Переработка ПЭТ-бутылок

ПЭТ или полиэтилентерефталат (ПЭТФ) — полимер, созданный комбинацией двух мономеров: модифицированного этиленгликоля и очищенной терефталевой кислоты^[3]. Материал был впервые синтезирован в 1939 и запатентован в 1941 году работниками компании «British Calico Printers» — Джоном Уинфилдом и Джеймсом Т. Диксоном^[4][1]. В СССР материал был выведен независимо от английских экспертов в 1949 году и был назван «лавсаном», в честь лаборатории высокомолекулярных соединений Академии наук, где его впервые получили^[5][6]. В 1950—1960-е годы полимер использовался в основном для изготовления синтетических волокон^[7].

Изобретение ПЭТ-бутылки связано с именем американского изобретателя Натаниэля Уайета, задумавшегося в 1967 году о возможности хранить газировку в пластиковой бутылке. В 1973 году он запатентовал процесс изготовления бутылки^[8]. Первые коммерческие испытания ПЭТ-бутылок проводились в 1975—1976 годах, однако революция в производстве пластиковых тар началась в 1977-м, когда американское Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) запретило компании «Кока-кола» выпускать бутылки из смолы Lopac — тогдашней альтернативе стеклянной таре. Компании пришлось искать новые материалы для массового изготовления прочных и дешёвых бутылок. Изначально «Кока-Кола» планировала изготавливать ПЭТ-бутылки сама, однако после испытаний 1976 года технология была передана другим производителям. Уже к концу года первые ПЭТ-тары произвела компания Amoco Containers, а спустя неделю и Hoover Universal^[9]. В том же 1977 году была переработана первая ПЭТ-бутылка^[8].

Низкие затраты на производство, высокая прочность, водонепроницаемость, прозрачность, повышенная пластичность, а также способность сохранять свои свойства делают ПЭТ-бутылки одной из самых распространённых упаковок из пластика^[10][11][12]. В России ПЭТ-бутылки составляют более 80 % от производства всех ПЭТ-материалов^[13][3]. Каждую секунду в мире изготавливается 20 000 ПЭТ-бутылок, а ежеминутно продаётся около 1 000 000. ПЭТ составляет значительную долю из более чем 50 килограммов пластиковых отходов, которые создаёт каждый год среднестатистический человек^[14][15].

Около 9 500 000 тонн пластика ежегодно попадает в мировой океан, в результате чего гибнут крупные рыбы и млекопитающие^[16], однако за всю историю изготовления и активного использования материала было переработано только 9 % — большинство отходов скапливаются на полигонах или разлагаются в природе^[17][18][17]. И при этом ПЭТ является самым широко перерабатываемым пластиком в мире: уровень переработки материала в США достигает около 30 %, а в странах Европейского союза — 50 %^[3]. В то же время, в 2016 году меньше чем половина ПЭТ-бутылок была собрана для переработки, и только 7 % от собранных были использованы для изготовления новых бутылок^[19]. ПЭТ-пластмассы обозначаются кодом идентификации «1» — как правило, символ расположен в нижней части бутылки^[20].

По всему миру используются несколько основных способов раздельного сбора пластика. Схема drop-off («довезти до») подразумевает доставку населением отходов в специально отведённые места. Подобный метод в основном инициируется региональными властями или внедряется при крупных сетевых супермаркетах или общественных организациях. Обычно мусоросборниками являются конусообразные открывающиеся контейнеры с двумя колёсами и сетчатым каркасом. Если подобная система хорошо отлажена, то уровень регенерации упаковки в регионе может достигнуть 40-50 %^[21].

Схема kerbside («у бордюра») подразумевает сбор мусора через установленные непосредственно рядом с домами контейнеры. Метод является наиболее эффективным — схема kerbside позволяет собрать до 60 % упаковки^[21].

В развитых странах часто встречаются автоматы по приёму тары, также известные как фандоматы. В основном они используются для сбора пластиковых ёмкостей из-под напитков. Автоматы устанавливаются в тех регионах и странах, где введена система залоговой тары — часть стоимости упаковки включена в стоимость напитка и возвращается покупателю при сдаче материала. Как правило, подобные автоматы идентифицируют материал ёмкости с помощью штрихового кода, материального датчика или видеоизображения, а затем бутылка перемещается в секцию хранения, где часто хранится в прессованном виде. В обмен потребитель получает жетоны или чеки для обмена на определённые товары или возврата залоговой стоимости^[21][22].

В большинстве случаев сортировка материала осуществляется на перерабатывающем предприятии. Ручная сортировка и разделение бутылок происходит по форме, степени загрязнённости, типу материала^[23][24], иногда — по цветам материала^[25]. Например, в России ПЭТ сортируют по четырём основным цветовым группам: тёмные цвета (чёрный, коричневый), сине-зелёные, прозрачные, другие. При ручной выборке с транспортёра один рабочий может отобрать не более 140 килограмм ПЭТ-бутылок в час^[22].

Компании могут использовать системы автоматического распознавания и сортировки, однако несмотря на повышенную производительность и эффективность, подобные системы являются дорогостоящими^[23]. В подобных системах работают с использованием сенсорных датчиков и сканеров, которые считывают конкретный тип полимера. В странах Европейского союза подобные автоматы используются для сортировки пластика из контейнеров раздельного сбора^[22].

Механическая переработка является наиболее эффективным способом переработки ПЭТ-отходов. Получаемый в результате вторичный ПЭТ либо используется в готовом виде, либо смешивается с первичным материалом и перерабатывается для получения нужных изделий^[26][27]. Механический рециклинг не требует специального дорогостоящего оборудования и относительно легко реализуется^[24].

После сортировки происходит предварительное отделение непластмассовых компонентов, таких как ветошь, остатки бумажной или деревянной тары, металлики и других предметов^[2]. Чтобы облегчить процесс сортировки и очищения от ненужных материалов, ПЭТ-бутылки могут быть предварительно промыты с использованием пара и химикатов, что позволяет отделить поливинилхлорид (ПВХ) от ПЭТ — пройдя через барабан с горячей водой или воздухом, бутылки, содержащие ПВХ, изменят цвет и станут слегка коричневыми, что значительно облегчает идентификацию материала^[3]. Затем пластик измельчается до размеров, достаточных для того, чтобы можно было осуществить дальнейшую переработку^[2]. Чистота чешуек имеет решающее значение для сохранения ценности восстановленного пластика^[3][25].

Далее пластик подвергается полной отмывке от органического и неорганического загрязнения через использование моющих средств и воды, которая может достигать 80 градусов^[2]. Промывка водой гарантирует очистку от остаточных загрязнений и чистящих средств^[3][2]. Затем высушенную пластмассу обрабатывают в термических установках для получения расплава однородной консистенции — рециклата^[27][24]. Впоследствии уже расплавленный материал отправляют в экструдер для формирования промежуточных гранул либо напрямую вторичной продукции^[24]. Для осуществления процесса используются дробилки, грануляционные установки, устройства для агломерации вторичных масс, системы замачивания и очистки, автоматизации, подъёмно-транспортное оборудование^[24][2]. На заключительной стадии материал перерабатывается в готовое изделие^[2][25].

Недостатками механического рециклинга считаются высокая энергоёмкость процесса, сложность регулирования размеров измельчения, ограниченное повторное применение материалов^[27]. Более того, необходимость сортировать, разделять и очищать пластиковые изделия значительно замедляют процесс переработки. Тщательную очистку тяжело выполнять технически, особенно если отработанные пластмассы долго накапливались на свалках^[24]. Другой проблемой является вероятное присутствие ПВХ в составе бутылок, поскольку даже при тщательной сортировке всегда остаётся вероятность попадания дополнительных примесей во вторичный материал^[28][25].

Более того, пластик нельзя перерабатывать бесконечно. Волокна полимеров с каждым разом стареют, качество полученного продукта постепенно ухудшается. В результате пластик, несколько раз переработанный по такому циклу, всё равно приходится утилизировать^[29].

ПЭТ-материалы, не пригодные для переработки (из-за загрязнённости или большого числа циклов использования), могут быть утилизированы на мусоросжигательных заводах, в том числе на предприятиях, рассчитанных на энергетическую утилизацию отходов. ПЭТ считается одними из самых безопасных видов пластикового топлива, так как при их сгорании не выделяются диоксины^[22][29].

Термическая

При термическом разложении полимерный материал распадается на низкомолекулярные соединения, такие как диметилтерефталат и этиленгликоль, в результате чего образуется энергия. Для этого обычно применяются процессы пиролиза и каталитического термолиза^[22]. В результате термической деполимеризации получают как смесь углеводородов, пригодных для создания синтетического топлива, так и новые пластиковые материалы. В процессе деполимеризации монопластик, вроде ПЭТ-бутылок, расщепляется обратно в мономеры, которые могут быть переработаны в новые ПЭТ-материалы^[30].

Химическая

При этом способе ПЭТ материал подвергается деполимеризации при взаимодействии с химическими веществами, такими как метанол, этиленгликоль, кислоты или щёлочи. Этот перспективный метод переработки находится в стадии развития и только начинается применяться в ряде стран. Химические методы чаще всего являются более энергозатратными и более сложными, чем механический рециклинг^[31], однако позволяет перерабатывать отходы ПЭТ более низкого качества^[22].

Существуют экспериментальные методы получения необычных материалов из ПЭТ-сырья.

Радиационный

При использовании радиационного метода химические связи макромолекул разрушаются с помощью нейтронов, гамма-излучения или бета-частиц. В результате фото и термоокислительной деструкции образуются низкомолекулярные продукты, которые впоследствии могут быть использованы в биоциклических процессах. Радиационый метод переработки ПЭТа является во многом экспериментальным, в России он не применяется^[22].

Преобразование в альтернативные формы углерода

в Институте физики высоких давлений Российской академии наук разработан способ, позволяющий утилизировать ПЭТ, получая из него алмазы или графитоподобный углерод. Он заключается в нагревании пластика под давлением при помощи пресса и специальной камеры, способной создавать давление до 9 ГПа (≈888 атм.) и температуру до 1900 К (1627°С). Так, при давлении 8 ГПа и температуре 1300 К получаются алмазы размером до 10 микрон, которые могут быть использованы для изготовления термостойкого абразивного или однокристального микроинструмента. Если снизить параметры синтеза, например, до 2 ГПа и температуры 1000 К, то в результате эксперимента получается графит, при 2-3 ГПа и температуры 700 K получается графитоподобный углерод^[29].

Разложение бактерией Ideonella sakaiensis

В 2016 году стало известно, что японские учёные обнаружили бактерии Ideonella sakaiensis 201-Ф6, способные разрушать ПЭТ-материал до терефталевой кислоты и этиленгликоля. Организмы не только разрушают материал, но и используют его для получения энергии. Согласно проведённым экспериментам, бактерии способны переработать тонкую (до 0,2 миллиметра) плёнку за шесть недель при соблюдении температурного режима в 30 °C^[32][33]. Таким образом, остающиеся в почве частицы ПЭТ могут разлагаться бактерией, которая питается содержащимся в материале углеродом. В процессе бактерии вырабатывают два необходимых для его разложения фермента. Эти ферменты можно выделить из бактерии и использовать при переработке пластика. В то же время, реакция разложения идёт очень медленно — для переработки ПЭТ в промышленных масштабах потребуется генная модификация бактерии^[29].

Широкое распространение пищевого ПЭТ-пластика сделало его постоянным объектом исследований на безопасность. С 2010 по 2012 год Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США проводило свои собственные исследования пластиковых упаковок и не обнаружило выделения вредных веществ, в особенности при однократном использовании упаковки. Единственный риск — бактериальное заражение при многократном использовании тары. Другие исследования не обнаружили ни мутагенных эффектов, ни гормональных^[34]. В то же время остаётся риск, что различные низкомолекулярные химические соединения, которые остаются в полимере после синтеза, могут при определенных условиях из него мигрировать в продукт^[35]. Так, тестирование обнаружило, что из некоторых пластиковых бутылок при многократном использовании в жидкость выделяется сурьма, которая в ПЭТ остаётся от катализатора триоксида сурьмы (Sb₂O₃), используемого при синтезе материала. Однако уровень вещества не превышает определяемую для человека норму и не представляет угрозы здоровью^[35][36][37]. Процесс выделения химических веществ в пластиковых бутылках способен происходить и при длительном нагревании (например, из бутылки, находящейся неделями в машине на солнце)^[38].

Рынок вторичного производства ПЭТ во многом зависит от оптимизации сбора, подготовки отходов и, соответственно, качества получаемого сырья^[22]. Вторичный ПЭТ хорошего качества может использоваться практически в любом производстве, включая пищевое^[25].

Одним из самых популярных направлений применения переработанных пластиковых отходов является изготовление полиэстера вторичного использования^[39][22]. В европейских странах около 70 % вторичного ПЭТ перерабатывается в волокна полиэстера, который используют для утепления одежды, набивки спальных мешков и мягких игрушек. Преимуществом полиэстера перед другими материалами является то, что материал быстро сохнет и при стирке не меняет размер и форму^[40]. Из вторсырья можно получить нейлон, органзу и тафту. В то же время, некоторые производители полностью создают одежду из вторичного ПЭТ материала. Так, для одной футболки понадобится около 7 бутылок, для свитера — 40, а наполнитель для лыжной куртки потребует около 14 бутылок^[41][42][43]. Вторичный ПЭТ материал используется для изготовления ёмкостей для моющих средств и бытовой химии. Материал низкого качества может быть полезен в изготовлении сырья при производстве клеёв и эмалей^[22]. Множество компаний всё больше инвестируют в переработку ПЭТ-тар для изготовления новых бутылок. Так, компания «Кока-Кола» намерена использовать 50 % переработанного ПЭТФ к 2030 году^[3]. Другие области использования включают производство щетины для щёток уборочных машин, упаковочных лент, плёнок, черепицы, плитки на тротуарах^[1][28].