3.8. Ekoproblemy jako konsekwencja stosowania opakowań

Czego nasza cywilizacja produkuje najwięcej? Okazuje się, że najwięcej wytwarzamy śmieci. Przeciętna europejska rodzina rocznie wyrzuca tyle papieru, ile można pozyskać z 6 drzew, a także ponad 500 puszek, ok. 50 kg tworzyw sztucznych, 32 kg metalu, 45 kg odpadków organicznych i 47 kg szkła. W Europie produkujemy prawie 10 razy więcej odpadów niż sami ważymy. Czy zasypią nas góry śmieci?

Już wiesz: 

  • co to są tworzywa sztuczne;
  • na czym polegają reakcje polimeryzacji i polikondensacji;
  • z jakich materiałów produkuje się opakowania, które z nich ulegają biodegradacji, a które są szczególnie uciążliwe dla środowiska.

Nauczysz się: 

  • klasyfikować tworzywa sztuczne w zależności od ich właściwości;
  • charakteryzować termoplasty i duroplasty;
  • pisać równania reakcji otrzymywania takich tworzyw, jak: PP, PVC, PS, PMMA;
  • określać zagrożenia związane ze spalaniem tworzyw sztucznych;
  • uzasadniać potrzebę zagospodarowania odpadów pochodzących z różnych opakowań;
  • opisywać różne sposoby zagospodarowania odpadów.

1. Rodzaje odpadów

Odpady są nieodłączną częścią bytowej i gospodarczej działalności człowieka. W miarę rozwoju cywilizacji ciągle zwiększa się ich ilość i różnorodność. Szacuje się, że rocznie na terenie Polski powstaje ich ok. 145 mln ton, z czego 12 mln ton to odpady komunalne, z których można byłoby utworzyć piramidę, mającą podstawę o boku równym 1000 m i wysokość 190 m (dla porównania, największa egipska piramida – piramida Cheopsa, której bok podstawy ma długość 230 m – osiąga 140 m wysokości). Statystyczny mieszkaniec naszego kraju wyrzuca w ciągu roku do kontenera ok. 300 kg odpadów komunalnych. Znaczną część tych śmieci stanowią: opakowania i odzież.

2. Tworzywa sztuczne

Do najbardziej uniwersalnych i wielofunkcyjnych materiałów w światowej gospodarce należą m.in. tworzywa sztuczne, które stanowią ok. 15% masy i 70% objętości wszystkich produkowanych śmieci. Stały się one podstawą nowoczesnego życia, a największym obszarem ich zastosowań jest właśnie produkcja opakowań.
Do produkcji opakowań wykorzystuje się m.in.: polietylen, poli(tereftalan etylenu), polipropylen, polistyren, poli(chlorek winylu), poli(metakrylan metylu). Polipropylen to tworzywo, które pod względem właściwości wykazuje podobieństwo do polietylenu i tak jak on jest otrzymywane w wyniku reakcji polimeryzacji:
Do tworzyw polimeryzacyjnych zalicza się także polistyren:
W codziennym życiu często mamy kontakt z polistyrenem spienionym, czyli tzw. styropianem.

Doświadczenie 3.8.1.

Problem badawczy:  
W jaki sposób można zmniejszyć ilość odpadów ze styropianu?
Hipoteza: 
Styropian można spalić lub rozpuścić w niektórych rozpuszczalnikach.
Co będzie potrzebne: 
  • próbki styropianu,
  • trójnóg,
  • palnik,
  • metalowe szczypce,
  • probówka z octanem etylu,
  • probówka z acetonem,
  • probówka z tetrachlorometanem,
  • probówka ze stężonym H IndeksDolny 2 KoniecIndeksów SO IndeksDolny 4 KoniecIndeksów,
  • probówka ze stężonym ΝaOH.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do płomienia palnika wprowadź próbkę styropianu, trzymając go metalowymi szczypcami.
  2. 2.
    Zaobserwuj, czy PS zapala się od razu, czy się topi, jaką barwę przyjmuje płomień palnika, jaki zapach towarzyszy temu procesowi, czy płomień jest kopcący i czy utrzymuje się również po wyjęciu próbki z płomienia palnika?
  3. 3.
    Następnie wprowadź próbki styropianu kolejno do probówek zawierających: octan etylu (zmywacz do paznokci), aceton (rozpuszczalnik stosowany przez kosmetyczki), tetrachlorometan (środek gaśniczy w gaśnicach tetrowych), stężony kwas siarkowy(VI) i stężony roztwór zasady sodowej.
  4. 4.
    Obserwuj zachodzące zmiany.
Podsumowanie: 
Styropian nadtapia się i pali żółtym, silnie kopcącym płomieniem, a towarzyszący temu procesowi zapach jest słodkawy i przypomina woń hiacyntów. Po wyjęciu próbki z płomienia płomień gaśnie. Rozpuszcza się m.in. w octanie etylu, acetonie, tetrachlorometanie. Nie ulega działaniu stężonego kwasu siarkowego(VI) ani stężonego wodorotlenku sodu. Wniosek nasuwający się po wykonaniu tego doświadczenia utwierdza nas w przekonaniu, że nie można spalać styropianu w domu. Chcąc zmniejszyć jego ilość, rozpuszcza się styropian w określonych rozpuszczalnikach. Żadnej z tych metod nie można stosować w warunkach domowych ze względu na szkodliwy charakter substancji, które powstają podczas tych procesów. W przemyśle najnowszym sposobem, opłacalnym ekonomicznie jak i praktycznie, jest rozpuszczanie PS w mieszaninie popularnych estrów: octanu etylu i butylu. Ta metoda recyklingu styropianu została opracowana przez pracowników Politechniki Warszawskiej.

Ciekawostka

Metoda recyklingu spienionego polistyrenu opracowana przez polskich naukowców pozwala nie tylko rozwiązać problemy związane z rosnącą ilością styropianu odpadowego. Podczas tego procesu powstaje bowiem Styrozol. Jest to materiał wodochronny, który ze względu na niską cenę, walory ekologiczne oraz dobre właściwości techniczne stanowi dużą konkurencję dla wyrobów bitumicznych, stosowanych dotąd jako materiały hydroizolacyjne. W budownictwie stosuje się Styryzol G – do gruntowania podłoża, i Styryzol P – jako masę powłokowo-klejącą.
Poli(chlorek winylu) to materiał ze względów ekologicznych systematycznie wycofywany z produkcji opakowań artykułów spożywczych, jednak nadal bardzo popularny w innych branżach. Powstaje w wyniku reakcji polimeryzacji chloroetenu (chlorku winylu), który jest związkiem rakotwórczym:
Rzadziej do wyrobu opakowań wykorzystuje się poli(metakrylan metylu), często nazywany szkłem organicznym lub pleksiglasem:
Pierwsze tworzywo sztuczne – parkesinę – otrzymano w 1862 roku. Choć od tego momentu upłynęło już sporo czasu, to na każdym kroku uświadamiamy sobie, że bez tworzyw sztucznych nie potrafimy żyć.

Polecenie 3.8.1.

Czy poli(metakrylan metylu) jest tworzywem polimeryzacyjnym, czy polikondensacyjnym?

Wskazówka

Zwróć uwagę na równanie reakcji otrzymywania tej substancji chemicznej.
Ze względu na właściwości plastyczne tworzywa sztuczne można podzielić na dwie grupy: termoplasty oraz duroplasty. Termoplasty po ogrzaniu do odpowiednio wysokiej temperatury miękną i topią się, a po ostygnięciu twardnieją. Termoplastyczność umożliwia wielokrotne przetwarzanie i wykorzystywanie tych materiałów oraz ułatwia zagospodarowywanie odpadów. Duroplasty są sztywnymi materiałami, które nie zmieniają swojego kształtu w trakcie ogrzewania. Podczas produkcji, pod wpływem ogrzewania ulegają nieodwracalnemu utwardzeniu, dlatego czasami nazywa się je tworzywami termoutwardzalnymi. W wysokiej temperaturze nie topią się, ale ulegają rozkładowi. Nie można ich wielokrotnie przetwarzać, co uniemożliwia ich ponowne wykorzystanie. Różnice we właściwościach termoplastów i duroplastów wynikają z ich różnej budowy wewnętrznej.

Polecenie 3.8.2.

Z jakiego tworzywa: termoplastu czy duroplastu wykonana jest butelka na wodę, a z jakiego – czajnik bezprzewodowy?

Wskazówka

Zwróć uwagę na to, jak oba rodzaje tworzyw zachowują się pod wpływem wysokiej temperatury.

3. Odpady – problem czy biznes w XXI wieku?

Odpady i związane z nimi zagrożenia stają się w obecnych czasach coraz bardziej zauważalnym problemem w środowisku, np. maleńka bateria z zegarka może skazić 1 m3 gleby czy też 400 litrów wody. Z drugiej strony, większość wyrzucanych śmieci można przetworzyć na energię lub pozyskać z nich nowe surowce (np. włókna – z butelek PET, cynk – z baterii cynkowych), a część nadaje się do ponownego wykorzystania (np. szkło można przetwarzać nieskończenie wiele razy). Ostateczne postępowanie z odpadami polega na ich unieszkodliwieniu, czyli poddaniu procesom, dzięki którym nie będą one stwarzały zagrożenia dla zdrowia i życia ludzi oraz dla środowiska. Na przestrzeni wieków gospodarka odpadami przybierała różne formy.
Unieszkodliwianie odpadów komunalnych polega na składowaniu ich na wysypiskach śmieci lub spalaniu. Nowoczesne składowiska odpadów komunalnych oraz spalarnie to jedne z najambitniejszych zadań inżynierii budowlanej. Jednak każda z tych metod przyczynia się do bezpowrotnej utraty wielu cennych surowców, które są zawarte w odpadach. W trosce o środowisko naturalne na opakowaniach często umieszcza się piktogramy, ułatwiające ich charakterystykę lub informujące konsumenta, jak należy postępować z tymi opakowaniami oraz wyrobami, które się w nich znajdują.

Ciekawostka

W Japonii, gdzie rocznie wytwarza się ok. 1000 kg odpadów na osobę, nie buduje się już tradycyjnych wysypisk śmieci. Kraj Kwitnącej Wiśni postawił na zgazowanie nieczystości. Proces ten przeprowadza się w wysokiej temperaturze (600–1200°C), w obecności powietrza lub pary wodnej. Prowadzi on do otrzymania palnego gazu, który jest wykorzystywany do produkcji energii cieplnej i elektrycznej. Metoda zgazowania pozwala otrzymać więcej energii niż podczas tradycyjnego spalania śmieci. To prosty sposób na pozbycie się dużej ilości odpadów, z korzyścią dla gospodarki i środowiska.

Doświadczenie 3.8.2.

Problem badawczy:  
Jakie zagrożenia niesie ze sobą spalanie przedmiotów wykonanych z PVC?
Hipoteza: 
Podczas spalania przedmiotów wykonanych z PVC powstają toksyczne substancje chemiczne.
Co będzie potrzebne: 
  • sprawny wyciąg,
  • próbka z PVC,
  • szczypce metalowe,
  • palnik,
  • tryskawka z wodą destylowaną,
  • uniwersalny papierek wskaźnikowy.
Instrukcja: 
  1. 1.
    Do płomienia palnika wprowadź próbkę poli(chlorku winylu), trzymając tworzywo w metalowych szczypcach. Doświadczenie należy wykonać pod sprawnie działającym wyciągiem.
  2. 2.
    Po chwili wyjmij próbkę z płomienia i sprawdź, czy nadal się pali.
  3. 3.
    Nad gorącą próbką, zaraz po jej zgaszeniu, umieść zwilżony wodą uniwersalny papierek wskaźnikowy.
  4. 4.
    Obserwuj zachodzące zmiany.
Podsumowanie: 
PVC powoli mięknie, trudno się zapala, a płomień przyjmuje żółtą barwę (na brzegach – zieloną). Ponadto powstaje szarobiały dym o ostrym, gryzącym zapachu. Po wyjęciu palącej się próbki z płomienia ogień gaśnie. Wilgotny papierek wskaźnikowy, pod wpływem wydzielającego się gazu, zmienia barwę z żółtej na czerwoną, co świadczy o charakterze kwasowym tego gazu. Te obserwacje prowadzą do wniosku, że w produktach spalania PVC znajdują się sadza oraz toksyczny chlorowodór, który w kontakcie z wodą tworzy kwas solny. Poza tym podczas spalania poli(chlorku winylu) wydzielają się bardzo szkodliwe substancje m.in.: tlenek węgla(II) i dioksyny.

Ciekawostka

Dioksyny to bardzo toksyczne substancje powstające w sposób naturalny w przyrodzie oraz w wyniku działalności człowieka. Tworzą się (w śladowych ilościach) podczas różnych procesów chemicznych oraz samorzutnie podczas spalania drewna (także w trakcie pożarów lasów) i wszelkich związków organicznych. Wielokrotnie więcej dioksyn przedostaje się do naszych organizmów wraz z grillowanymi potrawami, a także na skutek palenia drewna w otwartych i źle wentylowanych kominkach. Przypisuje się im właściwości rakotwórcze, teratogenne (stanowią zagrożenie dla płodu) i alergiczne. Uszkadzają ważne składniki układu hormonalnego, głównie: estrogen, testosteron, insulinę i hormony tarczycy. W 90% przenikają do organizmu z pożywieniem. Ostatecznie gromadzą się w wątrobie i tkance tłuszczowej. Najgroźniejszą z dioksyn jest TCDD, 10 000 razy bardziej toksyczna od cyjanku potasu.
Alternatywą dla unieszkodliwiania śmieci jest ich recykling, dzięki któremu materiały tworzące odpady mogą być wielokrotnie przetwarzane i wykorzystywane, co przyczynia się do ograniczenia zużycia surowców naturalnych, prowadzi do oszczędności energii, a w konsekwencji ma wpływ na ochronę środowiska. Wyróżnia się kilka rodzajów recyklingu: surowcowy (chemiczny), materiałowy (fizyczny), organiczny, energetyczny. Punktem wyjścia do stosowania tej metody jest selektywna zbiórka odpadów, ponieważ praktycznie każdy odpad może być potencjalnym surowcem.

Polecenie 3.8.3.

Jakim rodzajem recyklingu jest depolimeryzacja polietylenu?

Wskazówka

Depolimeryzacja polietylenu, którą można opisać równaniem reakcji:
to proces odwrotny do reakcji polimeryzacji.

Ciekawostka

Miasto Meksyk to jedna z największych metropolii na świecie, toteż śmieci stanowiły (i stanowią) tutaj niemały problem. W latach pięćdziesiątych XX wieku legendarny król śmieci – Rafael Gutierrez Moreno – uczynił z odpadów mafijny interes. Wpadł na pomysł, aby zebrane śmieci segregować i odsprzedawać firmom do powtórnego przetworzenia. W ten sposób zarabiał na nich podwójnie i dzięki temu udało mu się zgromadzić majątek wart ok. 80 mln dolarów. Obecnie rynek odpadów komunalnych to bardzo dochodowy interes, ponieważ jego wartość szacuje się na 410–430 mld dolarów.
Każda z metod zagospodarowania śmieci ma zarówno zalety, jak i wady. Racjonalna gospodarka odpadami w naszym kraju powinna znacznie zmniejszyć ilość, jak i rodzaj przedmiotów trafiających na wysypiska śmieci.

4. Biodegradacja

Wszechobecna w naszym życiu torba foliowa, której produkcja trwa zaledwie 1 sekundę, jest wykorzystywana przez człowieka średnio przez 18 minut, a rozkłada się w środowisku przez 100–400 lat. Jeszcze więcej czasu potrzebuje butelka typu PET. Degradacja produktów polimerowych w środowisku naturalnym jest procesem długotrwałym. Dlatego, jeśli tylko jest to możliwe, wprowadza się tworzywa, które ulegają rozkładowi pod wpływem mikroorganizmów (grzybów i bakterii), czyli polimery biodegradowalne. Polimer można uznać za biodegradowalny, jeśli rozłoży się całkowicie w glebie lub w wodzie w ciągu 6 miesięcy. Biodegradacja może zachodzić w warunkach tlenowych lub beztlenowych, a jej produktami są m.in.: tlenek węgla(IV), woda i humus.

Ciekawostka

Rozwój wiedzy w dziedzinie ekologii uwidocznił, że należy rozpatrywać negatywny wpływ opakowań na środowisko nie tylko w fazie odpadów, ale w całym cyklu ich stosowania. Dlatego producenci tworzyw biodegradowalnych dążą do otrzymywania tych materiałów z surowców odnawialnych, a nie z paliw kopalnych. Przykładem może być tzw. zielony polietylen (patrz na schemat) wyprodukowany przez brazylijski koncern petrochemiczny Braskem. Podobną innowację wprowadziła firma Coca-Cola Company, otrzymując butelki typu Plant PET, do których produkcji stosuje się kwas tereftalowy, pochodzący co prawda z przetwarzania ropy naftowej, ale glikol etylenowy otrzymuje się już z etanolu, który pozyskiwany jest na drodze fermentacji alkoholowej polisacharydów. Proces ten pozwala nie tylko ograniczyć ilość zużywanych paliw kopalnych, lecz także przyczynia się do redukcji tlenku węgla(IV).

Podsumowanie

  • Odpady powstają ze zużytych oraz niepotrzebnych materiałów i przedmiotów, w wyniku bytowania i działalności gospodarczej człowieka. Te, które wytwarzamy w gospodarstwach domowych, to tzw. odpady komunalne.
  • Największy procent wśród odpadów komunalnych stanowią opakowania.
  • Największą objętościowo grupę odpadów stanowią śmieci z tworzyw sztucznych.
  • Do metod zagospodarowania odpadów komunalnych zalicza się: składowanie odpadów na wysypiskach śmieci, spalanie, recykling (surowcowy, materiałowy, organiczny, energetyczny).
  • Kompostowanie i fermentacja to metody zagospodarowania odpadów organicznych (recykling organiczny).
  • Produkcja opakowań jednorazowych z polimerów biodegradowalnych przyczynia się do zmniejszenia liczby odpadów. Otrzymywanie tych polimerów z surowców odnawialnych pozwala ograniczyć zużycie paliw kopalnych i emisję tlenku węgla(IV).

Praca domowa

Polecenie 3.8.4.

Problem 1.
Każdy mieszkaniec Szwecji rocznie wytwarza ok. 500 kg odpadów, z czego 20 kg trafia na wysypisko śmieci. Polak rocznie produkuje ok. 320 kg śmieci, z czego na wysypisko odprowadza się 300 kg. Podaj przyczyny tak dużej różnicy pomiędzy ilością odpadów składowanych w Szwecji i w Polsce.
Problem 2.
Zinterpretuj diagram przedstawiający hierarchię postępowania z odpadami:
Problem 3.
Wyszukaj w dostępnych źródłach informacji ciekawe pomysły na wykorzystanie śmieci.

Słowniczek

Definicja

biodegradacja –
biochemiczny rozkład związków organicznych na prostsze składniki chemiczne zachodzący pod wpływem organizmów żywych

Definicja

odpady –
niepotrzebne lub zużyte przedmioty i materiały, wytworzone w wyniku działalności przemysłowej, gospodarczej i bytowania człowieka, nieprzydatne w miejscu i w czasie, w którym powstały

Definicja

odpady komunalne –
odpady wytwarzane w gospodarstwach domowych

Definicja

recykling –
system obiegu materiałów zawartych w odpadach, które mogą być wielokrotnie przetwarzane i wykorzystywane

Definicja

unieszkodliwianie odpadów –
przekształcenie odpadów w celu doprowadzenia ich do stanu, który nie stwarza zagrożeń dla życia lub zdrowia ludzi oraz dla środowiska

Definicja

utylizacja odpadów –
całkowite lub częściowe zniszczenie odpadów w wyniku celowej działalności człowieka

Zadania

Zadanie 3.8.1.

Zadanie 3.8.2.

Zadanie 3.8.3.

Zadanie 3.8.4.

Zadanie 3.8.5.

Zadanie 3.8.6.

Zadanie 3.8.7.