Биоупаковка и ограничение использования пластика как вариант решения экологической проблемы



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:

1. Изучить литературу по теме исследования.
2. Провести опыты по созданию биопластика из разных натуральных компонентов.
3. Изучить свойства созданных пластиков.
4. Провести акцию: «Осознанное отношение к использованию пластика».
5. 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:

1. Мы нагрели молоко, не доводя его до кипения.
2. Добавили в него уксус и глицерин. Молоко свернулось из-за химического процесса уксусной кислоты и белка в молоке (фото 4).
3. Полученную массу перемешали и процедили через марлю, чтобы молоко, которое свернулось (казеин), отделилось от жидкости (молочной сыворотки). Получившееся вещество оказалось похоже на творог (фото5).
4. Выложили смесь на тарелку, убрали оставшуюся жидкость салфеткой. Получившаяся масса оказалась довольно прочной.
5. 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:

1. Внешний вид (эластичность и прочность: твердость/хрупкость)
2. Скорость высыхания
3. Время растворения в воде
4. 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:

1. Пластик, созданный из натуральных возобновляемых ингредиентов, действительно разлагается гораздо быстрее вредного пластика как в воде, так и в почве.
2. 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):

1. 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).
2. 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

Рис. 2. Нагревание и последующее охлаждение массы

Рис. 3. Высохший образец крахмалопласта (треснул при высыхании)

Рис. 4. Добавление глицерина и уксуса в разогретое молоко. Молоко свернулось

Рис. 5. Процеживание и отжим массы

Рис. 6. Пуговица из молочного пластика

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

Рис. 18. Варианты осознанного выбора

Литература:

1. https://www.nkj.ru/news/28024/
2. https://cyberleninka.ru/article/n/riski-totalnogo-plastikovogo-zagryazneniya-planety
3. https://greenpeace.ru/expert-opinions/2020/05/19/gid-po-bioplastikam/#types
4. 4.https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431802/Plastiki_biologicheskogo_proiskhozhdeniya
5. Годжерли Лиз «Сохраним планету! Сократить, использовать повторно и переработать», издательство АСТ, 2021, 48 страниц.
6. Гринберг Д., Энциклопедия по экологии для школьников, Издательский Дом Мещерякова, 2020, 144 страницы.