Из всего комплекса глобальных проблем, стоящих перед человечеством, наиболее острой является экологическая, вызванная поступлением в окружающую среду вредных и опасных веществ. Одним из решений этой проблемы является переработка и утилизация отходов производства, создание вторичного сырья, новых композиционных материалов, управление отходами деятельности человека [5, 9, 13].
Одним из важных приоритетов развития России, обозначенных в «Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации до 2020 г.», является экологическая безопасность экономики. К основным направлениям обеспечения экологической безопасности экономического развития относится в том числе и экология человека – создание экологически безопасной и комфортной обстановки в местах проживания населения, его работы и отдыха, что подразумевает и ликвидацию накопленных загрязнений, и управление бытовыми отходами [7].
Основными принципами государственной политики в области обращения с отходами являются охрана здоровья человека, поддержание или восстановление благоприятного состояния окружающей среды и сохранение биологического разнообразия, участие Российской Федерации в международном сотрудничестве в области обращения с отходами, комплексная переработка материально-сырьевых ресурсов в целях уменьшения количества отходов [10].
Ежегодно в Российской Федерации образуется около 7 млрд т всех видов отходов, из которых используется лишь 2 млрд т, или 28,6% [12]. Часто при уничтожении одного вида отходов образуется другой. Так, при сжигании мусора на специальных заводах в атмосферу поступают крайне вредные вещества, а при их улавливании образуются не менее вредные компоненты в виде шламов, золы и т. п.
Все действующие в цивилизованном мире законы побуждают производителей совершенствовать технологические процессы в направлении минимизации количества образующихся отходов. Производитель несет ответственность за отходы, которые у него образуются в производственном процессе, включая размещение на полигоне, которое становится все более дорогим. Каждое предприятие имеет план управления отходами, план природоохранных мероприятий, согласованный с компетентными органами. Решающее значение приобретают технологии, предотвращающие образование отходов в производственном цикле, снижающие их количество за счет совершенствования основного процесса, вовлечения отходов в переработку и утилизацию [5, 9, 12, 13].
Утилизация полимерных отходов оказалось не менее сложным и дорогостоящим делом, чем производство изделий из полимеров, и почти повсеместно человечество идет по наиболее простому пути — складируя отходы вместе с другим мусором на грандиозных свалках. Кроме того, под полигоны и свалки твердых бытовых отходов ежегодно отчуждается до 10 тыс. га земель, в том числе и плодородных, изымаемых из сельскохозяйственного оборота.
Во многих развитых странах реализуются конкретные комплексные меры по утилизации твердых отходов и внедрение новых биоразлагаемых материалов [2, 6, 8].
В России фактически нет ни государственной, ни муниципальной системы первичного сбора отходов и стимулирующих факторов для населения, есть лишь отдельные, частные инициативы, с трудом пробивающие себе дорогу к решению экологических и экономических задач по утилизации полимеров. Однако некоторое продвижение в этом направлении в России начинает появляться. В июне 2006 г. принят Федеральный закон «Об упаковке и упаковочных отходах». Он предусматривает по отношению к производителям упаковки достаточно жесткие меры. Отчуждение права собственности на упаковку, утратившую свои функциональные качества, является платным для производителей и промышленных потребителей упаковки (речь идет о биологически неразлагаемой упаковке, в первую очередь пластиковой). Размер налога должен покрывать затраты на утилизацию и переработку упаковки — называется цифра в 10 % отпускной заводской стоимости упаковки. Производители упаковки и заводы, использующие эту упаковку, также будут платить сбор за негативное воздействие упаковочного мусора на окружающую среду. Предусматривается введение некой залоговой стоимости упаковки, которая возвращается производителю в случае сдачи использованной упаковки на переработку. Для контроля соблюдения закона будет создан Федеральный координационный центр по обращению с упаковочными отходами. В 2009 в рамках круглого стола обсуждалась, а затем 29.12.2009 была утверждена целевая «Программа развития потребительского рынка на 2010–2012 гг.», в которой был предусмотрен проект «Внедрение биоупаковки в торговые сети Москвы», разработанный Департаментом природопользования и охраны окружающей среды города Москвы. Под данным соглашением подписались известные производители пакетов России: «Союз-полимер», «Поли Пак Сервис», группа компаний «Кристи», «Флексоленд» [9, 10, 12].
С каждым годом увеличивается тенденция общественного признания биоразлагаемых упаковочных материалов. Продукты в такой упаковке уже сегодня можно приобрести в некоторых магазинах Западной Европы. Имеющаяся маркировка изделий из биоразлагаемых материалов признана на европейском рынке упаковки (Рис. 1) . Основополагающая идея получения биоразлагаемых пластиков — повтор природных циклов развития. При полном переходе на биополимеры из возобновляемого сырья отслужившие свой срок упаковочные и другие материалы будут перерабатываться почвой и растениями, замыкая природный углеродный цикл. Следовательно, решается сразу целый ряд проблем: проблема повышенного выброса углекислого газа в атмосферу, проблема токсичных отходов производства и твердых бытовых отходов, а также проблема ограниченности нефтяных и газовых месторождений [1, 2, 11]
Рис. 1. Маркировка изделий из биоразлагаемых материалов.
А — маркировка биоразлагаемых материалов; Б — полимеры из полилактида;
В — полимеры с биодобавкой d2w
Таким образом, биополимеры, по многим оценкам, еще и добавляют проблем: большинство из них изготавливаются из растительного сырья, цена которого на международном рынке постоянно растет. К тому же в процессе выращивания и переработки данного сырья вредных выбросов в атмосферу, по оценкам западных аналитиков, происходит значительно больше, чем при производстве обычных полимеров и изделий из них [3, 4].
С целью создания широкого спектра биоразлагаемых полимерных материалов (ПМ) за рубежом происходит объединение усилий в таких организациях, как Международная ассоциация биоразлагаемых полимеров (IBAW) и Институт оксо - биоразлагаемых пластмасс (OPI). Растет число фирм, производящих биоразлагаемые полимеры и оксо - биоразлагающие добавки для обычных полимерных материалов. Разрабатываются десятки международных стандартов на испытания биоразлагаемых ПМ (ASTM, DIN, ISO, JIS.) [1, 2].
Благодаря стремлению решить экологические проблемы, а также снизить зависимость полимерной отрасли от ископаемых сырьевых продуктов, цены на которые постоянно растут, рынок биополимеров активно расширяется. Наибольший рост мирового рынка биоразлагаемых полимеров, согласно прогнозам аналитиков, ожидается в течение ближайших пяти лет. Мировой рынок биоразлагаемых полимеров в 2011 году оценивался в 1,484 млрд. долларов, в 2016 году его объем в денежном выражении достигнет 4,14 млрд. долларов [1].
Например, аналитики IBAW считают, что уже к 2020 году производство биоразлагаемых пластиков превратится в глобальный бизнес стоимостью 38 млрд долларов. Сегмент упаковочных биоматериалов составляет около 70 % общего объема рынка, что вполне объяснимо, так как широкое использование экологически безопасного и «самоутилизируемого» материала в качестве пищевой упаковки предпочтительнее по сравнению с полимерами из нефти или природного газа. К 2016 году ожидается незначительное уменьшение доли данного сектора до 65 %. В 2011 году в денежном выражении производство биополимеров для упаковки составило 1,04 млрд. долларов, а в 2016 году оно увеличится до 2,7 млрд. долларов [11].
Придание биоразлагаемости многотоннажным промышленным полимерам (полиэтилену, полипропилену, поливинилхлориду, полистиролу и полиэтилентерефталату) может быть обеспечено несколькими способами:
• введением в структуру полимеров молекул, содержащих в своем составе функциональные группы, способствующие ускоренному фоторазложению полимера;
• получением композиций многотоннажных полимеров с биоразлагаемыми природными добавками, способными в определенной степени инициировать распад основного полимера; направленным синтезом биодеградируемых пластических масс на основе промышленно-освоенных синтетических продуктов [8].
На сегодняшний день существует два основных вида биопластиков:
• гидро-биоразлагаемые пластики — созданные из смесей растительных полисахаридов — полиэфиров гликолевой, валериановой, молочной и ряда других кислот, крахмала; процесс разложения у данного вида пластиков значительно короче срока разложения распространенных полимерных упаковочных материалов; в настоящее время у них есть существенный недостаток — отсутствует прочность, поэтому максимальный вес продукта не должен превышать одного килограмма.
• оксибиоразлагаемые пластики — это обыкновенные пластики с биодобавками, которые по внешнему виду они ничем не отличаются от тех, что мы используем в повседневной жизни; они достаточно прочны и удобны в использовании; период их разложения не намного больше, чем у гидро-биоразлагаемых пакетов, поэтому практически повсеместно предпочтение отдается именно этому виду биополимеров; производственный процесс, в случае серийного производства, не будет претерпевать практически никаких изменений, единственное усовершенствование — это процесс добавления биоразлагаемой добавки [2, 8].
Биоразлагаемые добавки — раствор, который добавляется в состав синтетических полимеров, помогающий процессу распада под воздействием кислорода, ультрафиолета и воды. Когда биопластик, обработанный данным раствором, попадает в природные условия, при наличии воздуха, воды и света он превращается в обычный гумус. Срок распада такого полимера не превышает двух лет. Если же пакет будет находиться в других условиях (например, под кучей мусора), куда не проникает ни воздух, ни ультрафиолет, то соответственно он не сможет разлагаться. Однако в случае начала действия добавок, процесс уже не остановится [3, 4].
В общей сложности в мире насчитывается порядка ста видов различных биоразлагаемых полимеров. С каждым годом изделия из них становятся все более популярными и востребованными. Как правило, биоразлагаемая упаковка предназначается пока для расфасовки натуральных продуктов, салатов, деликатесов [2].
В России в последние годы открылось несколько предприятий, выпускающих биополимеры на основе зарубежных разработок и технологий для получения упаковочных материалов используя для длительного хранения продуктов питания в пищевой промышленности.
Таким образом, одним из наиболее эффективных способов решения проблемы накопления и утилизации отходов потребления полимерных упаковочных материалов является производство биоразлагаемых полимеров, способных разрушаться в природе под влиянием химических, биологических или физических воздействий с образованием безвредных веществ - углекислого газа, метана, воды, неорганических компаундов или биомассы.