Биоразлагаемый полимер

В мире химии полимеры играют важную роль. Они представляют собой большие молекулы, состоящие из меньших повторяющихся единиц, называемых мономерами. Полимеры встречаются повсюду в нашей повседневной жизни, от пластиков в наших бутылках с водой до волокон в нашей одежде. Однако существенной проблемой для многих синтетических полимеров является их воздействие на окружающую среду. Традиционные полимеры, такие как полиэтилен и полистирол, не разлагаются и могут сохраняться в окружающей среде сотни лет. Здесь на помощь приходят биоразлагаемые полимеры.

Что такое биоразлагаемые полимеры?

Биоразлагаемые полимеры — это тип полимеров, которые могут разлагаться до воды, углекислого газа и биомассы естественными процессами. Это разложение в основном осуществляется микроорганизмами, такими как бактерии и грибы. Биоразлагаемая природа этих полимеров делает их перспективным решением для снижения загрязнения окружающей среды, особенно в управлении пластиковыми отходами.

Визуальный пример структуры биоразлагаемого полимера

На изображении выше различные мономеры (A, B и C) соединяются вместе, образуя полимерные цепи. Эти биоразлагаемые полимеры могут распадаться на свои отдельные компоненты под воздействием природных условий.

Химия биоразлагаемых полимеров

Химия биоразлагаемых полимеров включает создание полимеров через естественные или синтетические пути, которые могут быть эффективно разложены. Эти полимеры могут разлагаться через энзиматические или гидролитические процессы.

Распространенным типом биоразлагаемого полимера является полимолочная кислота (PLA), которая синтезируется из мономера молочной кислоты. Это природное соединение, которое может быть произведено путем ферментации кукурузного крахмала или других углеводов.

        Полимеризация PLA:
    n(C₃H₆O₃) → (C₃H₄O₂)ₙ + n(H₂O)

Здесь единицы молочной кислоты (C₃H₆O₃) полимеризуются с образованием полимолочной кислоты (PLA), причем побочным продуктом реакции является вода.

Типы биоразлагаемых полимеров

Существует несколько типов биоразлагаемых полимеров, классифицированных в зависимости от метода разложения. Это:

• Естественно встречающиеся биоразлагаемые полимеры: Сюда входят белки, полисахариды, такие как крахмал и целлюлоза, и другие, которые естественным образом вырабатываются живыми организмами.
• Синтетические биоразлагаемые полимеры: Это синтезированные химическим путем вещества, которые разработаны так, чтобы легко разлагаться. Примеры включают полигликолид, полимолочную кислоту и полиε-капролоктон.

Процесс биодеградации

Биодеградация — это сложный процесс, включающий множество этапов и факторов. В общем, она включает следующие этапы:

1. Гидролиз

Первый этап — разрыв полимерной цепи путем гидролиза, при котором молекулы воды разрывают эфирные или амидные связи в полимере. Этот этап можно визуализировать следующим образом:

        Гидролиз эфирных связей:
    RCOOR' + H₂O → RCOOH + R'OH

Здесь эфирная связь в полимере разрывается с образованием карбоновой кислоты (RCOOH) и спирта (R'OH).

2. Энзиматическое разложение

После гидролиза ферменты, производимые микроорганизмами, разлагают полимерные фрагменты на более мелкие, растворимые в воде молекулы. Эти ферменты работают исключительно на определенных типах связей.

3. Ассимиляция

Микроорганизмы ассимилируют мелкие молекулы в качестве источника энергии и углерода. Это важный этап, на котором фрагментированные молекулы включаются в микробиомассу.

4. Минерализация

На заключительном этапе полимерные фрагменты полностью окисляются в анаэробных условиях до неорганических веществ, таких как углекислый газ, вода и метан.

Преимущества биоразлагаемых полимеров

Биоразлагаемые полимеры предлагают несколько важных преимуществ, включая:

• Снижение воздействия на окружающую среду: Разлагаясь естественным образом, эти полимеры помогают уменьшить стойкое пластиковое загрязнение.
• Использование возобновляемых ресурсов: Биоразлагаемые полимеры часто производятся из возобновляемых ресурсов, таких как кукурузный крахмал, что помогает сберегать ископаемое топливо.
• Компостируемость: Многие биоразлагаемые полимеры могут компостироваться вместе с органическими отходами, что снижает общие требования к утилизации отходов.

Применение биоразлагаемых полимеров

Благодаря своим экологически чистым свойствам, биоразлагаемые полимеры нашли применение в различных областях, таких как:

Медицина

Биоразлагаемые полимеры используются в производстве швов, ортопедических имплантатов и систем доставки лекарств. Например, полимолочная кислота (PLA) и полигликолевая кислота (PGA) часто используются в медицинских приложениях.

Упаковка

Они используются в производстве упаковочных материалов, значительно сокращая пластиковые отходы. PLA является популярным выбором для производства биоразлагаемых упаковочных пленок.

Сельское хозяйство

Биоразлагаемые полимеры могут использоваться в производстве мульчирующих пленок и удобрений с контролируемым высвобождением. Эти пленки разлагаются через определенный период времени, исключая необходимость их удаления.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на свои преимущества, существует ряд проблем, препятствующих широкому применению биоразлагаемых полимеров:

• Стоимость: Биоразлагаемые полимеры обычно имеют более высокие производственные затраты, чем традиционные пластики.
• Инфраструктура: Отсутствие надлежащей инфраструктуры для компостирования может затруднять процесс разложения.
• Производительность: Механические свойства биоразлагаемых полимеров могут быть хуже, чем у традиционных пластиков, что ограничивает их применение.

Будущие исследования направлены на преодоление этих проблем за счет разработки экономически эффективных методов производства и улучшения механических свойств этих полимеров, чтобы сделать их производительность сопоставимой или превосходящей их неразлагаемые аналоги.

Комментарии