPB , BBP , DINP , DIDP и DnOP в детских игрушках и предметах ухода за детьми через Закон о повышении безопасности потребительских товаров . Некоторые соединения, выщелачиваемые из полистирольных контейнеров для пищевых продуктов, как предполагается, влияют на гормональные функции и являются канцерогенами для человека (веществами, вызывающими рак). [44] Другие химические вещества, вызывающие потенциальную озабоченность, включают алкилфенолы . [39]
В то время как готовый пластик может быть нетоксичен, мономеры, используемые при производстве его исходных полимеров, могут быть токсичными. В некоторых случаях небольшие количества этих химикатов могут оставаться в продукте, если не применяется соответствующая обработка. Например, Международное агентство по изучению рака (МАИР) Всемирной организации здравоохранения признало винилхлорид , предшественник ПВХ, канцерогеном для человека. [44]
Некоторые пластиковые изделия распадаются на химические вещества с эстрогенной активностью. [45] Основной строительный блок поликарбонатов, бисфенол А (БФА), является эстрогеноподобным эндокринным разрушителем , который может попадать в пищу. [44] Исследования в области перспектив охраны окружающей среды показывают, что БФА, выщелачиваемый из оболочки консервных банок, зубных герметиков и поликарбонатных бутылок, может увеличивать массу тела потомства лабораторных животных. [46] Более недавнее исследование на животных предполагает, что даже низкоуровневое воздействие БФА приводит к резистентности к инсулину, что может привести к воспалению и сердечным заболеваниям. [47] По состоянию на январь 2010 года Los Angeles Times сообщила, что Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) тратит 30 миллионов долларов на исследование признаков связи БФА с раком. [48] Бис(2-этилгексил)адипат , присутствующий в пластиковой обертке на основе ПВХ, также вызывает беспокойство, как и летучие органические соединения, присутствующие в запахе нового автомобиля . В ЕС действует постоянный запрет на использование фталатов в игрушках. В 2009 году правительство США запретило некоторые типы фталатов, обычно используемых в пластике. [49]
Поскольку химическая структура большинства пластиков делает их долговечными, они устойчивы ко многим естественным процессам деградации. Большая часть этого материала может сохраняться в течение столетий или дольше, учитывая продемонстрированную устойчивость структурно схожих природных материалов, таких как янтарь .
Существуют разные оценки того, сколько пластиковых отходов было произведено за последнее столетие. По одной из оценок, с 1950-х годов было выброшено один миллиард тонн пластиковых отходов. [50] По другим оценкам, совокупное производство человеком пластика составляет 8,3 миллиарда тонн, из которых 6,3 миллиарда тонн — это отходы, и только 9% перерабатывается. [51]
По оценкам, эти отходы состоят на 81% из полимерной смолы, на 13% из полимерных волокон и на 32% из добавок. В 2018 году было произведено более 343 миллионов тонн пластиковых отходов, 90% из которых составили отходы пластика после потребления (промышленные, сельскохозяйственные, коммерческие и муниципальные пластиковые отходы). Остальное — отходы до потребления от производства смолы и производства пластиковых изделий (например, материалы, отклоненные из-за неподходящего цвета, твердости или характеристик обработки). [2]
Ocean Conservancy сообщила, что Китай, Индонезия, Филиппины, Таиланд и Вьетнам сбрасывают в море больше пластика, чем все остальные страны вместе взятые. [52] Реки Янцзы, Инд, Хуанхэ, Хай, Нил, Ганг, Жемчужная, Амур, Нигер и Меконг «переносят от 88% до 95% мирового [пластика] в море». [53] [54] [ проверить пунктуацию цитаты ]
Присутствие пластика, особенно микропластика , в пищевой цепи увеличивается. В 1960-х годах микропластик был обнаружен в кишечнике морских птиц, и с тех пор его концентрация увеличивается. [55] Долгосрочные эффекты пластика в пищевой цепи плохо изучены. В 2009 году было подсчитано, что 10% современных отходов были пластиковыми, [56] хотя оценки различаются в зависимости от региона. [55] Между тем, от 50% до 80% мусора в морских районах - это пластик. [55] Пластик часто используется в сельском хозяйстве. В почве пластика больше, чем в океанах. Присутствие пластика в окружающей среде вредит экосистемам и здоровью человека. [57]
Исследования воздействия на окружающую среду обычно фокусируются на этапе утилизации. Однако производство пластика также несет ответственность за существенные экологические, медицинские и социально-экономические последствия. [58]
До принятия Монреальского протокола ХФУ широко использовались при производстве пластика полистирола, производство которого способствовало истощению озонового слоя .
Усилия по минимизации воздействия пластмасс на окружающую среду могут включать сокращение производства и использования пластмасс, политику утилизации и переработки отходов, а также активную разработку и внедрение альтернатив пластмассам, например, для устойчивой упаковки .
Микропластик — это фрагменты любого типа пластика длиной менее 5 мм (0,20 дюйма) [59] согласно Национальному управлению океанических и атмосферных исследований США (NOAA) [60] [61] и Европейскому химическому агентству . [62] Они вызывают загрязнение, попадая в естественные экосистемы из различных источников, включая косметику , одежду , упаковку пищевых продуктов и промышленные процессы. [59] [63] Термин «микропластик» используется для отличия от более крупных немикроскопических пластиковых отходов . В настоящее время признаются две классификации микропластика. Первичный микропластик включает любые пластиковые фрагменты или частицы , которые уже имеют размер 5,0 мм или меньше до попадания в окружающую среду . [63] К ним относятся микроволокна из одежды, микрошарики , пластиковые блестки [64] и пластиковые гранулы (также известные как гранулы). [65] [66] [67] Вторичный микропластик возникает в результате деградации (разрушения) более крупных пластиковых изделий в результате естественных процессов выветривания после попадания в окружающую среду. [63] К таким источникам вторичного микропластика относятся бутылки из-под воды и газировки, рыболовные сети, пластиковые пакеты, контейнеры для микроволновых печей , чайные пакетики и износ шин. [68] [67] [69] [70] Оба типа, как известно, сохраняются в окружающей среде в больших количествах, особенно в водных и морских экосистемах , где они вызывают загрязнение воды . [71] 35% всего микропластика в океане поступает из текстиля/одежды, в основном из-за эрозии одежды на основе полиэстера , акрила или нейлона , часто во время процесса стирки. [72] Однако микропластик также накапливается в воздухе и наземных экосистемах .
Поскольку пластик разлагается медленно (часто в течение сотен или тысяч лет), [73] [74] микропластик имеет высокую вероятность попадания в организм, включения и накопления в телах и тканях многих организмов. [59] Токсичные химические вещества , которые поступают как из океана, так и из стоков, также могут биомагнифицироваться вверх по пищевой цепи. [75] [76] Было показано, что в наземных экосистемах микропластик снижает жизнеспособность почвенных экосистем. [77] [78] По состоянию на 2023 год цикл и перемещение микропластика в окружающей среде не были полностью известны. [63] Исследования глубоководных слоев океанических отложений в Китае (2020) показывают присутствие пластика в слоях отложений, которые намного старше изобретения пластика, что приводит к предполагаемой недооценке микропластика в исследованиях поверхностных образцов океана. [79]Пластик разлагается в результате различных процессов, наиболее значимым из которых обычно является фотоокисление . Их химическая структура определяет их судьбу. Морская деградация полимеров занимает гораздо больше времени из-за соленой среды и охлаждающего эффекта моря, что способствует сохранению пластикового мусора в определенных средах. [55] Однако недавние исследования показали, что пластик в океане разлагается быстрее, чем считалось ранее, из-за воздействия солнца, дождя и других условий окружающей среды, что приводит к выбросу токсичных химических веществ, таких как бисфенол А. Однако из-за увеличения объема пластика в океане разложение замедлилось. [80] Marine Conservancy спрогнозировала скорость разложения нескольких пластиковых изделий: по оценкам, для разложения пенопластового стаканчика потребуется 50 лет, пластикового держателя для напитков — 400 лет, одноразового подгузника — 450 лет, а рыболовной лески — 600 лет. [81]
Науке известны виды микроорганизмов, способных разлагать пластик, некоторые из них потенциально полезны для утилизации определенных классов пластиковых отходов.
Переработка пластика — это переработка пластиковых отходов в другие продукты. [102] [103] [104] Переработка может снизить зависимость от свалок , сохранить ресурсы и защитить окружающую среду от загрязнения пластиком и выбросов парниковых газов . [105] [106] Темпы переработки отстают от темпов переработки других восстанавливаемых материалов, таких как алюминий , стекло и бумага . С начала производства пластика до 2015 года в мире было произведено около 6,3 млрд тонн пластиковых отходов, из которых только 9% были переработаны и только ~1% были переработаны более одного раза. [107] Из оставшихся отходов 12% были сожжены, а 79% были либо отправлены на свалки, либо потеряны в окружающей среде в качестве загрязнения. [107]
Почти весь пластик не поддается биологическому разложению и без переработки распространяется по окружающей среде [108] [109] , где он вызывает загрязнение пластиком . Например, по состоянию на 2015 год, около 8 миллионов тонн пластиковых отходов ежегодно попадают в океаны, нанося ущерб океаническим экосистемам и образуя мусорные пятна в океане . [110]
Почти вся переработка является механической и включает в себя плавление и переформирование пластика в другие предметы. Это может вызвать деградацию полимера на молекулярном уровне и требует сортировки отходов по цвету и типу полимера перед переработкой, что часто является сложным и дорогим процессом. Ошибки могут привести к получению материала с непоследовательными свойствами, что делает его непривлекательным для промышленности. [111] Хотя фильтрация при механической переработке снижает выброс микропластика, даже самые эффективные системы фильтрации не могут предотвратить выброс микропластика в сточные воды. [112] [113]
При переработке сырья отходы пластика преобразуются в исходные химикаты, которые затем могут стать новым пластиком. Это требует более высоких энергетических и капитальных затрат . В качестве альтернативы пластик можно сжигать вместо ископаемого топлива на объектах по рекуперации энергии или биохимически преобразовывать в другие полезные химикаты для промышленности. [114] В некоторых странах сжигание является доминирующей формой утилизации пластиковых отходов, особенно там, где действуют политики перенаправления отходов на свалки .
Переработка пластика занимает низкое место в иерархии отходов , а это означает, что сокращение и повторное использование являются более благоприятными и долгосрочными решениями для обеспечения устойчивого развития .
Его пропагандировали с начала 1970-х годов, [115] но из-за экономических и технических проблем он не оказал существенного влияния на управление пластиковыми отходами до конца 1980-х годов. Пластиковая промышленность подвергалась критике за лоббирование расширения программ переработки, даже несмотря на то, что исследования показали, что большая часть пластика не может быть экономически переработана. [116] [117] [118] [119] Это привело к случаям, когда пластиковые отходы, выброшенные в мусорные баки, не были переработаны и рассматривались как обычные отходы. [120]При нагревании до температуры выше 500 °C в отсутствие кислорода ( пиролиз ) пластмассы могут быть разложены на более простые углеводороды . Их можно повторно использовать в качестве исходных материалов для новых пластмасс. [121] Их также можно использовать в качестве топлива. [122]
По данным ОЭСР, в 2019 году пластик стал причиной выброса парниковых газов в атмосферу в объеме, эквивалентном 1,8 млрд тонн углекислого газа (CO2 ) , что составляет 3,4% от мировых выбросов. [123] По их словам, к 2060 году пластик может стать источником выбросов парниковых газов в объеме 4,3 млрд тонн в год.
Влияние пластика на глобальное потепление неоднозначно. Пластик обычно производится из ископаемого газа или нефти, поэтому производство пластика создает дополнительные неконтролируемые выбросы метана при производстве ископаемого газа или нефти. Кроме того, большая часть энергии, используемой при производстве пластика, не является устойчивой энергией , например, высокая температура от сжигания ископаемого газа. Однако пластик также может ограничивать выбросы метана, например, упаковка для сокращения пищевых отходов. [124]
Исследование, проведенное в 2024 году, показало, что по сравнению со стеклом и алюминием пластик на самом деле может оказывать меньшее негативное воздействие на окружающую среду и, следовательно, может быть лучшим вариантом для упаковки пищевых продуктов и других распространенных видов использования. [125] Исследование показало, что «замена пластика альтернативами в большинстве случаев хуже для выбросов парниковых газов». И что исследование с участием европейских исследователей показало, что «в 15 из 16 случаев применения пластиковый продукт влечет за собой меньше выбросов парниковых газов, чем его альтернативы». [125]
Производство пластмасс из сырой нефти требует от 7,9 до 13,7 кВт·ч/фунт (с учетом средней эффективности коммунальных станций США в 35%). Производство кремния и полупроводников для современного электронного оборудования еще более энергозатратно: от 29,2 до 29,8 кВт·ч/фунт для кремния и около 381 кВт·ч/фунт для полупроводников. [126] Это намного выше, чем энергия, необходимая для производства многих других материалов. Например, для производства железа (из железной руды) требуется 2,5–3,2 кВт·ч/фунт энергии; стекла (из песка и т. д.) 2,3–4,4 кВт·ч/фунт; стали (из железа) 2,5–6,4 кВт·ч/фунт; и бумаги (из древесины) 3,2–6,4 кВт·ч/фунт. [127]
Быстрое сжигание пластика при очень высоких температурах разрушает многие токсичные компоненты, такие как диоксины и фураны . Этот подход широко используется при сжигании твердых бытовых отходов . Мусоросжигательные заводы твердых бытовых отходов также обычно очищают дымовой газ для дальнейшего снижения загрязняющих веществ, что необходимо, поскольку неконтролируемое сжигание пластика приводит к образованию канцерогенных полихлорированных дибензо-п-диоксинов . [128] Сжигание пластика на открытом воздухе происходит при более низких температурах и обычно выделяет такие токсичные пары.
В Европейском Союзе сжигание бытовых отходов регулируется Директивой о промышленных выбросах , [129] которая устанавливает минимальную температуру 850 °C в течение не менее двух секунд. [130]
Бактерия Blaptica dubia , как утверждается, способствует деградации коммерческого полистирола. Эта биодеградация, по-видимому, происходит у некоторых бактерий, разлагающих пластик, которые обитают в кишечнике тараканов. Продукты биодеградации были обнаружены также в их фекалиях. [131]
Развитие пластмасс развивалось от использования природных пластичных материалов (например, камедей и шеллака ) к использованию химической модификации этих материалов (например, натурального каучука, целлюлозы , коллагена и молочных белков ) и, наконец, к полностью синтетическим пластмассам (например, бакелита, эпоксидной смолы и ПВХ). Ранние пластмассы были биопроизводными материалами, такими как яичные и кровяные белки, которые являются органическими полимерами . Около 1600 г. до н. э. жители Мезоамерики использовали натуральный каучук для мячей, лент и фигурок. [4] Обработанные рога крупного рогатого скота использовались в качестве окон для фонарей в Средние века . Материалы, имитирующие свойства рогов, были разработаны путем обработки молочных белков щелоком. В девятнадцатом веке, по мере развития химии во время промышленной революции , было сообщено о многих материалах. Развитие пластмасс ускорилось с открытием Чарльзом Гудиером в 1839 году вулканизации для затвердевания натурального каучука.
Паркезин , изобретенный Александром Паркесом в 1855 году и запатентованный в следующем году, [132] считается первым искусственным пластиком. Он был изготовлен из целлюлозы (основного компонента клеточных стенок растений), обработанной азотной кислотой в качестве растворителя. Выход процесса (обычно известный как нитрат целлюлозы или пироксилин) мог быть растворен в спирте и затвердевать в прозрачный и эластичный материал, который можно было формовать при нагревании. [133] Включая пигменты в продукт, можно было сделать его похожим на слоновую кость. Паркезин был представлен на Международной выставке 1862 года в Лондоне и принес Паркесу бронзовую медаль. [134]
В 1893 году французский химик Огюст Трилла открыл способ сделать казеин (молочные белки) нерастворимым путем погружения в формальдегид , в результате чего получился материал, продаваемый как галалит . [135] В 1897 году владелец массового печатного станка Вильгельм Крише из Ганновера, Германия, получил задание разработать альтернативу школьным доскам. [135] Полученный в результате роговой пластик, изготовленный из казеина, был разработан в сотрудничестве с австрийским химиком (Фридрихом) Адольфом Шпиттелером (1846–1940). Хотя он и не подходил для предполагаемой цели, были обнаружены другие способы его использования. [135]
Первым в мире полностью синтетическим пластиком был бакелит , изобретенный в Нью-Йорке в 1907 году Лео Бакеландом , [5] который и ввел термин «пластики» . [6] Многие химики внесли свой вклад в материаловедение пластмасс, включая лауреата Нобелевской премии Германа Штаудингера , которого называют «отцом химии полимеров », и Германа Марка , известного как «отец физики полимеров ». [7]
После Первой мировой войны усовершенствования в химии привели к взрывному появлению новых форм пластика, массовое производство которых началось в 1940-х и 1950-х годах. [56] Среди самых ранних примеров волны новых полимеров были полистирол (впервые произведенный BASF в 1930-х годах) [4] и поливинилхлорид (впервые созданный в 1872 году, но коммерчески произведенный в конце 1920-х годов). [4] В 1923 году компания Durite Plastics, Inc. стала первым производителем фенолфурфуроловых смол. [136] В 1933 году исследователи Imperial Chemical Industries (ICI) Реджинальд Гибсон и Эрик Фосетт открыли полиэтилен . [4]
Открытие полиэтилентерефталата (ПЭТЭ) приписывают сотрудникам Ассоциации печатников Calico в Великобритании в 1941 году; он был лицензирован компанией DuPont для США и ICI в других случаях, и как один из немногих пластиков, подходящих в качестве замены стеклу во многих случаях, что привело к широкому использованию для бутылок в Европе. [4] В 1954 году полипропилен был открыт Джулио Наттой и начал производиться в 1957 году . [4] Также в 1954 году компанией Dow Chemical был изобретен вспененный полистирол (используемый для изоляции зданий, упаковки и стаканчиков) . [4]
В настоящее время ведется работа по разработке глобального договора о загрязнении пластиком . 2 марта 2022 года государства-члены ООН проголосовали на возобновленной пятой Ассамблее ООН по окружающей среде (UNEA-5.2) за создание Межправительственного переговорного комитета (МПК) с мандатом на продвижение юридически обязательного международного соглашения по пластику. [137] Резолюция озаглавлена «Положить конец загрязнению пластиком: на пути к международному юридически обязательному инструменту». В мандате указано, что МПК должен начать свою работу к концу 2022 года с целью «завершить проект глобального юридически обязательного соглашения к концу 2024 года». [138]
Пластик в смысле податливый
отчету Ocean Conservancy за 2017 год, Китай, Индонезия, Филиппины, Таиланд и Вьетнам сбрасывают в океаны больше пластика, чем все остальные страны мира вместе взятые.
Десять рек с самым высоким рейтингом переносят 88–95% мирового мусора в море.
, около 90 процентов всего пластика, который попадает в мировые океаны, смывается всего через 10 рек: Янцзы, Инд, Хуанхэ, Хай, Нил, Ганг, Чжуцзян, Амур, Нигер и Меконг (именно в таком порядке).
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: дата и год ( ссылка )В этой статье использован текст из свободного контента . Лицензия Cc BY-SA 3.0 IGO (лицензионное заявление/разрешение). Текст взят из Drowning in Plastics – Marine Litter and Plastic Waste Vital Graphics, Программа ООН по окружающей среде.