Ученые из Океанографического института Вуд-Хоул (WHOI) уже много лет работают над тем, чтобы выяснить, какие виды пластика имеют самую короткую и самую длинную продолжительность жизни в океане, и какие виды пластиковых изделий, такие как соломинки для питья и обертки для пищевых продуктов, чаще всего способствуют загрязнению пластиком.
Поскольку разрабатываются новые биоразлагаемые материалы , такие как диацетат целлюлозы (CDA) — пластикоподобный полимер, получаемый из древесной массы, — исследователи стремятся гарантировать, что они смогут заменить традиционный пластик, не нанося вреда морской среде.
Теперь, после многих лет испытаний, было обнаружено, что новая версия CDA является самым быстроразлагающимся биопластиковым материалом, испытанным в морской воде, и это многообещающая замена другим пенопластовым материалам, таким как пенополистирол, который может сохраняться в окружающей среде в течение многих лет.
В статье, опубликованной в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering, ученые WHOI Брайан Джеймс, Колин Уорд, Крис Редди, Янчен Сан и Кали Пейт обнаружили, что добавление небольших пор — так называемое вспенивание — к материалу CDA заставляет его разлагаться в 15 раз быстрее, чем твердый CDA, и даже быстрее, чем бумага.
«Что меня больше всего волнует в этом исследовании, так это его трансляционный характер. Это исследование является кульминацией многолетних исследований, направленных на понимание фундаментальных средств контроля биодеградации CDA в океане», — сказал Уорд, старший автор исследования. Он и команда WHOI сотрудничали с учеными из компании по производству биопластика Eastman, которые выступили соавторами и предоставили материалы для исследования.
«Мы перенесли фундаментальные знания в разработку нового материала, который одновременно отвечает потребностям потребителей и разлагается в океане быстрее, чем любой другой известный нам пластиковый материал, даже быстрее, чем бумага. Это большая история успеха в области, которая часто фокусируется на негативных аспектах загрязнения пластиком, а не на работе над решением этой проблемы», — добавил Уорд.
Исследование включало мониторинг как вспененного CDA, так и твердого CDA в резервуаре с непрерывно текущей морской водой из залива Мартас-Винъярд в специально разработанной лаборатории WHOI. Исследователи также контролируют температуру, освещенность и другие переменные окружающей среды, чтобы имитировать естественную морскую среду.
«Использование непрерывно текущих резервуаров с морской водой позволяет нам перенести динамику микробно-активного океана в лабораторию. Океан постоянно меняется, и было важно, чтобы мы воспроизвели эту среду, пополняя микробы и питательные вещества, что сделало эксперимент гораздо более экологически реалистичным», — объяснил ведущий автор Джеймс. Через 36 недель команда обнаружила, что пены CDA потеряли 65–70% своей первоначальной массы.
В предыдущем исследовании с использованием динамического резервуара с морской водой ученые протестировали соломинки, изготовленные из стандартного пластика, бумаги, твердого CDA и вспененного CDA, и обнаружили, что соломинки из твердого CDA и бумаги уменьшали массу быстрее всего.
Затем ученые сравнили две трубочки, изготовленные из CDA: одну из твердого CDA и одну из вспененного CDA, и обнаружили, что скорость разложения трубочки из вспененного CDA была на 190% выше, чем у ее твердого аналога, что привело к более короткому прогнозируемому сроку службы трубочек в окружающей среде по сравнению с бумажными трубочками.
«Как ученый-материаловед и инженер, я был рад продемонстрировать, что пены могут быть материально эффективными, то есть они достигают функциональности, используя минимально возможное количество материала, снижая стоимость и многие воздействия на окружающую среду», — сказал Джеймс. «Кроме того, когда они сделаны из биоразлагаемого пластика , они могут быть одной из наименее стойких форм материала».
По словам авторов исследования, замена пенопласта и одноразового пластика, такого как контейнеры для еды на вынос, которые регулярно попадают в океан и не поддаются биологическому разложению, является одной из самых неотложных задач по использованию этого материала.
Продукция из вспененного CDA уже выходит на рынок: компания Eastman выпустила на рынок легкий компостируемый лоток из вспененного CDA, предназначенный для замены пластиковых лотков, используемых в существующей промышленной упаковке пищевых продуктов.
«Партнерство между промышленностью и академическими кругами имеет решающее значение для ускорения решений самых неотложных глобальных проблем, поскольку академические круги могут предоставить уникальные идеи, а отраслевые партнеры могут использовать эти идеи для разработки масштабных решений», — сказал Джефф Карбек из компании Eastman. «Именно так работает наше сотрудничество с WHOI; они значительно расширили наше понимание того, как разрушаются наши коммерческие и опытно-конструкторские материалы».
Карбек подчеркнул, что это исследование демонстрирует потенциал пены CDA в решении проблем, связанных с одноразовой пластиковой упаковкой.
«Свойства пенопластов делают их идеально подходящими для многих упаковочных и изоляционных применений, и это исследование показывает, что пенопласты, изготовленные из биоразлагаемых материалов, быстро разлагаются в морской среде, если они случайно туда попадут. Использование биоразлагаемых материалов для потребительских товаров является критически важным шагом на пути к сохранению нашей окружающей среды, сокращению загрязнения пластиком и содействию устойчивому развитию для будущих поколений», - сказал он.
«Одним из преимуществ сотрудничества с отраслевым партнером является то, что мы можем гарантировать масштабируемость новой технологии. Одним из критериев при разработке нового материала было то, что он должен был стать готовой заменой изделий из пенополистирола, а это означало, что компаниям, которые перерабатывают сырой CDA в биоразлагаемую пену, не нужно было вкладывать средства в новое оборудование», — пояснил Уорд. «Разработка новых видов пластика, которые не производятся из ископаемого топлива, компостируются и не загрязняют окружающую среду, может стать выигрышем для потребителей и окружающей среды».
