Пластик принято считать одним из самых неудобных видов отходов: он может использоваться считанные дни или недели, а затем сохраняться в окружающей среде десятилетиями и даже столетиями. Японские исследователи предложили взглянуть на проблему с неожиданной стороны. Вместо того чтобы просто перерабатывать пластик или отправлять его на утилизацию, они разработали материал, который после окончания срока службы можно химически превратить в компоненты удобрения.
Работу провела группа учёных из Университета Тиба под руководством доцента Дайсукэ Аоки (Daisuke Aoki). В основе исследования лежит специальный полимер, который после обработки аммиаком распадается на вещества, способные поддерживать рост растений. В лабораторных экспериментах полученное удобрение оказалось сопоставимо по эффективности с коммерческой мочевиной.
Что такое пластик, который превращается в удобрение?
Речь идёт не об обычной пластиковой бутылке или упаковке из полиэтилена. Исследователи создали специальный полимер — полиизосорбидкарбонат, или PIC.
Его основу составляет изосорбид — соединение, которое может быть получено из глюкозы. Идея заключается в том, чтобы ещё на этапе разработки материала заложить возможность его дальнейшего химического превращения в полезные вещества.
Ранее команда Дайсукэ Аоки уже показала, что PIC можно разлагать с помощью аммиака. Этот процесс называется аммонолизом. В результате длинные молекулярные цепочки полимера распадаются на более простые соединения, включая изосорбид, мочевину и другие вещества, пригодные для использования в качестве компонентов удобрений.
Таким образом, разработчики предлагают изменить сам принцип отношения к пластику. После использования материал не обязательно должен стать бесполезным мусором. Его можно заранее спроектировать так, чтобы он стал своеобразным запасом химического сырья.
Главная проблема: такой пластик оказался слишком хрупким
У первоначальной версии материала был серьёзный недостаток. PIC оказался твёрдым и ломким, а это резко ограничивало возможности его практического применения.
Для упаковки, пакетов или сельскохозяйственных плёнок нужен материал, который способен сгибаться и растягиваться, не разрушаясь при первом серьёзном воздействии.
Поэтому исследователи разработали специальный пластификатор на основе изосорбида. Пластификаторы — это вещества, которые делают полимер более гибким, изменяя взаимодействие между его молекулярными цепочками.
Результат оказался заметным: относительное удлинение материала при разрыве выросло более чем в десять раз — с 4,3% до 45,2%. Иными словами, новый пластик стал значительно лучше переносить деформацию, сохранив при этом главное свойство: возможность дальнейшего превращения в компоненты удобрения. Более того, сам пластификатор также может участвовать в этом процессе.
Как пластиковые отходы превращаются в удобрение?
Принцип работы технологии можно представить в виде нескольких этапов.
Сначала создаётся полимер на основе изосорбида. Из него можно производить различные изделия — например, упаковку, пакеты, горшки для рассады или сельскохозяйственные плёнки.
После завершения срока службы материал подвергается аммонолизу. Аммиак разрушает химические связи внутри полимера, превращая его в более простые соединения.
Среди продуктов реакции образуется мочевина — одно из наиболее распространённых азотных удобрений. Именно азот играет ключевую роль в росте растений, поскольку необходим для синтеза белков и других жизненно важных соединений.
В результате исследователи предлагают не просто перерабатывать пластик в новый пластик, а менять его химическую форму и использовать полученные вещества в сельском хозяйстве.
Это важное отличие от традиционной переработки. В обычной схеме материал стараются сохранить как можно дольше, превращая старую упаковку в новую. Здесь же полимер изначально создаётся с расчётом на контролируемое химическое преобразование после использования.
Проверка на растениях
Чтобы выяснить, действительно ли продукты разложения пластика могут использоваться в сельском хозяйстве, учёные провели эксперименты с двумя растениями.
Первым стала резушка Таля (Arabidopsis thaliana) — популярный модельный организм, который широко используется в биологических исследованиях. Вторым растением была комацуна, разновидность японского листового овоща из вида Brassica rapa.
Растения выращивали с использованием удобрения, полученного из переработанного полимера, и сравнивали результаты с коммерческой мочевиной.
По данным исследования, новый материал обеспечил рост растений, сопоставимый с действием обычного азотного удобрения.
Конечно, от лабораторного эксперимента до промышленного применения ещё далеко. Необходимо проверить технологию на более широком наборе культур, оценить экономику производства и выяснить, насколько эффективно процесс будет работать при переработке больших объёмов материала.
От пассивной переработки к «активному» пластику
Дайсукэ Аоки считает, что традиционные стратегии борьбы с пластиковыми отходами — сокращение потребления и переработка — необходимы, но сами по себе не дают материалу новой экологической функции.
Новая концепция предполагает создание функциональных полимеров, которые после использования становятся не просто вторичным сырьём, а источником полезных веществ.
«Мы хотели перейти к активному вкладу в окружающую среду, создавая материалы, которые одновременно помогают решать проблему пластиковых отходов, нехватки ресурсов и поддерживают устойчивое сельское хозяйство», — объясняет Дайсукэ Аоки.
Идея действительно меняет привычную логику жизненного цикла материала. Обычно пластик проходит путь «производство — использование — отходы». В новой схеме финальная стадия может выглядеть иначе: «производство — использование — химическое преобразование — удобрение».
Где может пригодиться новый материал?
Если технологию удастся развить, подобные полимеры могут найти применение там, где после использования остаётся большое количество недолговечных изделий.
Среди возможных вариантов исследователи называют:
- гибкую упаковку;
- пакеты;
- горшки для выращивания рассады;
- сельскохозяйственные мульчирующие плёнки.
Особенно интересным выглядит использование таких материалов в сельском хозяйстве. Например, пластиковая плёнка, которая применяется в процессе выращивания растений, после завершения работы потенциально может стать сырьём для производства удобрения.
Получается своеобразный замкнутый цикл: материал помогает выращивать урожай, а затем после химической переработки его компоненты снова возвращаются в сельскохозяйственную систему.
Не каждый пластик станет удобрением
Важно понимать, что новая технология не предлагает универсального способа превратить любые пластиковые отходы в подкормку для растений.
Речь идёт о специально разработанном полимере PIC и связанном с ним пластификаторе. Обычный пластик, уже находящийся на свалках или в окружающей среде, таким способом автоматически в удобрение не превратится.
Именно поэтому основная ценность исследования заключается не столько в решении проблемы уже накопившегося мусора, сколько в новом подходе к проектированию материалов будущего.
Вместо того чтобы сначала создать удобный и дешёвый пластик, а потом искать способ избавиться от него, химики предлагают заранее определить, чем материал должен стать после окончания срока службы.
Пластик как ресурс, а не мусор
Исследование японских учёных пока находится на ранней стадии, однако сама концепция выглядит весьма перспективной. Она объединяет сразу несколько направлений: создание биосовместимых полимеров, химическую переработку отходов и устойчивое сельское хозяйство.
Главный вопрос теперь заключается в масштабировании. Лабораторный процесс ещё предстоит превратить в технологию, которая будет экономически оправдана для промышленности. Не менее важной станет оценка полного экологического эффекта: производство материала и его последующая химическая переработка также требуют ресурсов и энергии.
Тем не менее работа команды из Университета Тиба показывает любопытную возможность. Возможно, в будущем упаковка действительно сможет получить вторую жизнь не в виде ещё одной упаковки, а в виде вещества, которое поможет вырастить новые растения.
И тогда фраза «пластиковые отходы» для некоторых специально разработанных материалов перестанет быть финальной точкой их жизненного цикла.
