बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर: अवधारणा, गुण, तैयारी के तरीके और प्रतिक्रियाओं के उदाहरण

2024 लेखक: Howard Calhoun | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-12-17 10:28

आप देख सकते हैं कि पिछले एक दशक में, नाम के साथ जोड़े गए उपसर्ग "बायो" वाले उत्पादों ने लोकप्रियता हासिल की है। यह सूचित करने का इरादा है कि उत्पाद मनुष्यों और प्रकृति के लिए सुरक्षित है। यह मीडिया द्वारा सक्रिय रूप से प्रचारित किया जाता है। यह हास्यास्पद भी आया - पेय चुनते समय, वे बायोकेफिर को सबसे अच्छा मानते हैं, और जैव ईंधन अब तेल का विकल्प नहीं है, बल्कि पर्यावरण के अनुकूल उत्पाद है। और जैव-अर्कों के बारे में न भूलें जो सौंदर्य प्रसाधनों को "चमत्कार" बनाते हैं।

सामान्य जानकारी

अब गंभीर हो जाएं। अक्सर, सड़कों पर चलते हुए, आप स्वतःस्फूर्त डंप देख सकते हैं। इसके अलावा, पूर्ण विकसित लैंडफिल हैं जहां मानव अपशिष्ट संग्रहीत किया जाता है। ऐसा लगता है कि यह बुरा नहीं है, लेकिन एक माइनस है - बहुत लंबा अपघटन समय। इसे ठीक करने के लिए बड़ी संख्या में तरीके हैं - यह कचरे का पुनर्चक्रण है, और कम हानिकारक सामग्री का उपयोग है जो डीकंपोजर को जल्दी से नष्ट कर देता है। दूसरे मामले की बात करते हैं।

यहां कई बिंदु हैं। पैकेजिंग, टायर, कांच, रासायनिक उद्योग के डेरिवेटिव। उन सभी की आवश्यकता हैध्यान। हालांकि, कोई विशिष्ट सार्वभौमिक नुस्खा नहीं है। इसलिए विशेष रूप से यह जानना आवश्यक है कि पर्यावरण प्रदूषण की रोकथाम क्या और कैसे सुनिश्चित की जाए।

प्लास्टिक कचरे के निपटान की समस्या के समाधान के रूप में बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर विकसित किए गए। यह कोई रहस्य नहीं है कि उनकी मात्रा हर साल बढ़ रही है। बायोपॉलिमर शब्द का प्रयोग उनके संक्षिप्त पदनाम के लिए भी किया जाता है। उनकी ख़ासियत क्या है? वे भौतिक कारकों और सूक्ष्मजीवों - कवक या बैक्टीरिया की क्रिया के कारण पर्यावरण में विघटित हो सकते हैं। एक बहुलक को ऐसा माना जाता है यदि उसका पूरा द्रव्यमान छह महीने के भीतर पानी या मिट्टी में समा जाए। यह आंशिक रूप से कचरे की समस्या को हल करता है। इसी समय, अपघटन उत्पाद प्राप्त होते हैं - पानी और कार्बन डाइऑक्साइड। अगर कुछ और है, तो सुरक्षा और विषाक्त पदार्थों की उपस्थिति के लिए इसकी जांच की जानी चाहिए। उन्हें एक्सट्रूज़न, ब्लो मोल्डिंग, थर्मोफॉर्मिंग और इंजेक्शन मोल्डिंग जैसी अधिकांश मानक प्लास्टिक निर्माण तकनीकों द्वारा भी पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है।

हम किन क्षेत्रों में काम कर रहे हैं?

बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर प्राप्त करना एक श्रमसाध्य कार्य है। प्रौद्योगिकियों का विकास जो सुरक्षित सामग्री प्राप्त करना संभव बनाता है, संयुक्त राज्य अमेरिका में, यूरोपीय महाद्वीप पर, जापान, कोरिया और चीन में सक्रिय रूप से किया जाता है। दुर्भाग्य से, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि रूस में परिणाम असंतोषजनक हैं। प्लास्टिक के बायोडिग्रेडेशन और अक्षय कच्चे माल से उनके उत्पादन के लिए एक तकनीक बनाना एक महंगा आनंद है। इसके अलावा, देश में अभी भी पॉलिमर के उत्पादन के लिए पर्याप्त तेल है। लेकिन सब कुछवही, तीन मुख्य दिशाओं को प्रतिष्ठित किया जा सकता है:

1. हाइड्रॉक्सीकार्बोक्सिलिक एसिड पर आधारित बायोडिग्रेडेबल पॉलीएस्टर का उत्पादन।
2. प्रजनन योग्य प्राकृतिक अवयवों के आधार पर प्लास्टिक बनाना।
3. औद्योगिक पॉलिमर बायोडिग्रेडेबल हो जाते हैं।

लेकिन व्यवहार में क्या? आइए देखें कि बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर कैसे बनते हैं।

जीवाणु पॉलीहाइड्रॉक्सीअलकानोएट्स

सूक्ष्मजीव अक्सर ऐसे वातावरण में बढ़ते हैं जहां पोषक तत्व कार्बन उपलब्ध होते हैं। ऐसे में फास्फोरस या नाइट्रोजन की कमी हो जाती है। ऐसे मामलों में, सूक्ष्मजीव पॉलीहाइड्रॉक्सिलकैनोएट्स का संश्लेषण और संचय करते हैं। वे कार्बन (खाद्य भंडार) और ऊर्जा के भंडार के रूप में काम करते हैं। यदि आवश्यक हो, तो वे polyhydroxyalkanoates को विघटित कर सकते हैं। इस संपत्ति का उपयोग इस समूह की सामग्रियों के औद्योगिक उत्पादन के लिए किया जाता है। हमारे लिए सबसे महत्वपूर्ण पॉलीहाइड्रॉक्सी ब्यूटायरेट और पॉलीहाइड्रॉक्सी वेलरेट हैं। इस प्रकार, ये प्लास्टिक बायोडिग्रेडेबल हैं। साथ ही, वे पराबैंगनी विकिरण के प्रतिरोधी स्निग्ध पॉलीएस्टर हैं।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि हालांकि जलीय पर्यावरण में उनके पास पर्याप्त स्थिरता है, समुद्र, मिट्टी, खाद और रीसाइक्लिंग वातावरण उनके जैविक क्षरण में योगदान करते हैं। और यह काफी जल्दी होता है। उदाहरण के लिए, यदि खाद में 85% और 20-60 डिग्री सेल्सियस की आर्द्रता है, तो कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में अपघटन में 7-10 सप्ताह लगेंगे। पॉलीहाइड्रॉक्सिलकानोएट्स का उपयोग कहाँ किया जाता है?

वेबायोडिग्रेडेबल पैकेजिंग और नॉनवॉवन सामग्री, डिस्पोजेबल वाइप्स, फाइबर और फिल्मों, व्यक्तिगत देखभाल उत्पादों, कार्डबोर्ड और कागज के लिए जल-विकर्षक कोटिंग्स के निर्माण के लिए उपयोग किया जाता है। एक नियम के रूप में, वे ऑक्सीजन पारित कर सकते हैं, आक्रामक रसायनों के प्रतिरोधी हैं, सापेक्ष थर्मल स्थिरता रखते हैं, और पॉलीप्रोपाइलीन की तुलना में ताकत रखते हैं।

बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर के नुकसान के बारे में बात करते हुए, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि वे बहुत महंगे हैं। एक उदाहरण बायोपोल है। इसकी कीमत पारंपरिक प्लास्टिक से 8-10 गुना ज्यादा है। इसलिए, इसका उपयोग केवल दवा में, कुछ इत्र और व्यक्तिगत देखभाल उत्पादों की पैकेजिंग के लिए किया जाता है। पॉलीहाइड्रॉक्सिलकानोएट्स के बीच अधिक लोकप्रिय मिरेल है, जो पवित्र कॉर्नस्टार्च से प्राप्त होता है। इसका लाभ अपेक्षाकृत कम लागत है। लेकिन, फिर भी, इसकी कीमत अभी भी पारंपरिक कम घनत्व वाली पॉलीथीन से दोगुनी है। इसी समय, कच्चे माल की लागत का 60% हिस्सा होता है। और मुख्य प्रयास इसके सस्ते समकक्षों को खोजने के उद्देश्य से हैं। प्रश्न में संभावना गेहूं, राई, जौ जैसे अनाज का स्टार्च है।

पॉलीलैक्टिक एसिड

पैकेजिंग के लिए बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर का उत्पादन भी पॉलीलैक्टाइड का उपयोग करके किया जाता है। यह पॉलीलैक्टिक एसिड भी है। वह क्या प्रतिनिधित्व करता है? यह एक रैखिक स्निग्ध पॉलिएस्टर है, जो लैक्टिक एसिड का संक्षेपण उत्पाद है। यह एक मोनोमर है जिसमें से पॉलीएक्टाइड को बैक्टीरिया द्वारा कृत्रिम रूप से संश्लेषित किया जाता है।यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि बैक्टीरिया की मदद से इसका उत्पादन पारंपरिक विधि की तुलना में आसान है। आखिरकार, तकनीकी रूप से सरल प्रक्रिया में उपलब्ध शर्करा से बैक्टीरिया द्वारा पॉलीएक्टाइड्स बनाए जाते हैं। बहुलक स्वयं समान संरचना वाले दो प्रकाशिक समावयवों का मिश्रण है।

परिणामी पदार्थ में काफी उच्च तापीय स्थिरता होती है। तो, विट्रिफिकेशन 90 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर होता है, जबकि गलनांक 210-220 सेल्सियस पर होता है। इसके अलावा, पॉलीएक्टाइड यूवी प्रतिरोधी है, थोड़ा ज्वलनशील है, और अगर यह जलता है, तो थोड़ी मात्रा में धुएं के साथ। इसे थर्मोप्लास्टिक्स के लिए उपयुक्त सभी विधियों का उपयोग करके संसाधित किया जा सकता है। पॉलीएक्टाइड से प्राप्त उत्पादों में उच्च कठोरता, चमक और पारदर्शी होते हैं। उनका उपयोग प्लेट, ट्रे, फिल्म, फाइबर, प्रत्यारोपण (इस तरह से बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर का उपयोग दवा में किया जाता है), सौंदर्य प्रसाधन और खाद्य उत्पादों के लिए पैकेजिंग, पानी, जूस, दूध के लिए बोतलें (लेकिन कार्बोनेटेड पेय नहीं है, क्योंकि सामग्री गुजरती है) कार्बन डाइआक्साइड)। साथ ही कपड़े, खिलौने, सेल फोन के मामले और कंप्यूटर चूहे। जैसा कि आप देख सकते हैं, बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर का उपयोग बहुत व्यापक है। और यह सिर्फ उनके एक समूह के लिए है!

पॉलीलैक्टिक एसिड का उत्पादन और बायोडिग्रेडेशन

पहली बार इसके उत्पादन का पेटेंट 1954 में वापस जारी किया गया था। लेकिन इस बायोप्लास्टिक का व्यावसायीकरण 21 वीं सदी की शुरुआत में ही शुरू हुआ - 2002 में। इसके बावजूद, पहले से ही बड़ी संख्या में कंपनियां हैं जो इसके निर्माण में लगी हुई हैं - केवल यूरोप में ही उनमें से 30 से अधिक हैं। एक महत्वपूर्ण लाभपॉलीलैक्टिक एसिड अपेक्षाकृत कम लागत वाला है - यह पहले से ही पॉलीप्रोपाइलीन और पॉलीइथाइलीन के साथ लगभग समान स्तर पर प्रतिस्पर्धा करता है। यह माना जाता है कि पहले से ही 2020 में, पॉलीलैक्टाइड उन्हें विश्व बाजार में धकेलना शुरू कर देगा। इसकी बायोडिग्रेडेबिलिटी बढ़ाने के लिए इसमें अक्सर स्टार्च मिलाया जाता है। इससे उत्पाद की कीमत पर भी सकारात्मक प्रभाव पड़ता है। सच है, परिणामी मिश्रण बल्कि नाजुक होते हैं, और अंतिम उत्पाद को अधिक लोचदार बनाने के लिए प्लास्टिसाइज़र, जैसे सोर्बिटोल या ग्लिसरीन को उनमें जोड़ा जाना चाहिए। समस्या का एक वैकल्पिक समाधान अन्य सड़ सकने वाले पॉलीएस्टर के साथ एक मिश्र धातु बनाना है।

पॉलीलैक्टिक एसिड दो चरणों में विघटित होता है। सबसे पहले, एस्टर समूह पानी से हाइड्रोलाइज्ड होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप लैक्टिक एसिड और कुछ अन्य अणु बनते हैं। फिर वे रोगाणुओं की मदद से एक निश्चित वातावरण में विघटित हो जाते हैं। पॉलीलैक्टाइड्स 20-90 दिनों में इस प्रक्रिया से गुजरते हैं, जिसके बाद केवल कार्बन डाइऑक्साइड और पानी रह जाता है।

स्टार्च संशोधन

जब प्राकृतिक कच्चे माल का उपयोग किया जाता है, तो यह अच्छा है, क्योंकि इसके लिए संसाधनों का लगातार नवीनीकरण किया जाता है, इसलिए वे व्यावहारिक रूप से असीमित हैं। स्टार्च ने इस संबंध में व्यापक लोकप्रियता हासिल की है। लेकिन इसकी एक खामी है - इसमें नमी को अवशोषित करने की क्षमता बढ़ जाती है। लेकिन इससे बचा जा सकता है यदि आप एस्टर पर हाइड्रॉक्सिल समूहों का हिस्सा देखते हैं।

रासायनिक उपचार आपको बहुलक के हिस्सों के बीच अतिरिक्त बंधन बनाने की अनुमति देता है, जो गर्मी प्रतिरोध, स्थिरता को बढ़ाने में मदद करता हैएसिड और कतरनी बल के लिए। परिणाम, संशोधित स्टार्च, एक बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक के रूप में उपयोग किया जाता है। यह दो महीने में खाद में 30 डिग्री पर विघटित हो जाता है, जिससे यह अत्यधिक पर्यावरण के अनुकूल हो जाता है।

सामग्री की लागत को कम करने के लिए कच्चे स्टार्च का उपयोग किया जाता है, जिसे तालक और पॉलीविनाइल अल्कोहल के साथ मिलाया जाता है। इसे सामान्य प्लास्टिक के समान उपकरण का उपयोग करके उत्पादित किया जा सकता है। संशोधित स्टार्च को पारंपरिक तकनीकों का उपयोग करके रंगा और मुद्रित भी किया जा सकता है।

कृपया ध्यान दें कि यह सामग्री एंटी-स्टेटिक प्रकृति की है। स्टार्च का नुकसान यह है कि इसके भौतिक गुण आमतौर पर पेट्रोकेमिकल से उत्पादित रेजिन से कम होते हैं। यानी पॉलीप्रोपाइलीन, साथ ही उच्च और निम्न दबाव पॉलीथीन। और फिर भी, इसे बाजार में लागू और बेचा जाता है। इसलिए, इसका उपयोग खाद्य उत्पादों, कृषि फिल्मों, पैकेजिंग सामग्री, कटलरी, साथ ही फलों और सब्जियों के लिए जाल बनाने के लिए किया जाता है।

अन्य प्राकृतिक पॉलिमर का उपयोग करना

यह अपेक्षाकृत नया विषय है - बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर। तर्कसंगत प्रकृति प्रबंधन इस क्षेत्र में नई खोजों में योगदान देता है। इतने सारे प्राकृतिक पॉलीसेकेराइड का उपयोग बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक के उत्पादन में किया जाता है: काइटिन, चिटोसन, सेल्युलोज। और न केवल अलग से, बल्कि संयोजन में भी। उदाहरण के लिए, बढ़ी हुई ताकत वाली फिल्म चिटोसन, माइक्रोसेल्यूलोज फाइबर और जिलेटिन से प्राप्त की जाती है। और यदि तुम उसे भूमि में गाड़ दोगे, तो वह शीघ्रता से निकलेगासूक्ष्मजीवों द्वारा विघटित। इसका उपयोग पैकेजिंग, ट्रे और इसी तरह की वस्तुओं के लिए किया जा सकता है।

इसके अलावा, डाइकारबॉक्सिलिक एनहाइड्राइड और एपॉक्सी यौगिकों के साथ सेल्युलोज का संयोजन काफी सामान्य है। उनकी ताकत यह है कि वे चार सप्ताह में विघटित हो जाते हैं। परिणामी सामग्री से बोतलें, मल्चिंग के लिए फिल्में, डिस्पोजेबल टेबलवेयर बनाए जाते हैं। उनका निर्माण और उत्पादन हर साल सक्रिय रूप से बढ़ रहा है।

औद्योगिक पॉलिमर की बायोडिग्रेडेबिलिटी

यह समस्या काफी प्रासंगिक है। बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर, जिनके उदाहरण पर्यावरण के साथ प्रतिक्रियाओं के लिए ऊपर उद्धृत किए गए हैं, पर्यावरण में एक साल भी नहीं टिकेंगे। जबकि औद्योगिक सामग्री इसे दशकों और यहां तक कि सदियों तक प्रदूषित कर सकती है। यह सब पॉलीइथाइलीन, पॉलीप्रोपाइलीन, पॉलीविनाइल क्लोराइड, पॉलीस्टाइनिन, पॉलीइथाइलीन टेरेफ्थेलेट पर लागू होता है। इसलिए इनके क्षरण के समय को कम करना एक महत्वपूर्ण कार्य है।

इस परिणाम को प्राप्त करने के लिए, कई संभावित समाधान हैं। सबसे आम तरीकों में से एक बहुलक अणु में विशेष योजक की शुरूआत है। और गर्मी या प्रकाश में इनके अपघटन की प्रक्रिया तेज हो जाती है। यह डिस्पोजेबल टेबलवेयर, बोतलें, पैकेजिंग और कृषि फिल्मों, बैग के लिए उपयुक्त है। लेकिन, अफसोस, समस्याएं भी हैं।

पहला यह है कि एडिटिव्स का उपयोग पारंपरिक तरीकों से किया जाना चाहिए - मोल्डिंग, कास्टिंग, एक्सट्रूज़न। इस मामले में, पॉलिमर को विघटित नहीं होना चाहिए, हालांकि वे तापमान के अधीन होते हैंप्रसंस्करण। इसके अलावा, एडिटिव्स को प्रकाश में पॉलिमर के अपघटन को तेज नहीं करना चाहिए, और इसके तहत दीर्घकालिक उपयोग की संभावना को भी अनुमति देना चाहिए। यही है, यह सुनिश्चित करना आवश्यक है कि गिरावट की प्रक्रिया एक निश्चित क्षण में शुरू हो। यह बेहद कठिन है। तकनीकी प्रक्रिया में एक छोटे से विशिष्ट प्रसंस्करण विधि के हिस्से के रूप में 1-8% एडिटिव्स (उदाहरण के लिए, पहले चर्चा की गई स्टार्च पेश की जाती है) शामिल है, जब कच्चे माल का ताप 12 मिनट से अधिक नहीं होता है। लेकिन साथ ही, यह सुनिश्चित करना आवश्यक है कि वे पूरे बहुलक द्रव्यमान में समान रूप से वितरित हों। यह सब गिरावट की अवधि को नौ महीने से पांच साल तक की सीमा में रखना संभव बनाता है।

विकास की संभावनाएं

हालांकि बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर का उपयोग गति प्राप्त कर रहा है, लेकिन अब वे कुल बाजार का एक मामूली प्रतिशत बनाते हैं। लेकिन, फिर भी, उन्हें अभी भी काफी व्यापक आवेदन मिला है और वे अधिक से अधिक लोकप्रिय हो रहे हैं। पहले से ही अब वे खाद्य पैकेजिंग के क्षेत्र में काफी अच्छी तरह से स्थापित हैं। इसके अलावा, बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर का व्यापक रूप से डिस्पोजेबल बोतलों, कपों, प्लेटों, कटोरे और ट्रे के लिए उपयोग किया जाता है। उन्होंने खुद को खाद्य कचरे के संग्रह और बाद में खाद बनाने के लिए बैग, सुपरमार्केट, कृषि फिल्मों और सौंदर्य प्रसाधनों के लिए बैग के रूप में बाजार में स्थापित किया है। इस मामले में, बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर के उत्पादन के लिए मानक उपकरण का उपयोग किया जा सकता है। अपने फायदे के कारण (सामान्य परिस्थितियों में गिरावट का प्रतिरोध, जल वाष्प और ऑक्सीजन के लिए कम अवरोध, अपशिष्ट निपटान में कोई समस्या नहीं, पेट्रोकेमिकल कच्चे माल से स्वतंत्रता), वे जीतना जारी रखते हैंबाजार।

मुख्य नुकसानों में से, किसी को बड़े पैमाने पर उत्पादन की कठिनाइयों और अपेक्षाकृत उच्च लागत को याद रखना चाहिए। इस समस्या को कुछ हद तक बड़े पैमाने पर उत्पादन प्रणालियों द्वारा हल किया जा सकता है। प्रौद्योगिकी में सुधार से अधिक टिकाऊ और पहनने के लिए प्रतिरोधी सामग्री प्राप्त करना भी संभव हो जाता है। इसके अलावा, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि उपसर्ग "इको" वाले उत्पादों पर ध्यान केंद्रित करने की एक मजबूत प्रवृत्ति है। यह मीडिया और सरकार और अंतर्राष्ट्रीय सहायता कार्यक्रमों दोनों द्वारा सुगम है।

संरक्षण उपायों को धीरे-धीरे कड़ा किया जा रहा है, जिसके परिणामस्वरूप कुछ देशों में कुछ पारंपरिक प्लास्टिक उत्पादों पर प्रतिबंध लगाया जा रहा है। उदाहरण के लिए, संकुल। उन्हें बांग्लादेश में प्रतिबंधित कर दिया गया है (जब वे जल निकासी व्यवस्था को रोकते हैं और दो बार बड़ी बाढ़ का कारण बनते हैं) और इटली। धीरे-धीरे वास्तविक कीमत का अहसास होता है जो गलत फैसलों के लिए चुकानी पड़ती है। और यह समझते हुए कि पर्यावरण की सुरक्षा सुनिश्चित करना आवश्यक है, पारंपरिक प्लास्टिक पर अधिक से अधिक प्रतिबंध लगाए जाएंगे। सौभाग्य से, और भी अधिक महंगी, लेकिन पर्यावरण के अनुकूल सामग्री के लिए संक्रमण की मांग है। इसके अलावा, कई देशों में अनुसंधान केंद्र और बड़ी निजी कंपनियां नई और सस्ती तकनीकों की तलाश में हैं, जो अच्छी खबर है।

निष्कर्ष

इसलिए हमने विचार किया है कि बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर क्या हैं, उत्पादन के तरीके और इन सामग्रियों का दायरा। एक स्थिरांक हैप्रौद्योगिकियों में सुधार और सुधार। तो आइए आशा करते हैं कि आने वाले वर्षों में, बायोडिग्रेडेबल पॉलिमर की लागत वास्तव में पारंपरिक तरीकों से प्राप्त सामग्री के साथ मिल जाएगी। उसके बाद, सुरक्षित और अधिक पर्यावरण के अनुकूल विकास के लिए संक्रमण केवल समय की बात होगी।