Makromolekulární Látky a Ekologie

Makromolekulární chemie se zabývá sloučeninami, jejichž příznačným znakem je makromolekula, tj. molekula s velkou hmotností a řetězovitým uspořádáním atomů. Její tvar bývá přirovnáván k dlouhé šňůře perel, navlečených na nesnadno ohebné niti. Makromolekula je vláknitý a buď lineárně protažený, nebo klubkovitě propletený soubor molekul.

V makromolekulární látce mohou být vláknité makromolekuly uspořádány volně tak, že jen chabě souvisí (lineární uspořádání), nebo jsou navzájem spojeny příčnými vazbami (plošné větvení) a konečně mohou být velmi pevně spojeny síťováním (trojrozměrné větvení). Toto geometrické uspořádání ovlivňuje skupenský stav makromolekulární hmoty a různě se projevuje i ve styku makromolekulárních látek s rozpouštědlem. Látky s lineární strukturou molekul se snadno rozpouštějí, látky s plošným větvením molekul se rozpouštějí již hůře nebo jen bobtnají, a jsou-li molekuly prostorově síťovány, pak tyto látky jen omezeně bobtnají a nepřejdou ve viskózní roztok.

Nejjednodušší makromolekula je vláknitý (nevětvený) řetězec, složený z velkého počtu monomerních jednotek. Délku makromolekul můžeme vyjádřit molární (relativní molekulovou) hmotností. Makromolekulární látky mohou být přírodního původu (např. dřevo, rostliny, ropa, zemní plyn, kaučuk) nebo syntetického původu (mohou být i anorganického charakteru - např. silikony).

To, co však odlišuje polymery, je, že mají velké molekuly, tzv. v nichž se jako článek v řetězu mnohokrát opakuje základní konstituční jednotka „mer“ (mer = díl, viz obr. 1). (Polykondenzát znamená látku složenou z několika merů).

Molární hmotnost polymerů dosahuje obvykle hodnotu 10⁴ g/mol, zatímco molární hmotnost nízkomolekulárních látek může být méně než 100 g/mol (např. molární hmotnost H₂O ~ 18 g/mol).

Čtěte také: Emise znečišťujících látek: přehled

Historie polymerů je mnohem starší, než většina z nás předpokládá. V Evropě je znám již od roku 1496, kdy se Kryštof Kolumbus vrátil ze své druhé cesty do Nového světa. Trvalo však dalších téměř tři sta let, než kaučuk našel první uplatnění. Jedná se o materiál s velkou pružností, který je schopen se účinkem vnější síly výrazně deformovat a po té opět zaujmout původní tvar.

Přírodní, surový kaučuk (latex) se získává z tropického stromu kaučukovníku brazilského nařezáním jeho kůry (viz obr. 4). upravuje srážením (např. kyselinou mravenčí), pere vodou a suší. sesítěním) se vyrábí pryž. V roce 1770 se začaly kaučukové kostičky používat na gumování. pomocí vulkanizace sírou. V roce 1888 byla britským vynálezcem Johnem Boydem Dunlopem patentována pneumatika.

Malajský lékař Wiliam Montgomerie všiml, že tamní domorodci z ní vyrábějí rukojeti k nožům a bičům. vytékající po naříznutí z některých stromů sbírána a zasílána k vědeckému zkoumání a průmyslovému zpracování do Anglie. Michael Faraday zjistil, že gutaperča je výborným izolantem elektrického proudu a to i v prostředí kapalné vody. ke gigantickému projektu propojení Evropy s Amerikou transantlatickým kabelem. první použil k izolaci podmořských telegrafních kabelů.

Průkopníkem syntetického (tzn. uměle připraveného) polymeru se stal nitrát celulózy, který byl popsán již v roce 1846. materiál se z počátku využíval jako výbušnina, teprve později k přípravě polymeru. polymeru nebyl žádný významný průmysl, ale kulečník (hra, která dosáhla nesmírné popularity v druhé polovině 19. století). kritický, že výrobci kulečníku vypsali soutěž na dokonalou náhradu slonoviny, kterou dotovali částkou 10 tis. dolarů. při pokojové teplotě připomínal skutečně slonovinu. elektrotechnice, ale jeho vůbec první aplikací byl knoflík rychlostní páky luxusního Rolls-Royce. počátku minulého století. Vzájemný vztah mezi vývojem polymerů a elektrotechnikou ostatně pokračuje do současnosti.

Od konce čtyřicátých let se vývoj polymerních materiálů zrychloval. akrylonitril-butadien-styren (ABS). množství různých kopolymerů, které se připravují ze dvou nebo více druhů monomerů (tento pojem si vysvětlíme později). brzdily zavádění úplně nových materiálů. polysulfony (PSU) a polyimidy (PI). na přípravu polymerních směsí, které umožnily získat nové materiály jednoduchou kombinací vhodných složek (např. připravit polymerní směs uspokojivých vlastností téměř z libovolné kombinace výchozích polymerů. uvedena vlákna z takzvaných aromatických polyamidů známá pod obchodním označením Kevlar. v leteckém i automobilovém průmyslu nebo ve sportovním odvětví. přípravy polymerních kompozitů, ale také tzv. však představují nejvýznamnější segment ze všech materiálů podle objemu výroby a spotřeby. vlastnostmi a cenou. Na vlastní výrobu plastů i na jejich zpracování je vynaloženo mnohem méně energie i práce než u kovů. plasty předčí kovy svou odolností vůči chemikáliím. tlumit rázy a vibrace. U vybraných polymerů je výhodou také jejich průhlednost. použitelnost polymerů limitují. čímž se rozumí změna rozměrů zatíženého polymeru při dlouhodobém působení konstantního napětí apod. materiálů jsou shrnuty na obr.

Čtěte také: Návykové látky a zdraví v ČR

Celosvětové produkce polymerů neustále vzrůstá a v roce 2012 dosahovala 288 mil. tun ročně (57 mil. činila v celosvětovém měřítku produkce polymerů pouze 1,7 mil. tun za rok, viz obr. stále více prosazují jako konstrukční materiály, které nachází uplatnění v širokém měřítku průmyslových odvětví, viz obr. 2. nezbytně potřebuje. Jedná se např. a ekologicky přijatelnou technologii výroby, ale také o povrchové a estetické vlastnosti.

Významného pokroku ve vývoji ekologických solárních článků dosáhli vědci z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR ve spolupráci s výzkumníky z Linköpingské univerzity ve Švédsku. Vyvinuli organické solární články, které přinášejí ekologičtější alternativu k tradičním křemíkovým panelům. Jejich nová technologie je srovnatelná s křemíkovými panely, výhodou je ale její nižší ekologická zátěž i výrobní náklady. V organických článcích se nevyskytují těžké kovy a k jejich výrobě nejsou třeba toxická rozpouštědla. Vědci k výrobě použili revoluční přístup využívající polymery a funkční organické materiály.

Recyklace Polyolefinů

Základním předpokladem pro úspěšnou recyklaci jakéhokoliv druhu odpadu je existence vhodného systému jeho sběru a následného dotřídění na dotřiďovacích linkách. V praxi se na dotřiďovacích linkách oba materiály třídí jednak na barevné a čiré fólie (odděleně HDPE a LDPE) a tzv. duté obaly, což je směs PP a HDPE láhví. Oba materiály se navíc vyskytují i v tzv. směsných plastech, které kromě obalů mohou obsahovat i neobalové výrobky. Takto roztříděné skupiny se lisují do balíků a odvážejí k vlastní recyklaci.

Recyklace obou materiálů je velmi podobná a má několik forem:

• Drcení a mletí: Velmi častou a zároveň nejjednodušší metodou recyklace jak pevných, tak flexibilních obalů z polyolefinů je drcení a mletí. V případě pevných obalů dochází k drcení a mletí na tzv. flakes, tj. částečky o velikosti cca 10 x 10 mm. Pokud výrobce flaků garantuje jejich složení, mohou být použity rovnou k výrobě nových produktů. U flexibilních obalů je proces trochu složitější. Jelikož je výstup z procesu drcení a mletí příliš lehký a špatně se s ním manipuluje, navazuje na něj proces aglomerace. Ta spočívá ve vhánění plastové drtě do válce pomocí vzduchu, přičemž zde pomocí tření vzniká teplo a drť se „speče“ do malých pevných a nepravidelných kousků, tj. aglomerátu. S ním je již možné pracovat stejně jako s pevnými drtěmi. Provozovatelů mlecích a drtících technologií jsou v ČR desítky.
• Regranulace: Mnohem náročnější je výroba regranulátu, tj. recyklovaného materiálu ve formě granulí o přesně daném složení. Regranuláty mají o něco horší vlastnosti než granuláty, což je standardní forma, v níž jsou dodávány plasty z primárních surovin (např. ropy). Na druhou stranu jsou však často levnější. Stejně jako v případě flaků a aglomerátu i u regranulátu musí být garantováno jejich materiálové složení a další fyzikálně-chemické parametry. K tomu je nezbytné zbavit původní odpady všech nežádoucích příměsí a nečistot, mezi které řadíme zbytky obsahu, materiály etiket, lepidla, víčka, prachové částice atd. Pro dosažení kvalitního regranulátu je rovněž zcela zásadní oddělení od sebe jednotlivých polymerů. Přestože jsou si PP a HDPE velmi podobné, ve větším množství se vzájemně kontaminují a zhoršují své vlastnosti. Z výše uvedeného tak vyplývá, že k regranulace je potřeba složité zařízení, které je vybaveno celou řadou separátorů, filtrů a rovněž několikastupňovým praním. V praxi se provozují regranulační linky zvlášť na duté obaly a na fólie.
• Intruze do forem (IM): Další metodou recyklace pevných i flexibilních polyolefinů je tzv. intruze do forem (angl. injection moulding - IM). Tato metoda spočívá ve vtlačování nadrcených plastů do forem, ve kterých se zahřívají na teplotu okolo 200 °C, při níž se taví a získávají nový tvar. Tímto způsobem se vyrábí např. plastová prkna, palubky, hranoly, kůly nebo zatravňovací dlažby či prvky protihlukových stěn.

Výše popsané metody představují tzv. mechanickou nebo též fyzikální recyklaci spočívající v použití mechanických procesů, jako jsou drcení, mletí, čištění, separace, sušení či regranulace k vytvoření recyklátu. Jedná se o tradiční formu recyklace, jež má však své limity související zejména s neustálým vývojem plastových materiálů, které v řadě případů obsahují další přídatné látky komplikující recyklaci.

Čtěte také: Alkohol a řízení

Z toho důvodu se v poslední době stále častěji hovoří o tzv. chemické recyklaci, která by fyzikální metody mohla doplnit. Chemická recyklace využívá chemické procesy, jimiž se makromolekulární látky, tj. polymery, rozpadají na látky nízkomolekulární, z nichž byly polymery původně vyrobeny. Masivnímu rozšíření tohoto způsobu recyklace brání především následující:

• nižší úroveň znalostí a zkušeností než v případě mechanické recyklace (celosvětově jsou závody na chemickou recyklaci, až na pár výjimek, zatím v předkomerční fázi);
• značné investiční náklady (vzhledem k složitosti procesů chemické recyklace je výstavba závodů mnohem nákladnější než v případě mechanické recyklace);
• poměrně nízká výtěžnost (značný nepoměr mezi množstvím vstupů (odpadů) do procesu chemické recyklace a množstvím získaných druhotných surovin);
• vysoká cena surovin k výrobě plastů získaných z procesu chemické recyklace (ve srovnání s primárními surovinami nebo surovinami získanými z procesů mechanické recyklace).

Instalovaná Recyklační Kapacita v EU

Podle organizace Plastics Europe Recyclers (PRE) tvořila v roce 2019 instalovaná recyklační kapacita pro PE (HDPE a LDPE) a PP bezmála polovinu z celkové instalované recyklační kapacity všech polymerů v EU28. Poměr mezi instalovanou kapacitou pro pevné (HDPE a PP) a flexibilní (zejména LDPE) polyolefiny je zhruba 2:3.

Jak je patrné z Grafu 1, největšími recyklačními kapacitami v EU disponují Německo, Itálie, Španělsko, Francie a Nizozemsko. Zároveň je třeba zdůraznit, že odchodem Velké Británie přišla EU skoro o pětinu z celkové instalované kapacity pro HDPE/PP.

Aplikace Recyklátů z Pevného PE a PP

Odvětví, v nichž se uplatňují recykláty z pevných polyolefinů (rHDPE a rPP) jsou v podstatě tytéž jako u primárních polymerů. Odlišují se však mírou aplikace. Jestliže u obou primárních surovin převládal obalový průmysl, tak u jejich recyklátů je to především stavebnictví (zejména rHDPE) a automobilový průmysl (rPP).

Recyklovaný HDPE nachází největší uplatnění ve výrobě trubek a rour, a to především z toho důvodu, že zde není kladem důraz na barvu a zápach, resp. vůně, kterou si recyklát uchovává ze svého primárního použití, není překážkou. Jelikož se jak HDPE, tak PP používá k výrobě obalů pro drogistické zboží, je běžné, že recyklát z těch odpadních toků voní po avivážích, pracích prostředcích nebo sprchových gelech. Zároveň však může zapáchat například od čisticích prostředků. Snahou recyklátorů je tyto pachy eliminovat, a tím rozšířit možnosti aplikace recyklátů.

Recyklát z PP se v automobilovém průmyslu používá k výrobě produktů technikou vstřikování. Dále se poměrně hojně uplatňuje v elektronice a elektrotechnice. O něco méně pak ve stavebnictví, kde se z něj stejně jako z rHDPE vyrábí trubky a také desky.

Po obou materiálech vzrůstá rovněž poptávka v obalovém průmyslu. Používají se zejména na výrobu přepravních obalů a obalů, které nejsou ve styku s potravinami. Zde můžeme v některých případech hovořit o tzv. uzavřené recyklační smyčce, což znamená, že je odpadní produkt použit k výrobě totožného výrobku. Kupříkladu z přepravky je vytvořen recyklát, který je následně použit k výrobě přepravky nové.

Je však třeba zdůraznit, že množství recyklátu použitého v jednotlivých odvětvích netvoří ani čtvrtinu jejich reálné spotřeby. Pro názornou ukázku jsou odhadované podíly v rámci odvětví uvedeny v Tabulkách 1 a 2.

Aplikace Recyklátů z Flexibilních PE a PP

V úvodu je třeba říci, že z těchto dvou polymerů je ve vyšší míře recyklován pouze PE. Fólie z PP mohou být recyklovány pouze prostřednictvím IM technologií. Z toho důvodu bude další text věnován pouze recyklátům z PE.

V případě recyklátu z flexibilního polyethylenu je situace obdobná jako u pevného, s tím rozdílem, že procentuální rozložení mezi jednotlivými oblastmi aplikace je více méně stejné. Více než polovina recyklátu připadá na výrobu různých druhů fólií, které nepřichází do styku s potravinami (non-food contact), čtvrtina je použita k výrobě pytlů a sáčků a přibližně desetina putuje ve formě fólií do zemědělství. Méně se pak recykláty z flexibilního PE využívají k výrobě odpadkových pytlů, stavebních fólií a odnosných tašek.

Míra využití recyklátů je však v porovnání s pevnými polyolefiny výrazně vyšší. V některých oblastech značně převyšuje i padesát procent. Nejvíce jsou recykláty upřednostňovány ve výrobě odnosných tašek, kde je primární materiál zastoupen méně než z 10 %. Téměř 70 % recyklátu je používáno rovněž ve výrobě odpadkových pytlů a sáčků a bezmála 60 % k výrobě stavebních fólií.

Omezení Využití Recyklátů

Většímu využití recyklátů z PE a PP k výrobě obalů přicházejících do styku s potravinami brání absence dokumentu upravujícího kritéria hodnocení jejich bezpečnosti. Veškeré recyklované polymery, které mohou přijít do styku s potravinami, musí být posouzeny z hlediska bezpečnosti Evropským úřadem pro bezpečnost potravin (EFSA). Doposud však EFSA vydala dokument s hodnotícími kritérii pouze pro polyethylentereftalát (PET). Z toho důvodu mohou být např. nápojové PET láhve vyrobeny ze směsi primárních polymerů a recyklátu, kdežto kelímky na jogurty z PP musí obsahovat pouze primární materiály.

Největší překážkou při využívání recyklátů je odlišnost jejich fyzikálních parametrů (např. viskozita, index toku taveniny nebo vizuální vlastnosti) oproti primárním materiálům. Rozdíly jsou způsobeny tím, že recyklát je sice směs jednoho druhu polymeru, avšak zpracovaného různými způsoby. Jednotlivé části směsi tak například obsahují různá aditiva, neboli přísady, které se přidávají do plastů ke zlepšení jejich vlastností (jsou jimi např. změkčovadla, stabilizátory, pigmenty, plniva nebo retardéry hoření). Problém spočívá v obtížnosti určování jejich přítomnosti a množství, a tudíž i vlastností a chování této směsi ve výrobních technologiích. Z toho důvodu jsou především u náročnějších aplikací upřednostňovány primární materiály, u nichž jsou parametry standardizovány, tudíž u výrobků z nich vyrobených je zajištěno dosažení požadované kvality.

Dalším omezením využívání recyklátů je jejich dostupné množstvím na trhu. To je v nemalé míře ovlivněno výtěžností těchto polymerů v rámci sběrné sítě.

Biologická úprava odpadů

Biologická úprava odpadů je založena na biochemických reakcích, které jsou řízeny biologickými katalyzátory - enzymy. Je nezbytné, aby mikroorganismy, které se na těchto pochodech podílejí, obsahovaly patřičné enzymy nebo jejich komplexy. To je základní podmínka pro úspěšné použití biologických metod.

Při aplikaci biologických metod je nezbytná znalost zákonitostí biologického odbourávání. Cíle biologické úpravy odpadů mohou sledovat několik zcela rozdílných cílů. Jedním z nich je snížení nebezpečnosti. Dalším cílem je změna vlastností látky změní jeho vlastnosti tak, že ztratí svoji nebezpečnost.

tags: #makromolekulární #látky #ekologie

Oblíbené příspěvky:

• Zdravý rozvoj dětí
• Parametry nádob na medicinální odpad
• Technické řešení nestandardních pozic připojení
• Legislativa pro stravování ve školách v přírodě
• Literatura a medialita