Статья содержит научные результаты участия авторов в школьном этапе Всероссийского конкурса исследовательских работ и рефератов «Я-исследователь» 2022 года. Авторы исследуют замену традиционного пластика на пластик из биомассы, а также возможные способы снижения использования традиционного пластика.
Ключевые слова: экология, биоразлагаемый пластик, сокращение использования традиционного пластика, осознанный выбор.
Мы много слышим о том, что пластик вредит здоровью человека и экологии нашей планеты. Постоянно видим сюжеты по телевидению, как погибают птицы и животные. Масштабы загрязнения действительно поражают воображение: пластиковый мусор образует целые мусорные острова. В настоящее время таких пятен пять: по два в Тихом и Атлантическом океанах и одно в Индийском. К 2050 г., по расчетам специалистов, в океане может оказаться больше пластика, чем рыбы. [1].
Такая информация расстраивает, но всегда кажется, что это происходит где-то далеко от нас. И что этот вопрос по сохранению нашей планеты уж точно не относится к нам, учащимся второго класса. Но нам стало интересно понять, могут ли биоразлагаемые пластики и ограничение использования пластика быть способом решения экологической проблемы? Для этого мы изготовили биоразлагаемый пластик в домашних условиях, изучили его свойства и ответили на вопрос: какие действия каждого человека в его повседневной жизни могли бы внести значительный вклад в защиту нашей планеты от пластика.
Объект исследования: пластик в повседневной жизни человека
Предмет изучения: свойства биоразлагаемого пластика
Цель работы: создать биопластик из натуральных материалов в домашних условиях и научиться осознанно относиться к использованию пластика в своей жизни.
Задачи работы:
- Изучить литературу по теме исследования.
- Провести опыты по созданию биопластика из разных натуральных компонентов.
- Изучить свойства созданных пластиков.
- Провести акцию: «Осознанное отношение к использованию пластика».
- Сделать выводы.
Гипотеза: мы предположили, что:
– биопластиком из натуральных компонентов можно заменить традиционный пластик
– изменив привычное отношение к использованию пластика, можно снизить его потребление.
Актуальность работы заключается в том, что неосознанное и избыточное использование пластика наносит значительный урон природе и здоровью человека. При этом пластик — необходимый и во многом полезный для нас материал. Но природные ископаемые, используемые при производстве пластика (нефть, уголь), не пополняются в земной коре. Они могут закончиться.
Перед человечеством стоит необходимость создания нового пластика. Он должен быть безвредным для утилизации и производиться из возобновляемого сырья. Но мы думаем, что каждый человек может и должен внести свой посильный вклад в пересмотр своего отношения к использованию пластика. И нам важно поделиться своим опытом в решении этих задач с нашими одноклассниками.
Основные методы исследования — анализ научно-популярной литературы по теме исследования, эксперимент, наблюдение, сравнение.
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Пластмассы — открытие человечества 20 века.
Одним из основных открытий человечества в ХХ веке являются пластмассы. В отличие от других, натуральных материалов (камня, дерева, железа) пластик — материал молодой. Его изобрели в конце 19 века, а производить в промышленных масштабах начали всего только с середины 20 века. То есть фактически ему всего около 70 лет.
1.2. Влияние пластика на окружающую среду и человека
Создание этого нового материала перевернуло жизнь человечества. Новый материал нашел свое применение во всех сферах жизни. С пластиком жизнь стала более комфортна, мобильна и значительно проще. Но уже за такое короткое время человечеству стала очевидна самая большая негативная сторона нового создания: пластиковые отходы долго разлагаются в природе. Разложение может длиться столетиями. Эти отходы наносят колоссальный вред живым организмам, в том числе и человеку.
Ученые подсчитали, что на планете около 7 млрд тонн пластиковых отходов. При этом 6,3 млрд тонн пластика так и не побывали в переработке. [2]
По разным данным каждую минуту в мире человечество использует 1–2 миллиона пластиковых пакетов. Они очень удобны в использовании: достаточно прочные для хранения и перемещения, к тому же дешевые. Но они разлагаются очень медленно. И получается, что использованный один раз пакет тут же становится мусором.
1.3. Решения по уменьшению вреда от пластика
Одним из способов решения проблемы была предложена переработка пластика. У некоторых видов пластмасс есть хорошее качество, позволяющее их повторно перерабатывать. Ведь многократная переработка пластмасс значительно сокращает загрязнение окружающей среды. Но, оказывается, в отличие от других промышленных материалов (стекло, дерево, металл) пластик очень дешевый в производстве, но совсем недешев в переработке.
Основными проблемами являются:
– Разные виды пластика требуют разных технологий переработки
– Переработка пластика возможна только после его мойки, сушки и измельчения
– Такие трудозатраты сильно увеличивают стоимость переработки
– Сортировать пластик может только человек
– Некоторые виды пластика не подлежат переработке
Поэтому, кроме вторичной переработки, есть и другие решения по уменьшению загрязнения планеты пластиком:
– хранить на свалках
– сжигать
– вторично использовать
Все эти способы имеют как свои плюсы, так и минусы.
Хранение на свалках — временная мера. Она никак не решает проблемы, а только накапливает опасные отходы.
Сжигание пластиковых отходов очень вредит экологии. Ядовитые выбросы, попадая в воздух, оказывают катастрофический вред окружающей среде. Отмечается прирост онкологических заболеваний и аллергических реакций среди населения, где располагаются заводы по сжиганию мусора.
Вторичному использованию подлежат не все виды пластика. Например, бутылку с маркировкой «1» (PET или PETE) рекомендуется использовать только один раз.
Использование биоразлагаемых материалов. Именно эта технология нам представляется наиболее перспективной.
1.4. Что такое биоразлагаемый пластик и его особенности
В качестве альтернативы обычному пластику был создан биоразлагаемый пластик. Впервые концепция биоразлагаемого материала была предложена в 1980-х годах. Его особенностью является то, что такой материал разрушается под воздействием специальных условий (вода-воздух-почва-микроорганизмы) от 6 месяцев до 2 лет. В отличие от традиционного пластикового материала, для разложения которой требуется сотни лет.
Но оказывается, биоразлагаемые полимеры могут быть как природными, так и синтетическими. Необходимо верно понимать, какие разновидности биоматериалов существуют:
– состоящие из растительных волокон и животного сырья (кукурузный/картофельный крахмал, пшеницу, сою, волокна свеклы и сахарного тростника, натуральный каучук, животный белок, молочная кислота);
– из целлюлозы (содержится в древесине);
– некоторые виды пластика, произведенные на основе ископаемого топлива (нефть, каменный уголь), но подверженные ускоренному разрушению в окружающей среде благодаря своей химической формуле. Не поддаются переработке, надо собирать отдельно. Например, оболочка таблеток для посудомоечной машины из поливинилового спирта. Она растворяется в воде, но не подлежит переработке с другими пластиками.
Надо понимать: биоразлагаемый не означает, что утилизация может происходить просто на природе. Для всех пластиков, сделанных из биомассы, нужны специальные условия для утилизации (компоста).
Компостирование — это процесс разложения органических отходов. В его результате получается безопасное удобрение для почвы. Для проведения компостирования нужно создание специальных условий.
Некоторые производители называют биоразлагаемыми обычные виды пластика, в состав которого добавляются специальные добавки, которые ускоряют окисление и разрушение пластика. Такой пластик не разлагается, а разрушается на более мелкие частицы — микропластик. Эти мелкие частицы невозможно изъять из окружающей среды. А это значит, что они будут попадать в живые организмы в пищевой цепочке. Это самый опасный пластик. Его настоящее название оксоразлагаемый. Он не является биоразлагаемым. На упаковке такого пластика можно найти данные по названию самой распространенной добавки — D2w. Поэтому очень важно обращать внимание на нанесенную на пластиковые изделия информацию.
Также небиоразлагаемыми являются привычные для нас в России такие пластики как ПЭТ-бутылки и ПЭ (полиэтилен). Они могут производиться как из растительного сырья, так и из нефтепродуктов. Но их можно и нужно сдавать в переработку.
Таким образом, разложиться до безопасных для окружающей среды элементов может только материал, полностью изготовленный из растительного сырья. Именно такой биопластик в домашних условиях мы хотели бы создать: биопластик на основе крахмала, каррагинана и молока.
2. Экспериментальные исследования
Практической частью нашего проекта стало изготовление биопластика в домашних условиях различными способами.
2.1. Опыт № 1. Создание биопластика из крахмала
Мы выбрали для первого опыта крахмал, так как это самое доступное, дешевое и возобновляемое сырье. В промышленных масштабах его получают из картофеля и кукурузы, пшеницы, риса.
Для опыта нам понадобились следующие ингредиенты:
– 10 г картофельного крахмала
– 5 мл уксуса
– 5 мл глицерина
– 60 мл воды
Ход эксперимента:
Мы смешали ингредиенты (картофельный крахмал, уксус, глицерин и воду) и довели смесь до кипения. Смесь загустела и стала полупрозрачной, однородной. Вылили смесь на емкость, остудили. Для полного затвердения (полимеризации) пластика требуется несколько часов. Мы оставляли на ночь.
Наш образец после полного высыхания потрескался (фото 3). Оказывается, в настоящее время уже разработано несколько видов модификаций: например, специальная обработка ультразвуком или добавление полимолочной кислоты.
2.2. Опыт № 2. Создание биопластика из молока
Для опыта нам понадобились следующие ингредиенты:
– 14 ст. л. молока
– 1 ст. л. уксуса
– 1 ст. л. Глицерина
С древних времен люди использовали пластмассу на основе казеина (галалит). Казеин — это белок, который образуется при створаживании молока. А створаживается он в молоке при добавлении кислоты.
Ход эксперимента:
- Мы нагрели молоко, не доводя его до кипения.
- Добавили в него уксус и глицерин. Молоко свернулось из-за химического процесса уксусной кислоты и белка в молоке (фото 4).
- Полученную массу перемешали и процедили через марлю, чтобы молоко, которое свернулось (казеин), отделилось от жидкости (молочной сыворотки). Получившееся вещество оказалось похоже на творог (фото5).
- Выложили смесь на тарелку, убрали оставшуюся жидкость салфеткой. Получившаяся масса оказалась довольно прочной.
- Сформовали из неё пуговицу, которая спустя 3–5 дней окончательно затвердела (фото 6).
2.3. Опыт № 3. Создание биопластика из каррагинана.
Каррагинан — это вещество, получаемое из красных морских водорослей, которые называют ирландским мхом. Водоросли имеют значительные преимущества по сравнению с другим сырьем для получения биопластика:
– Многие виды водорослей отличаются высокой скоростью роста биомассы
– Требуют минимального ухода, просты в разведении
– Могут выращиваться в природных сообществах
– Не занимают больших площадей на суше
Для опыта нам понадобились следующие ингредиенты:
– 5 гр каррагинана
– 150 гр воды
– 1 ст.л. уксуса
– 3 гр глицерина
Ход эксперимента: смешали компоненты (каррагинан, воду, уксус и глицерин) и нагрели получившуюся смесь. Масса стала более жидкой, прозрачной и однородной. Вылили в емкость со смазкой. Через несколько минут масса остыла и окончательно затвердела. Получился крепкий и довольно эластичный пластик (фото 9).
Полученный пластик отлично подходит в качестве упаковочного материала — мы завернули в него мандарин (фото 10). Безусловно, в промышленном производстве он потребует дополнительных модификаций. Однако, даже в домашних условиях он показал прекрасные физические свойства.
В результате эксперимента мы получили три образца биопластика. Все полученные образцы мы проверили на следующие характеристики:
- Внешний вид (эластичность и прочность: твердость/хрупкость)
- Скорость высыхания
- Время растворения в воде
- Время разложения в земле при обильном поливе
Мы поняли, что молочный полимер больше подходит для создания твёрдых видов пластика, он получился твердым и прочным. Полимер из каррагинана получился эластичным и прочным. Он зарекомендовал себя как достойная замена целлофановым пакетам. Полимер из крахмала получился тоже эластичным, но достаточно хрупким (треснул при высыхании).
Образцы были проверены на стойкость к воздействию воды:
– Каррагинан сразу растворился с образованием жирных капель на поверхности (предположительно глицерин) (фото 11).
– Крахмал растворился не сразу, через 12 часов. Наблюдались мелкие фракции (фото 12).
– Пластик из молока растворился частично, кусочки пластика наблюдались осадком на дне через 7 дней (фото 13).
Образцы были закопаны в землю для оценки скорости их разложения (фото 14).
Для данного эксперимента нами был выбран универсальный грунт, подходящий для любых видов растений. Предварительно в горшок с этим грунтом было высажено живое растение. Когда оно прижилось, в почву рядом с его корнями были закопаны образцы нашего биопластика. Нами были созданы идеальные условия: хорошая освещенность и тепло (горшочек стоял рядом с окном и батареей). Полив соблюдался в режиме комфортном для цветка.
О первых результатах этого эксперимента можно было судить уже через неделю после его начала. Пластик из крахмала и каррагинана размок от полива и стал более хрупким чем на момент закапывания. Образец из молока за этот период времени практически не изменился. Через месяц пластик из каррагинана и крахмала окончательно распались на мелкие фракции. Их уже с трудом можно было отыскать в почве. Пластик из молока частично распался.
Из этого эксперимента можно сделать такие выводы:
- Пластик, созданный из натуральных возобновляемых ингредиентов, действительно разлагается гораздо быстрее вредного пластика как в воде, так и в почве.
- Растение прекрасно чувствовало себя на протяжение всего эксперимента, а значит, такой пластик не нанес ему никакого вреда.
Результаты сравнения внесли в таблицу.
Материал |
Внешний вид и характеристики |
Скорость высыхания |
Время растворения в воде |
Время разложения |
Биопластик из крахмала |
Полупрозрачный, эластичный, хрупкий |
24 часа |
12 часов |
До 1 месяца |
Биопластик из молока |
Белый, непрозрачный, твёрдый, прочный |
3–5 дней |
7 дней |
Более 1 месяца |
Биопластик из каррагинана |
Полупрозрачный, полутвёрдый, эластичный, прочный |
15 минут |
10 минут |
До 1 месяца |
2.4 Акция «Осознанное отношение к использованию пластика в доме»
По данным всемирной организации «Гринпис», если отказаться от части одноразовых товаров, тары и упаковки и расширить возможности повторного использования тары, то можно сократить появление пластиковых отходов минимум на 30 % [3]. Думаем, что личная ответственность при использовании пластика в быту каждого человека может стать реальной помощью в этом вопросе. Поэтому каждый из нас постарался минимизировать использование традиционного пластика у себя дома.
2.4.1 Первая часть акции (фото 15):
- Каждый из нас прожил первый день, фиксируя количество использованного пластика. Пластик мы собирали не одни. В этом нам помогли родители, поэтому справедливо считать, что в этом эксперименте участвовало 3 семьи (9 человек).
- На следующий день мы старались по возможности полностью отказаться от пластика, заменив его безвредной альтернативой. Так, например, мы старались покупать продукты, упакованные либо в бумагу, либо расфасованные в жестяную емкость или стекло. Если товар был весовой, то взвешивался он не в привычном полиэтиленовом пакете, а в заранее подготовленной многоразовой продуктовой сумке. Все покупки в магазине мы стали складывать в такие же многоразовые сумки.
Кстати, в школе мы берем всего один одноразовый стакан для каждого и пользуемся им весь день. Такая привычка использовать стаканчик повторно была сформирована нашими педагогами.
По итогу проведения акции нами была сделана сравнительная таблица и произведены примерные подсчеты годового уровня загрязнения планеты пластиком на собственном примере.
Результаты 1 дня в граммах |
Результаты 2 дня в граммах |
1601 |
394 |
По итогу первого дня было собрано 1 кг 601 грамм пластиковых отходов. Пластик занимал большой объем, и для того, чтобы взвесить его, было необходимо плотно утрамбовать его в один пакет. Полученный вес пластика мы разделили на количество участников акции, чтобы выяснить сколько каждый из нас использовал в отдельности: 1601: 9 = 178 (г). Мы понимаем, что значение получилось усредненным. Но для нашего эксперимента данный способ вполне подходит. Если один участник акции в среднем за день выбросил 178 грамм пластика, то можно посчитать, сколько он выбросит за год: 178 * 365 = 64 970 (г) или 64 кг 970 г.
Результаты второго дня не могли нас не порадовать. Тем же числом участников мы использовали всего 394 г пластика. А это всего 44 грамма с человека. Такой результат в 4 раза меньше результата первого дня.
Из данного эксперимента мы сделали следующий вывод: этот способ является очень действенным в минимизации пластиковых отходов. Чем меньше мы используем пластик, тем меньше и выбрасываем.
2.4.2 Второй частью нашей акции стал поиск дома предметов из пластика, которые целесообразно и легко можно было бы заменить на такие же, только из других материалов (фото 16). Например:
– Пластиковые контейнеры для хранения еды могут быть заменены на металлические или стеклянные
– Средства личной гигиены (зубные щётки, мыльницы, губки для тела и пр.) могут быть сделаны из возобновляемого сырья (дерева, стекла, щетины и пр.)
– Есть модели бытовой техники, такие как чайники, пароварки, мультиварки, которые выполнены не из пластика, а из металла и стекла
– Вешалки для одежды, рожки для обуви, бутылки для жидкостей
В результате проведенной работы мы поняли, что при покупках зачастую есть возможность выбора. Но воспользоваться этим выбором больше шансов у того, кто понимает важность проблемы минимизации потребления пластика. И именно это мы называем осознанным отношением к данной проблеме.
3. Выводы
Результаты, полученные в ходе проведения экспериментов, позволяют сделать следующие выводы:
– изготовить биопластик полностью из натуральных ингредиентов возможно
– биопластики реально не навредят окружающей природе, потому что они хорошо растворяются в воде и разлагаются в почве
– биопластики действительно разлагаются более быстрыми темпами
– проведенная акция «Осознанное отношение к использованию пластика в доме» показала, что:
- образуется реально большое количество пластиковых отходов ежедневно в рамках одной семьи, но его реально уменьшить
- большое количество предметов домашнего обихода может быть заменено на такие же, но изготовленные из менее вредных для окружающей среды материалов
– если человек понимает, для чего нужно уменьшать количество использованного пластика, у него появляется выбор. Разумный выбор.
Заключение
Мы хотели понять, возможно ли изготовить биоразлагаемый пластик в домашних условиях и действительно ли он разлагается реально быстрее, чем другие виды пластика. А также мы задались вопросом: какие действия каждого человека в его повседневной жизни могли бы сократить потребление пластика в отдельной семье.
В результате изучения литературы и проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:
1. стали понятны причины, почему проблема с утилизацией пластика является настолько глобальной:
– естественным путем пластик разлагается долго
– сортировка, переработка и разные способы утилизации пластика являются технически сложными и дорогими
2. Биоразлагаемыми могут быть материалы, изготовленные как из возобновляемых компонентов, так и из ископаемого топлива. Но безвредными все же являются только пластики из биомассы.
3. Важно знать про оксолоразлагаемый пластик и не использовать продукцию из него!
4. Изготовить биопластик из крахмала, караггинана и молока нам удалось. Мы убедились в том, что такой биопластик разлагается реально быстрее, чем обычный пластик.
5. Проведя акцию «Осознанное отношение к использованию пластика в доме» мы убедились в том, что изменение привычного отношения к предметам из пластика, которые нас окружают, могут в значительной мере сократить загрязнение планеты.
Цель работы достигнута, гипотеза подтверждена.
Мы убедились в том, что создать биоразлагаемый пластик из возобновляемых компонентов реально, и это одно из возможных решений проблемы глобального загрязнения планеты пластиком. Мы также поняли, что еще более важным моментом является наш осознанный выбор в использовании пластика в своей жизни.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.
Фотографии к экспериментальной части
Рис. 1. Смешивание компонентов крахмал + вода + глицерин
![Нагревание и последующее охлаждение массы](https://moluch.ru/young/blmcbn/2822/2822.003.jpg)
![Нагревание и последующее охлаждение массы](https://moluch.ru/young/blmcbn/2822/2822.004.jpg)
![Нагревание и последующее охлаждение массы](https://moluch.ru/young/blmcbn/2822/2822.005.jpg)
Рис. 2. Нагревание и последующее охлаждение массы
Рис. 3. Высохший образец крахмалопласта (треснул при высыхании)
![Добавление глицерина и уксуса в разогретое молоко. Молоко свернулось](https://moluch.ru/young/blmcbn/2822/2822.009.jpg)
![Добавление глицерина и уксуса в разогретое молоко. Молоко свернулось](https://moluch.ru/young/blmcbn/2822/2822.010.jpg)
Рис. 4. Добавление глицерина и уксуса в разогретое молоко. Молоко свернулось
Рис. 5. Процеживание и отжим массы
Рис. 6. Пуговица из молочного пластика
![Смешивание компонентов каррагинан + вода + уксус + глицерин](https://moluch.ru/young/blmcbn/2822/2822.014.jpg)
![Смешивание компонентов каррагинан + вода + уксус + глицерин](https://moluch.ru/young/blmcbn/2822/2822.015.jpg)
Рис. 7. Смешивание компонентов каррагинан + вода + уксус + глицерин
Рис. 8. Подогрев и разжижение полученной смеси
Рис. 9. Эластичный пластик из каррагинана
Рис. 10. Упаковка из каррагинана
Рис. 11. Растворение биопластика из каррагинана в воде
Рис. 12. Растворение биопластика из крахмала в воде
Рис. 13. Растворение биопластика из молока в воде
Рис. 14. Образцы из крахмала и каррагинана спустя 7 дней в почве (размокли, стали хрупкими)
Рис. 15. Пластик из каррагинана и крахмала спустя 1 месяц
Рис. 16. Пластик из молока спустя 7 дней (не изменился) + спустя месяц (частично распался)
Рис. 17. Сбор и взвешивание пластика в 1 и 2 день акции
![Варианты осознанного выбора](https://moluch.ru/young/blmcbn/2822/2822.055.jpg)
![Варианты осознанного выбора](https://moluch.ru/young/blmcbn/2822/2822.056.jpg)
Рис. 18. Варианты осознанного выбора
Литература:
- https://www.nkj.ru/news/28024/
- https://cyberleninka.ru/article/n/riski-totalnogo-plastikovogo-zagryazneniya-planety
- https://greenpeace.ru/expert-opinions/2020/05/19/gid-po-bioplastikam/#types
- 4.https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431802/Plastiki_biologicheskogo_proiskhozhdeniya
- Годжерли Лиз «Сохраним планету! Сократить, использовать повторно и переработать», издательство АСТ, 2021, 48 страниц.
- Гринберг Д., Энциклопедия по экологии для школьников, Издательский Дом Мещерякова, 2020, 144 страницы.