Воронежские открытия: что создали ученые региона. Разлагающие пластик компоненты

РИА «Воронеж» продолжает проект «Воронежские открытия». Журналисты рассказывают о перспективных разработках ученых региона, которые уже внедрили или готовятся внедрить в производство. В новом выпуске речь идет о биоэкономике и полимерных композитах.

Биоразлагаемые упаковочные материалы давно уже вызывают интерес во всем мире, так как дают шанс избавиться от засилья мусора на планете. Исследования в этом направлении более десяти лет ведет группа ученых ВГУИТ под руководством профессора Владимира Корчагина. Доценты кафедры промышленной экологии, оборудования химических и нефтехимических производств ВГУИТ Артем Протасов и Любовь Студеникина работают над созданием композитных материалов – полимеров с наполнителями, которые способствуют быстрому разрушению пластика. Ученые рассказали, где могут найти применение такие разработки.

Натуральные наполнители

– Направления, в которых мы работаем, – это биоэкономика (растениеводство, биологическая очистка сточных вод, биоразлагаемые упаковки) и создание полимерных композитов. В отличие от обычного пластика, полимерные композиты можно модифицировать так, чтобы они имели определенные свойства – например, параметры водопоглощения и биодеструкции, – и регулировать эти свойства под конкретную задачу, – рассказала Любовь Студеникина.

Ученые ВГУИТ получили уже около 20 патентов на такие изобретения. У полученных продуктов может быть много сфер применения: это и упаковка пищевых продуктов, и удобрения с пролонгированным сроком действия, и биофильтрация воды. В основе композитов – матрица из полимеров, которая заполняется натуральными компонентами, такими как целлюлоза, крахмал, мел. В результате доля полимеров в полученных продуктах снижается до 30%. Остальное – безопасные для природы и человека элементы.

Польза от этого по меньшей мере тройная. Во-первых, ресурсосбережение, то есть экономия невозобновляемых источников сырья, из которого делают полимеры. Во-вторых, наполнители легко разлагаются и способствуют биоразложению пластика. В-третьих, сами эти наполнители – продукт отходов пищевых производств, которые таким образом утилизируются.

– Традиционный пластик – полиэтилен, полипропилен – мы можем модифицировать и сделать его биоразлагаемым. Если в горшок из такого пластика посадить дерево, то саженец потом не потребуется извлекать, чтобы пересадить в открытый грунт. Посадить саженец можно прямо в горшке: емкость через некоторое время разрушается, сквозь нее прорастает корневая система, – рассказал Артем Протасов.

Полезные отходы

– При производстве растительных масел на одну тонну образуется порядка 200 кг отхода – соапстока, содержащего ценные жирные кислоты. Мы сделали установку, которая в два-четыре раза ускоряет выделение этих кислот. Далее на базе этих отходов создаем добавки, способные придать традиционному пластику деструкцию. Гранулы добавляются в стандартную полимерную пленку, и она приобретает новые свойства, – объяснил ученый.

Из такого пластика можно изготавливать биофильтры для очистки сточных вод. Сейчас биофильтры делают из обычного пластика – это полипропиленовые шары, на которых микроорганизмы размножаются, создают биомассу, забирают из воды загрязняющие вещества и обезвреживают их.

– Мы предлагаем для биофильтров не просто полипропилен, а продукт с ценными компонентами, который поможет выживанию микроорганизмов. Если в воде количество питательных веществ уменьшается, то биоценоз может погибнуть. Мы хотим использовать специальную насадку, которая на 30% состоит из синтетических термопластов, остальное – наполнители. За счет питательных веществ в наполнителе микроорганизмы, закрепляющиеся на насадке, не погибают при обедненном стоке воды. Кроме того, этот биоразлагаемый продукт можно утилизировать после использования, – рассказала Любовь Студеникина.

Также из полимерных композитов можно производить удобрения с пролонгированным сроком действия, с оболочками из природных полимеров. В почву питательные вещества поступают постепенно, по мере разложения оболочек.

Растения без почвы и биофильтры для стоков

Полимер, составляющий основу композитных материалов, не может полностью разложиться. Не означает ли это, что при использовании таких продуктов есть риск засорения окружающей среды микропластиком?

Ученые ВГУИТ уверены, что такой опасности нет.

– Если молекулярная масса полимера составляет 100 тыс. единиц и более, то при механическом измельчении она не меняется. Но после разрушения наших продуктов полимер не просто измельчается, он деструктурируется, так что уменьшается даже его молекулярная масса – она составляет всего около 5 тыс. единиц. Это уже олигомер, а не полимер, и по структуре он напоминает пчелиный воск. Частицы, которые оставляют шины автомобиля при истирании об асфальт, намного сильнее засоряют окружающую среду. Полимеры содержатся в косметике, шампунях, лаке для волос, но нас не беспокоит, что они, смываясь, попадают в воду, – объяснил Артем Протасов.

На основе синтетических термопластов, наполняя их природными полисахаридами – целлюлозой, крахмалом, отходами растительных масел, – можно делать, например, субстрат для гидропоники, чтобы выращивать растения без почвы, или искусственное кокосовое волокно.

Если будет введен запрет на пластиковую упаковку, то прежде всего это коснется одноразовых контейнеров, в которых продаются продукты. Такие отходы, как упаковки от молока или мяса, вернуть в рециклинг дороже, чем утилизировать. Полностью разлагаемый пластик обойдется очень дорого. А вот композитный пластик намного дешевле. Образцы упаковок из него – например, подложек для пищевых продуктов – воронежские ученые уже могут предоставить.

Компостируемый пластик

Еще одно направление работы ученых ВГУИТ – компостируемые пластики, разлагающиеся полностью и быстро, всего за полгода превращаясь в гумус. Они идеально подходят для изготовления упаковок от фастфуда, которые экономически невыгодно вторично перерабатывать, проще утилизировать.

Полистирол, из которого обычно и делают одноразовые упаковки, накапливается в окружающей среде. Его можно заменить полностью водорастворимыми и биоразлагаемыми полимерами, но такие упаковки будут стоить едва ли не дороже самого фастфуда. А вот если модифицировать пластик, наполнив его целлюлозой и крахмалом, то стоимость можно снизить в два раза, что сопоставимо с обычной полиэтиленовой пленкой. Правда, такой материал не должен контактировать с водой, поэтому область применения у него узкая.

– Это работа на перспективу. Сейчас на рынке избыток полистирола, из него делают контейнеры, подложки, потому что технология отработана и сырья хватает. Но если пластик запретят из соображений заботы об экологии, то у нас есть готовое решение, – отметил Артем Протасов.

Из компостируемого пластика можно делать биоразлагаемые мешки, в которые осенью собирают листья. Мешок полностью разложится вместе с листьями через два-три года.

– Параллельно с нашими разработками развиваются биотехнологии переработки отходов – например, вермикомпостирование, то есть ускорение переработки органики и производства компоста с помощью червей. Если совмещать различные технологии, это усилит эффект, – считает Любовь Студеникина.

Ученые ВГУИТ получили лабораторные образцы разных видов своей продукции, но это только первый этап. Чтобы разработанные продукты поступили в производство, необходимо получить промышленный образец. Пандемия привела к тому, что многие индустриальные партнеры вуза приостановили свои проекты. С другой стороны, экономический кризис повышает актуальность композитных полимеров. Ведь самый дорогостоящий элемент этих продуктов – полиэтилен. И если до пандемии он стоил 70 рублей, то сейчас – уже 160 (за 1 кг), так что появляется смысл его экономить за счет того же крахмала стоимостью 60 рублей. Здесь уже речь не об экологии, а об экономической привлекательности технологии в современных условиях, что должно заинтересовать производителей.