"ქიმიის უწყებანი" ტომი:4, ნომერი:2, 27-32 გვ.

პოლიმერები და ეკოლოგიური პრობლემები. I ნაწილი: პოლიმერები და გარემო

ნოდარ დუმბაძე

საქართველოს აგრარული უნივერსიტეტის მოწვეული ლექტორი

რეზიუმე: ნაშრომის მიზანია, ეკოლოგიურ ჭრილში განიხილოს პოლიმერები, რომლებიც სადღეისოდ წარმოადგენენ ერთ-ერთ ყველაზე გამოყენებად და გავრცელებულ მასალას თანამედროვე ყოფაცხოვრებაში. აქ წარმოდგენილია ნაშრომის პირველი ნაწილი, რომელშიც მოცემულია ზოგადი ინფორმაცია პოლიმერების შესახებ; ასევე, განხილულია პოლიმერების მიერ გარემოს დაბინძურების საკითხი. გარდა ამისა, ნაჩვენებია პოლიმერების გამოყენების სფეროები.

საკვანძო სიტყვები: პოლიმერები, პოლიმერების გამოყენება, გარემოს ქიმიური დაბინძურება

პოლიმერების განვითარების ისტორია

 

პოლიმერული მასალები წარმოადგენენ რთულ სისტემებს. მათი ისტორია იწყება 1800-იანი წლებიდან, როდესაც განვითარება დაიწყო რეზინის ტექნოლოგიამ, სადაც საკვანძო აღმოჩენას წარმოადგენდა ბუნებრივი კაუჩუკის ვულკანიზაცია, რომელიც განახორციელა ჩარლზ გუდიერმა [1]. 1800-იანი წლების განმავლობაში იყო სინთეზური პოლიმერების მიღების მცდელობები. ამ დროს აღმოაჩინეს პოლისტიროლი და პოლივინილქლორიდი, თუმცა იყვნენ ან საკმაოდ მსხვრევადნი, რომ ყოფილიყვნენ კომერციულად ღირებულნი, ან ვერ ინარჩუნებდნენ საკუთარ ფორმას. პირველი სინთეზური პოლიმერი, რომელიც ჩაეშვა სერიულ წარმოებაში იყო — ბაკელიტი (სქემა. 1), რომელიც მიიღო ბელგიელმა ქიმიკოსმა ლეო ბაკელანდმა 1909 წელს [2].

 

სქემა 1: ბაკელიტის ქიმიური სტრუქტურა

 

მოგვიანებით, 1900-იან წლებში, მიღებულ იქნა ისეთი პოლივინილქორიდი (1926), რომელიც გამოიყენება თანამედროვე ყოფაცხოვრებაში. ამას მოყვნენ: პოლიურეთანი (1937), გადამუშავებადი პოლისტიროლი (1938), ასევე, მაღალი სიმკვრივის პოლიეთილენი და პოლიპროპილენი (1951) [3]. ბოლო პერიოდში, ტექნიკის პროგრესმა მიგვიყვანა ისეთი პოლიმერების გამოჩენამდე, რომლებიც მიიღებიან შაქრებისა და ლიპიდების ბაქტერიული ფერმენტაციისას, მათ შორის არიან: პოლიჰიდროქსიალკანოატები, პოლილაქტიდები, ალიფატური პოლიესტერები და პოლისაქარიდები [4].

არსებობს ბევრი განსხვავებული ტიპის პოლიმერი; მათ შორის განსხვავების მიზეზი ისაა, რომ ისინი მიიღებიან სხვადასხვა ტიპის მონომერებისგან და, ასევე, სხვადასხვა ტიპის პოლიმერიზაციის რეაქციით. პოლიმერები, ნახშირბადისა და წყალბადის გარდა, შეიძლება შეიცავდნენ ისეთ ელემენტებს, როგორებიც არიან: სილიციუმი, აზოტი (ნაილონი), ჟანგბადი (პოლიესტერები, პოლიკარბონატები), ქლორი (პოლივინილქლორიდი). სწორედ სტრუქტურული სხვაობა განაპირობებს მათ განსხვავებულ თვისებებს, მაგ.: ელასტიურობა, ფორმის ცვლილების უნარი. პოლიმერები სუფთა სახით, როგორც წესი, არ არიან კომერციულად ვარგისნი [5]; ამიტომ, პოლიმერების დამუშავება ხდება მთელი რიგი ნაერთებით მათი თვისებების „დაკორექტირების“ მიზნით, რომლის შემდეგაც ისინი ხდებიან კომერციულად ღირებულნი.

 

პოლიმერები და გარემო

 პოლიმერები დღეს ფართოდ გამოიყენებიან ჩვენს ყოველდღიურ ცხოვრებაში სხვადასხვა ტიპის მასალების წარმოებისათვის, როგორებიცაა: სამშენებლო და სამედიცინო მასალები, სხვადასხვა ტიპის პროდუქტები და სხვ. პოლიმერები საკუთარი სასიცოცხლო ციკლიდან გამომდინარე, შეიძლება განზრახ ან უნებლიედ მოხვდნენ გარემოში [6]. პოლიმერების მიერ გარემოს დაბინძურება განსხვავებულია გეოგრაფიული რეგიონებიდან გამომდინარე. პოლიმერების მიერ გარემოს დაბინძურება განიხილება, როგორც ერთ-ერთი სერიოზული პრობლემა, ვინაიდან საკმაოდ რთულია მათი უტილიზაცია. მთელი მსოფლიოს კვლევები აჩვენებენ, რომ დღესდღეობით პოლიმერები წარმოადგენენ ზღვისა და ნაპირის დაბინძურების მთავარ კომპონენტს, რომელიც მოიცავს: ანტარქტიკის ნახევარკუნძულს [7], ავსტრალაზიას [8], ევროპასა და ჩრდილოეთ ატლანტიკას [9, 10], ხმელთაშუაზღვისპირეთსა [11] და, ასევე, ახლო აღმოსავლეთს [12]. სადღეისოდ არსებობს ბევრი ნაშრომი, რომელიც აღწერს პოლიმერული ნარჩენების გავლენას ეკოლოგიაზე; განარჩევენ მაკრო- (> 5 მმ) და მეზო- (≤ 5 მმ — ≥ 1 მმ) ნარჩენებს, რომლებიც არიან საფრთხე ზღვის ძუძუმწოვრებისა და ფრინველებისათვის, ვინაიდან შეიძლება ეს ნარჩენები მათ შეცდომით აღიქვან, როგორც საკვები [13,14].

დღესდღეობით, პოლიმერების დეგრადაციისას მიმდინარე პროცესების უმრავლესობის შესწავლა მოხდა ხელოვნურად, ლაბორატორიებში, რომლებშიც შეისწავლეს დეგრადაციის ერთიანი მექანიზმი, როგორებიცაა: ფოტოდეგრადაცია, თერმული დეგრადაცია და ბიოდეგრადაცია მიკრობული კულტურების მეშვეობით.

ეს კვლევები, როგორც წესი, ფოკუსირებული იყო წონის კლებაზე, გაწელვისას სიმტკიცის ცვლილებაზე, მოლეკულური სტრუქტურის დაშლასა და მიკროორგანიზმების სპეციფიკური შტამების იდენტიფიკაციაზე (კონკრეტული ტიპის პოლიმერებზე გამოსაყენებლად). თუმცა, საკმაოდ მწირი ინფორმაციაა პოლიმერების დეგრადაციაზე გარემოში, რეალურ პირობებში, სადაც ერთდროულად მიმდინარეობს მთელი რიგი დეგრადაციის მექანიზმებისა.

ეკოლოგიური რისკების შესაფასებლად, აუცილებელია იმ პროცესების გააზრება, რომლის მეშვეობითაც ხდება პოლიმერების დეგრადაცია განსხვავებულ პირობებში; ასევე, გასათვალისწინებელია დეგრადაციის შედეგად წარმოქნილი პროდუქტების ტიპები და მათი ეფექტი.

მსოფლიოს მასშტაბით მოსახლეობის ზრდამ და ამასთან დაკავშირებულმა ეკონომიკურმა ზრდამ გამოიწვია მოთხოვნის ზრდა სხვადასხვა საქონელზე, რომლებიც დამზადებული არიან პოლიმერული მასალებისგან (მაგ.: პლასტმასებისგან და ელასტომერებისგან). საკუთარი სასიცოცხლო ციკლიდან გამომდინარე, პოლიმერები შესაძლოა გარემოში მოხვდნენ სხვადასხვა წყაროების მეშვეობით. გარემოში მოხვედრის შემდეგ, პოლიმერული მასალები ექვემდებარებიან განსხვავებულ მექანიკურ და ქიმიურ ზემოქმედებას. ამას მივყავართ პოლიმერების სტრუქტურის ცვლილებამდე, რაც ამარტივებს პოლიმერული მასალების პატარა ფრაგმენტებად დახლეჩას [15].

პოლიმერული მასალების დანამატების ეკოტოქსიკურობასთან დაკავშირებით არსებული მონაცემების უმრავლესობა ფოკუსირებულია ისეთი ნაერთების ეფექტების განხილვაზე, როგორებიც არიან — ფტალატები [16]. თუმცა გარემომცველი სამყარო ექვემდებარება არა მარტო დანამატების, არამედ პოლიმერების დეგრადაციისას წარმოქნილი ნაერთების გავლენასაც; ამიტომ პოლიმერებმა და მასთან დაკავშირებულმა დეგრადაციის პროდუქტებმა, შესაძლოა, საფრთხის ქვეშ დააყენონ ყველა ტროფიკულ დონეზე მყოფი ცოცხალი ორგანიზმების სიცოცხლისუნარიანობა.

მიუხედავად ამ პრობლემებისა, ევროკავშირის რეგლამენტის მიხედვით, რომელიც 2007 წლის 1 ივნისიდან არეგულირებს ყველა ქიმიური ნივთიერების ბრუნვასა და წარმოებას (REACH — Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals), პოლიმერები განიხილებიან, როგორც დაბალი ეკოლოგიური საფრთხის მქონენი მათი მაღალი მოლეკულური მასის გამო, თუმცა პოლიმერული მასალებისა და მასთან დაკავშირებული ქიმიური დანამატების გამოჩენა წყალში აღიარებულ იქნა ახალ მსოფლიო დონის პრობლემად და დღესდღეობით მათი ზემოქმედების პროცესების შესწავლით ინტერესდება სამეცნიერო და სოციალური აუდიტორიის უფრო ფართო სპექტრი [17].

 

პოლიმერების გამოყენება

ყოველდღიურ ცხოვრებაში გამოყენებადი პოლიმერული მასალები მზადდებიან როგორც ბუნებრივი, ისე სინთეზური წარმოშობის მქონე ნივთიერებებისგან. ბუნებრივი პოლიმერები, როგორიცაა მაგ.: პოლიიზოპრენი, მიღებული ტროპიკული ხისგან — Hevea brasiliensis, გამოიყენება ბუნებრივი კაუჩუკის წარმოებისათვის [18]. ნავთობქიმიაზე დაფუძნებული პოლიმერები (petroleum-based polymers) იწარმოებიან თერმული გახლეჩვის (კრეკინგის) მეშვეობით, რომელიც ყოფს ნავთობსა და ბუნებრივ აირს სხვადასხვა ტიპის ნახშირწყალბადოვანი მონომერების (ეთილენი, პროპილენი) [19] მიღებისათვის. ნავთობქიმიაზე დაფუძნებულ პოლიმერებზე მოთხოვნა შეადგენს 230 მილიონ ტონას წელიწადში [20], თუმცა გეოგრაფიულ რეგიონებს შორის მნიშვნელოვანი სხვაობებია, რაც განპირობებულია ცხოვრების დონით, სტილითა და, ასევე, შემოსავლებით.

პოლიოლეფინები (მაგ.: ხაზოვანი დაბალი სიმკვრივის პოლიეთილენი, დაბალი სიმკვრივის პოლიეთილენი, მაღალი სიმკვრივის პოლიეთილენი, პოლიპროპილენი) გამოიყენებიან დაახლოებით 60 % წელიწადში, რომელთაც მოსდევს პოლივინილქლორიდი და პოლისტიროლი [21]. საერთო მოხმარების 40.1 % მოდის პოლიმერულ შეფუთვებზე, ამას მოსდევს სოფლის მეურნეობა (26.9 %), მშენებლობა (20.4 %), ავტომობილების წარმოება (7 %), ელექტრული და ელექტრონული მოწყობილობები (5.6 %) და ბაზრის სხვა სექტორები.

პოლიურეთანები წარმატებით გამოიყენებიან ბიოსამედიცინო დანიშნულებით, კერძოდ: ხელოვნური სახსრების, სისხლძარღვების მოქნილი შემცვლელებისა და გულის სარქველებისათვის [22].

მსოფლიოს მოთხოვნა ბუნებრივ კაუჩუკზე შეადგენს 10.97 მლნ ტონას ყოველწლიურად; მათ შორისაა ლატექსის შემცველი სამედიცინო და საყოფაცხოვრებო პროდუქტები (80.3 %). ბუნებრივი კაუჩუკის სხვა გამოყენების სფეროებია: რეზინის ნაკეთობები (10.4 %), საბურავები (9.2 %), ფეხსაცმლები (0.2 %) [23].

ტექნიკურმა პროგრესმა მიგვიყვანა ისეთ პოლიმერებამდე, რომლებიც უფრო მარტივად იშლებიან. ესეთი პოლიმერები შეგვიძლია დავყოთ სამ კატეგორიად:

• პოლიმერები, რომლებიც შეიცავენ ბიოდაშლად ინგრედიენტს, როგორიცაა სახამებელი, რომლის დამატებაც ხდება პოლიმერულ მატრიცაში პატარა სინთეზური პოლიმერული ჯაჭვების ერთმანეთთან შეერთების მიზნით [24];
• თიხისშემცველი ნანოკომპოზიტები (nano clay composites), რომლებიც გამოიყენებიან მიკროორგანიზმების ზრდისათვის ხელსაყრელი პირობების შესაქმნელად და შეუძლიათ პოლიმერული მატრიცის საკვებად გამოყენება [25];
• შაქრებისა და ლიპიდების ბაქტერიული ფერმენტაციის შედეგად წარმოქმნილი პოლიმერები, როგორებიცაა: პოლიჰიდროქსიალკანოატები, პოლილაქტიდები, ალიფატური პოლიესტერები, პოლისაქარიდები, ზემოთ ჩამოთვლილების თანაპოლიმერები ან/და ნარევები.

მაღალეფექტური კომპოზიტებიც წარმოადგენენ ბაზრის მნიშვნელოვან სეგმენტს. ისინი შედგებიან პოლიმერული მატრიცისა და შემავსებლებისაგან, რომელთა დანიშნულებაცაა მექანიკური თვისებების გაუმჯობესება. ნახშირბადოვანი ბოჭკოს შემცველი კომპოზიტები იქცნენ მნიშვნელოვან ინოვაციად საავიაციო სფეროში, რადგან მოხდა თვითმფრინავის წონის შემცირება და, ასევე, საწვავის დანახარჯის შემცირება.

როდესაც ორი პოლიმერი ერთმანეთთან არათავსებადია, თუმცა მათი შერევადობა სასურველია, იყენებენ შემათავსებლებს (compatibilizers). მაგ.: ერთ ნარევში სასურველია პოლიპროპილენი (დაბალი სიმკვრივე, ქიმიური მდგრადობა) და აკრილონიტრილობუტადიენური კაუჩუკი (ელასტიურობა, ზეთისადმი მდგრადობა), თუმცა მათი ინდივიდუალური ფიზიკური, მექანიკური და ქიმიური თვისებები არ იძლევიან ამის საშუალებას.

ქვემოთა ცხრილში მოცემულია ყველაზე გავრცელებული პოლიმერების გამოყენების სფეროები და მათი შესაბამისი ქიმიური სტრუქტურები:

 

ცხრილი 1: ყველაზე გავრცელებული პოლიმერების გამოყენების სფეროები და მათი შესაბამისი ქიმიური სტრუქტურები

პოლიმერის ტიპი და მისი ქიმიური სტრუქტურა	გამოყენების სფერო
პოლიეთილენი (PE)	• დაბალი სიმკვრივის პოლიეთილენი  — ბოთლები, სათამაშოები, ჩანთები, მაღალი სიხშირის იზოლაცია, გაზისა და წყლის მილები; • მაღალი სიმკვრივის პოლიეთილენი — კვების პროდუქტების შეფუთვა, სამზარეულოს ჭურჭლეული, სათამაშოები, ჩანთები, კაბელების იზოლაცია
პოლიპროპილენი (PP)	საკვების კონტეინერები, ლანგრები მიკროტალღურ ღუმელში საკვების მოსამზადებლად, საავტომობილო ინდუსტრია
პოლივინილქლორიდი (PVC)	მშენებლობა, ჯანდაცვა, ტრანსპორტი, შეფუთვა, ელექტრონიკა
პოლიეთილენტერეფტალატი (PET)	სასმელი ბოთლები, ლანგრები
პოლისტიროლი (PS)	საკვების კონტეინერები, ერთჯერადი სავაჭრო ჭიქები (მაგ.: ყავის ჭიქა), პლასტმასის ინსტრუმენტები (მაგ.: კოვზი, დანა, ჩანგალი), კომპაქტ-დისკების ყუთები
პოლიურეთანი (PUR)	მყარი საბურავები, ბორბლები, ავტომობილების ბამპერები, ბიოსამედიცინო სფეროები
პოლიკარბონატი (PC)	ბოთლები, ჭურჭელი, კონტეინერები, ელექტრული და სამედიცინო ნივთები
პოლიმეთილპენტენი (PMP)	სამედიცინო ჭურჭელი, შპრიცები, ინკაფსულაცია
პოლიტეტრაფთოროეთილენი (PTFE)	მაღალტემპერატურული ელექტრული და სამედიცინო მოწყობილობები, ლაბორატორიული აღჭურვილობა, ტუმბოების ნაწილები
პოლი(ფენილენ სულფიდი) (PPS)	ელექტრული, საავტომობილო და სამზარეულოს მოწყობილობები, სტერილიზებადი სამედიცინო, სტომატოლოგიური და ლაბორატორიული აღჭურვილობა
პოლიიზოპრენი (NR)	ხელთათმანები, საბურავები, რეზინის ჩექმები, რეზინის ლენტები, შლანგები, ქამრები
პოლიბუტადიენი	საბურავები, გოლფის ბურთები, მილები

 

 

ლიტერატურა

1. Stevenson, K., Stallwood, B., & Hart, A. G. (2008). Tire rubber recycling and bioremediation: a review. Bioremediation Journal, 12(1), 1-11.
2. Vlachopoulos, J., & Strutt, D. (2003). Polymer processing. Materials science and technology, 19(9), 1161-1169.
3. Hammer, J., Kraak, M. H., & Parsons, J. R. (2012). Plastics in the marine environment: the dark side of a modern gift. In Reviews of environmental contamination and toxicology (pp. 1-44). Springer, New York, NY.
4. Reddy, C. S. K., Ghai, R., & Kalia, V. (2003). Polyhydroxyalkanoates: an overview. Bioresource technology, 87(2), 137-146.
5. Mulder, K. F. (1998). Sustainable consumption and production of plastics?. Technological Forecasting and Social Change, 58(1-2), 105-124.
6. Tharpes, Y. L. (1988). International environmental law: turning the tide on marine pollution. Miami Inter-Am. L. Rev., 20, 579.
7. Benton, T. G. (1995). From castaways to throwaways: marine litter in the Pitcairn Islands. Biological Journal of the Linnean Society, 56(1-2), 415-422.
8. Foster-Smith, J., Birchenough, A. C., Evans, S. M., & Prince, J. (2007). Human impacts on Cable Beach, Broome (Western Australia). Coastal Management, 35(2-3), 181-194.
9. Galgani, F., Leaute, J. P., Moguedet, P., Souplet, A., Verin, Y., Carpentier, A., ... & Mahe, J. C. (2000). Litter on the sea floor along European coasts. Marine pollution bulletin, 40(6), 516-527.
10. Liebezeit, G. (2008). Marine litter on the Kachelotplate, Lower Saxonian Wadden Sea. Senckenbergiana maritima, 38(2), 147-151.
11. Koutsodendris, A., Papatheodorou, G., Kougiourouki, O., & Georgiadis, M. (2008). Benthic marine litter in four Gulfs in Greece, Eastern Mediterranean; abundance, composition and source identification. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 77(3), 501-512.
12. Abu-Hilal, A., & Al-Najjar, T. (2009). Marine litter in coral reef areas along the Jordan Gulf of Aqaba, Red Sea. Journal of Environmental Management, 90(2), 1043-1049.
13. Bugoni, L., Krause, L., & Petry, M. V. (2001). Marine debris and human impacts on sea turtles in southern Brazil. Marine pollution bulletin, 42(12), 1330-1334.
14. Petry, M. V., Krüger, L., da Silva Fonseca, V. S., Brummelhaus, J., & da Cruz Piuco, R. (2009). Diet and ingestion of synthetics by Cory’s Shearwater Calonectris diomedea off southern Brazil. Journal of Ornithology, 150(3), 601.
15. Andrady, A. L. (2011). Microplastics in the marine environment. Marine pollution bulletin, 62(8), 1596-1605.
16. Oehlmann, J., Schulte-Oehlmann, U., Kloas, W., Jagnytsch, O., Lutz, I., Kusk, K. O., ... & Tyler, C. R. (2009). A critical analysis of the biological impacts of plasticizers on wildlife. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 364(1526), 2047-2062.
17. Thompson, R. C., Moore, C. J., Vom Saal, F. S., & Swan, S. H. (2009). Plastics, the environment and human health: current consensus and future trends. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 364(1526), 2153-2166.
18. Agostini, D., Constantino, C., & Job, A. (2008). Thermal degradation of both latex and latex cast films forming membranes: combined TG/FTIR investigation. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 91(3), 703-707.
19. Chaudhuri, U. R. (2016). Fundamentals of petroleum and petrochemical engineering. Crc Press.
20. https://www.plasticseurope.org/en/resources/publications/171-plastics-facts-2010, უკანასკნელად გადამოწმებულია - 112.2020.
21. Mutha, N. H., Patel, M., & Premnath, V. (2006). Plastics materials flow analysis for India. Resources, conservation and recycling, 47(3), 222-244.
22. Ghanbari, H., Viatge, H., Kidane, A. G., Burriesci, G., Tavakoli, M., & Seifalian, A. M. (2009). Polymeric heart valves: new materials, emerging hopes. Trends in Biotechnology, 27(6), 359-367.
23. http://www.lgm.gov.my/nrstat/nrstats.pdf, უკანასკნელად გადამოწმებულია - 112.2020.
24. Dřímal, P., Hoffmann, J., & Družbík, M. (2007). Evaluating the aerobic biodegradability of plastics in soil environments through GC and IR analysis of gaseous phase. Polymer testing, 26(6), 729-741.
25. Reddy, M. M., Deighton, M., Bhattacharya, S., & Parthasarathy, R. (2009). Biodegradation of montmorillonite filled oxo‐biodegradable polyethylene. Journal of applied polymer science, 113(5), 2826-2832.

 

გამოქვეყნებულია: 27-12-2020