Biodegradabilní polyethylen – nová technologie, nebo reklamní trik?

S polyethylenem (PE) se denně setkáváme především ve formě tenkých fólií s pozoruhodnými mechanickými vlastnostmi.

Moderní technologie učinily tento materiál cenově přístupným. Není divu, že PE fólie jsou využívány v obrovských objemech, v nespočetných aplikacích. Známe je hlavně jako obalové materiály, různé stretch fólie, pytle, sáčky, tašky atd. Masivně jsou používány rovněž v zemědělství, jednak opět jako obaly, jednak, jako mulčovací fólie a materiál pro konstrukci fóliovníků chránících rostliny před teplotními extrémy a udržujících vlhkost v půdě.

CHUTNÉ, ALE DLOUHÉ ŘETĚZCE

PE je materiálem s velmi dobrou odolností vůči vlivům prostředí. Dlouhé řetězce jeho molekul navzájem těsně přiléhají a ačkoli jejich chemická struktura by mohla mikroorganismům „docela chutnat“, vysoká molekulová hmotnost a nepřítomnost polárních skupin zabraňuje, aby mikroorganismy mohly molekulu PE takříkajíc načít.

Kombinace vysoké odolnosti a nízké ceny výrobků na jedno použití způsobila, že se odpad PE fólií stal také všudypřítomnou součástí našeho životního prostředí. Nutno poznamenat, že PE není toxický a jeho vliv na životní prostředí není významný, kazí nám však estetický prožitek z přírody a krajiny, a to nelze bagatelizovat. Veřejnost vnímá problematiku velmi citlivě, i když jednostranně. Na vině není PE, který je jako odpad dobře recyklovatelný nebo využitelný energeticky, ani jeho výrobci a uživatelé, ale lidská lenost a bezohlednost.

Alternativou PE obalů by se mohly stát obaly z biodegradabilních materiálů. Jejich výhodou je, že se po náhodném, nebo úmyslném vnesení do půdy rozloží působením mikroorganismů. Tyto materiály mohou být také kompostovány spolu s ostatním biologicky rozložitelným podílem komunálního odpadu, pokud je zajištěn jeho oddělený sběr. Negativem současných biodegradabilních materiálů jsou jejich horší zpracovatelské a mechanické vlastnosti, vyšší hmotnost obalů a vyšší cena.

DEGRADACE POLYETHYLENU

V průběhu druhé poloviny dvacátého století byly intenzivně zkoumány možnosti stabilizace PE proti účinkům UV záření. Na základě těchto znalostí vznikla myšlenka, že naopak podpořením degradačních pochodů by mohl být PE převeden na snáze biodegradovatelné sloučeniny. Co se tedy při degradaci PE děje? Vlivem UV záření či tepla vznikají v materiálu radikály. Tyto mohou reagovat se vzdušným kyslíkem a vést k oxidaci molekul materiálu a štěpení makromolekulárních řetězců PE na kratší fragmenty. Proces je katalyzován přítomností iontů přechodných kovů. Byla tedy vyvinuta aditiva nazývaná prooxidanty, jejichž podstatou je sofistikovaný mix prooxidančních a antioxidačních přísad. Vzniká tak produkt s „naprogramovanými“ vlastnostmi. Po dobu jeho předpokládaného používání a skladování se postupně spotřebovává antioxidační kapacita a po jejím vyčerpání, což by mělo nastat za předem nastavený čas, převáží vliv prooxidantů a materiál projde rychlou a hlubokou oxidací, která se navenek projeví jeho rozpadem na drobné fragmenty. Obrovskou výhodou této technologie je zachování současného způsobu zpracování PE a všech pozitivních vlastností, které PE fólie mají.

Je zřejmé, že nastavit vhodný poměr antioxidantů a prooxidantů může být problém, protože rychlost vyčerpání antioxidační kapacity závisí na tom, jak je materiál po dobu svého užívaní vystaven světlu a teplu. Pokud by zde došlo k chybě, mohlo by se stát, že by se materiál po očekávané době nerozpadl, nebo by naopak ztratil své mechanické vlastnosti předčasně.

JE OXIDOVANÝ POLYETHYLEN BIODEGRADABILNÍ?

Oxidace za katalýzy prooxidantů způsobuje štěpení PE řetězců, a to ve skutečně masivní míře. Následkem toho dojde ke snížení molekulové hmotnosti PE typicky asi o dva řády. Získáme tak molekuly, které jsou mnohem kratší, zakončené většinou polárními skupinami, a tedy mnohem přístupnější k biodegradaci.

Již více než pět let se v naší laboratoři ve spolupráci s našimi i zahraničními kolegy zabýváme otázkou, zda je takto oxidovaný materiál skutečně biodegradabilní. Na základě našich výsledků můžeme tvrdit, že v průběhu asi jednoho roku dochází k biodegradaci části materiálu. Za podmínek laboratorního kompostování jsme u některých vzorků pozorovali úbytek více než 20 % materiálu (obr). Zdá se, že tato technologie je pro PE s prooxidanty zvláště vhodná, protože vyšší teplota podporuje oxidaci materiálu a biologické procesy jsou intensivnější. V půdním prostředí je rychlost biodegradace nižší.

Na základě výsledků lze odhadnout, že k úplné biodegradaci dojde až za řadu let, což je však běžné také u ryze přírodních materiálů, jako jsou některé druhy dřeva nebo jehličí. Fragmenty PE by měly být poměrně malé, takže budou v kompostu či v půdě v podstatě nerozpoznatelné a nebudou rušit vizuálně. Navíc jsou tyto fragmenty inertní a obsah kovů v prooxidantech je tak nepatrný, že na přírodním pozadí neznamená žádné riziko. Nutno poznamenat, že naše data jsou v souladu s měřeními v dalších laboratořích. Jsou však i autoři, kteří prezentují prakticky stoprocentní rozklad materiálu za laboratorních podmínek v průběhu asi jednoho roku.

Všechny výše uvedené výsledky i úvahy jsou založeny výhradně na laboratorních pokusech. Zatím nemáme k dispozici dostatek údajů, jak tato technologie funguje v praxi. Dokážeme si představit, že nesprávné použití či nastavení dávky prooxidantu povede k rozčarování uživatelů, také otázka rychlosti a úplnosti biodegradace není uspokojivě dořešena.

V současnosti je na trhu k dispozici tento typ aditiv od několika výrobců. Vzhledem k tomu, že naše laboratoř testovala PE fólie patrně od všech předních producentů, musíme konstatovat, že jsme mezi nimi zaznamenali významné rozdíly.

(Výzkum byl podpořen grantem Ministerstva školství MSM 7088352101)

Marek Koutný
Lucie Husárová
Ústav inženýrství ochrany životního prostředí, Universita Tomáše Bati ve Zlíně

 

Termofilní aktinomycety na povrchu PE v kompostu inkubovaného prooxidanty. Skenovací elektronová mikroskopie, zvětšeno 3000x.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *