Проект

МУНИЦИПАЛЬНОЕ КАЗЁННОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛОЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

БАЗАРНОСЫЗГАНСКАЯ СРЕДНЯЯ ШКОЛА № 2

Название конкурса:

"Российский национальный юниорский водный конкурс"

Название проект:

"Мир без пластика"

Номинация:

"Решения по борьбе с микропластиком в водных объектах"

Автор проекта:

Арисова Арина, ученица 8 калсса

Руководитель проекта:

Балакаева Светлана Владимировна, учитель биологии

2023 г.

Аннотация

Цель: создать биопластик, имеющий свойство разлагаться в воде

Задачи:

- провести монниторинг, имеющихся биопластиков, способов их производства и утилизации;

- поиск биоматериалов для производства биопластика;

Методы и материалы исследования:

анализ литературы, эксперимент, фотографироване, материалы для приготовления разлагаемого биопластика (картофельный крахмал, глицерин, лимонная кислота, вода);

- эксперимент по производству и испытанию биопластика.

Планируемый результат:

- создание биопластика, растворимого в воде

Экологи бьют тревогу: пластиковые отходы буквально заполонили планету. Без одноразовых пакетов и стаканчиков сложно представить современную жизнь, но будущее под грудами мусора представлять совсем не хочется. О том, чем грозит нам загрязнение пластиком и как начать заботиться о чистоте планеты?

С каждым годом потребление пластмассы растёт, а вместе с ней растут и горы неразлагающихся отходов, загрязняющих среду. Пластик - это настоящее бедствие для природы! По данным ООН пластиковые отбросы становится причиной гибели 1 млн. морских птиц в год. Таким образом, проблемы, связанные с использованием пластика, стимулировали учёных из многих стран задуматься к концу XX века о создании материала, близкого пластмассе по свойствам и производимого из восстанавливаемых компонентов.

Необходимо обратить внимание людей на проблему загрязнения окружающей среды бытовыми отходами и заменить пластическую упаковку на упаковку, сделанную из биоразлагающегося материала. В этом и заключается актуальность данной работы.

Достигнутые результаты: создан растворимый в воде биопластик из безопасных для окружающей среды материалов.

Вывод:

-биопластик - лучшая альтернатива пластику в ближайшем будущем и спасение нашей планеты.

Содержание:

Введение.........................................................................................................................4

1. Опасность твёрдых бытовых отходов для экологии.............................................5

1.1 История появления биопластика...........................................................................5

1.2 Способы утилизации пластика..............................................................................6

1.2.1 Последствия сжигания пластика........................................................................6

1.3 Опасность пластиковой бутылки...........................................................................7

1. 4 Цифры и факты о пластике...................................................................................8

2. Биопластик и биоупаковка.......................................................................................9

2.1 История создания биоупаковки ..........................................................................10

2.2 Составляющие для создания биопластика..........................................................10

3. Создание крахмалопластов....................................................................................12

3.1 Методика получения крахмалопласта................................................................12

3.2 Опыт. Исследуемый рецепт.................................................................................12

3.3 Результаты опытов................................................................................................12

Заключение и выводы.................................................................................................14

Список используемой литературы............................................................................15

Введение

Экологи бьют тревогу, через 30 лет в мировом океане пластика будет больше, чем рыбы. В 90-е гг XX века, океанограф Чарльз Мур обнаружил скопление мусора в Тихом океане. Назвал его большим тихоокеаническим мусорным пятном и заставил весь мир говорить о проблеме отходов. Статистика ужасала: вес пятна 130 тыс.тонн, площадь 1,5 млн км², а это три Франции или 2 штата Техас. Пятно и сейчас называют новым континентом. Ежегодно из-за этого мусора погибают миллионы птиц и сотни тысяч черепах, дельфинов и рыб. Они просто запутываются в пластиковых сетях или путают мусор с едой.

С наступлением 2017 года, который объявлен годом экологии в России, участилась трансляция роликов экологического содержания. Один из таких роликов об изделиях из пластика «Одноразовые убийцы» посмотрели и мы. Этот ролик заставил нас задуматься, а действительно ли, привычные нам предметы из пластика, могут кого-то убить?

Проанализировав предметы вокруг себя, мы сделали вывод - пластик вокруг нас повсюду. Это и предметы канцелярии (обложки, ручки, линейки), пластиковые бутылки, одноразовая посуда, детские игрушки и многое другое. Низкая себестоимость, возможность вторичной переработки, отличные эксплуатационные свойства (легкость, газо- и влагонепроницаемость, высокая прочность) позволяют применять пластик во многих отраслях промышленности. Ежедневно все эти предметы оказываются на свалке. А что с пластиком происходит в мусорной куче? Кому он наносит вред? Способен ли он разлагаться как бумага?

1. Опасность твердых бытовых отходов для экологии

Основной источник опасности для окружающей среды в России это проблема отходов, которая несёт потенциальную угрозу как для здоровья человека, так и для экологии страны. Проблемы отходов в России, последнее время набирают больших оборотов, ещё до недавнего времени, природа могла сама справляться с большинством мусора. Но технический прогресс не стоит на месте, в результате увеличивается объём образований отходного материала, в его составе всё больше материалов и веществ, разложение которых занимает года, а то и десятки или сотни лет.

Таким отходам, как: медицинским, ядохимикатам, краскам, лакам, клеям, бытовой химии и подобным, чрезвычайно опасно находиться на открытом пространстве без надлежащего процесса обезвреживания и захоронения. Такие элементы опасным тем, что они могут перегнивать, тем самым нанося вред почве и даже отравлять ближайшие к месту их образования поверхностные воды.

Отходы потребления, как правило, через канализационные стоки, попадают в сточные воды и грунт, загрязняют его и тем самым делают территорию непригодной к эксплуатации на многие года.

1.1 История появления пластиковой бутылки

Изучая историю появления пластиковой бутылки, мы узнали, что пластиковая бутылка впервые появилась на рынке США в 1970 году почти 45 лет назад. На территории России пластиковые бутылки получили популярность после прихода на рынок безалкогольных напитков западных корпораций «Кока-Кола» и ПепсиКо. Первый завод по производству лимонада в пластиковых бутылках в СССР открыла компания «ПепсиКо» в 1974 году в Новороссийске. С тех пор прошло без малого полвека, и теперь когда-то модная бутылка стала обыденной. Первая пластиковая бутылка весила 135 граммов. Сейчас она весит 69 граммов. В современном мире уже никого не удивляет вид пластиковой бутылки. Такие бутылки, как правило, имеют больший объём по сравнению со стеклянными, и более безопасны за счёт упругости. В наше время пластиковые бутылки используют не только производители газированных напитков, но и косметические и парфюмерные фабрики.

В настоящее время бутылки занимают твёрдое и неотъемлемо важное место во всём мире. Сейчас в любой торговой точке, представлен широкий ассортимент товаров народного потребления в пластиковых бутылках. Рост их производства пришёлся на 1980 год. Далее всё шло по нарастающей. Производители быстро разобрались, что они имеют более низкую себестоимость, что очень актуально. Потребители не хотят переплачивать за упаковку, а производители в свою очередь имеют возможность сделать цену более низкой и завоевать свою долю потребителей. В 1995-1999 г. рынок пластиковой тары вырос в 2 с половиной раза.

1.2 Способы утилизации пластика

Существует несколько различных способов утилизации ПЭТ (полиэтилен) отходов.

1. Сжигание. Довольно распространенным способом утилизации является сжигание. Сжигают в специальных печах различной конструкции, оборудованных фильтрами, очищающими вредные газы. Эти фильтры сложны в производстве и использовании и не всегда обеспечивают необходимую степень очистки. Кроме того, ПЭT может содержать различные стабилизирующие добавки и пигменты, в состав которых входят соли тяжелых металлов. При температуре свыше 700°С они переходят в газообразное состояние, и их последующее улавливание чрезвычайно затруднено. Использование для этих целей воды приводит к загрязнению и необходимости организации ее сложной очистки.

2. Захоронение. Это самый антиэкологичный вариант, так как ПЭТ бутылка и другие полимерные отходы не разлагаются естественным образом в почве.

3. Переработка. Наиболее безопасный способ утилизации ПЭT отходов – переработка бутылок в чистые хлопья. Для этого, как правило, используется автоматическая линия, которая позволяет из грязных бутылок получать чистые хлопья, имеющие отличные показатели и пригодные для дальнейшей переработки.

1.2.1 Последствия сжигания пластика

Иногда можно увидеть картину, как любители посидеть на природе в костре сжигают одноразовую пластиковую посуду, бутылки, пакеты и другой мусор, оставшийся после весело проведенного времени. Конечно, при таком способе избавления от мусора нет необходимости ехать на свалку и лес остается вроде бы чистым. Также можно встретить людей, которые используют пластик для создания поделок и плавят его в домашних условиях. Но насколько безобидно плавление пластика и его сжигание?

ПЭТ плавится при довольно высокой температуре – 260 °С, но при нагреве до 60 °C ПЭТ размягчается и теряет форму. ПЭТ известен тем, что в нем содержится сурьма и канцерогены. Эти вещества могут высвобождаться при горении или плавлении. Также при сжигании пластика и полиэтилена образуютсядиоксины, которые являются сильнейшими отравляющими веществами. Действие их на здоровье человека чудовищно и необратимо. К сожалению, до сих пор нет ни лекарств, ни профилактических средств для борьбы с их воздействием. По сути диоксины — это химическое оружие. Период полураспада диоксинов в тканях и органах человека идет в течение 12 и более лет. Это означает, что в течение многих лет организм испытывает на себе вредоносное влияние ядов, отчаянно сопротивляясь или уже не сопротивляясь.

Сжечь пластик без последствий для окружающей среды можно только при температуре около 1000 градусов, в печи, оборудованной дорогостоящими очистными фильтрами.

1.3 Опасность пластиковой бутылки

Оказывается, в составе пластиковой тары может содержаться химическое вещество бисфенол-А. Это синтетический аналог женского полового гормона. И это вредное вещество из пластика бутылки способно проникать в воду или жидкость, а затем и в организм человека.

Исследование ученых Гарвардской школы общественного здравоохранения (HSPH) показало, что содержание бисфенола-А в моче испытуемых, в течение недели пивших все напитки из пластиковых бутылок, увеличилось на 69%. Нагревание пластиковых бутылочек, что делают родители, когда хотят согреть молоко для своих детей, приводит к проникновению химиката в жидкое содержимое в опасных количествах.

Бисфенол-А активно проявляется, если помыть емкость, в которой он содержится, горячей водой. А если налить в нее что-нибудь горячее, то выделение бисфенола-А в жидкость может увеличиться до 55 раз! Если он попадает в организм, то выводится оттуда в течение суток. Но за эти 24 часа он успевает нанести вред!

Вредное воздействие оказывает бисфенол на мальчиков и юношей. Даже незначительное увеличение концентрации этого вещества способно привести к сбою в работе гормональных желез.

Для мужчин вода из пластиковых бутылок не менее вредна. Во-первых, повышенная концентрация бисфенола повышает вероятность рака простаты.

Девочки и женщины тоже подвержены негативному воздействию бисфенола. Это вредное химическое вещество способствует раннему половому созреванию у девочек, а также может спровоцировать развитие рака груди у женщин

Беременным женщинам вообще противопоказано пить воду из пластиковых бутылочек, так как из-за отравления бисфенолом ребёнок может появиться на свет с врождёнными дефектами, например, с нарушениями в работе сердечно-сосудистой системы. Не менее вероятны проблемы с гормональным фоном.

1.4 Цифры и факты о пластике

1. Должно пройти около 450 лет, прежде чем пластик начнет разлагаться. После этого, пройдет еще 50-80 лет, пока он полностью не разложится. При нынешних темпах производства этого материала наша планета полностью покроется пластиком, прежде чем начнется процесс его разложения.

2. С учетом периода разложения можно сказать, что ни один кусочек произведенного пластика в ближайшие 4 столетия даже не начнет разлагаться.

3. 40 % общих пластиковых отходов составляют пластиковые бутылки.

4. Еще один интересный факт заключается в том, что 90% той цены, которую Вы платите за воду - составляет стоимость пластика, в то время как сама вода стоит около 10%.

5. Один житель любой из высокоразвитых стран покупает в среднем от 150 бутылок воды в год, при этом не обращая внимание на альтернативу.

6. Одним из главных загрязнителей океана является рыболовецкая промышленность, выбрасывающая огромное количество пластикового мусора. Этот мусор вызывает гибель многих морских обитателей, которые принимают мусор за пищу. Количество погибающих животных исчисляется миллионами. Выброс мусора также приводит к образованию Большого Тихоокеанского мусорного острова, куда течения приносят весь выбрасываемый пластик.

7. Свыше 13 миллиардов пластиковых бутылок производится в мире ежегодно.

8. Переработка всего одной пластиковой бутылки может сгенерировать достаточное количество энергии для того, чтобы лампочка в 60 В светилась на протяжение 6 часов.

9. В некоторых странах полностью запрещено использование пластиковых бутылок. Среди них Австралия, Китай, Австрия, Бангладеш, Ирландия и несколько других стран.

2. Биопластик и биоупаковка

Биополимерами называют длинные молекулы, состоящие из одинаковых звеньев, которые встречаются в природе и входят в состав живых организмов, — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и прочие. Но сейчас речь пойдет не о них, а о полимерах, сделанных из растительного сырья, — именно их называют биопластиками.

Биопластик – это современная альтернатива синтетическому пластику, это - материалы, получаемые из природных соединений, например, крахмала. Такой пластик разлагается в природной среде микроорганизмами [2].

Широкомасштабное внедрение биопластиков пока не началось; главным фактором, сдерживающим наращивание масштабов производства и применения биопластиков, остается их большая, чем синтетических материалов, стоимость. Однако в начале XXI в. удалось снизить затраты на производство биопластика, и термин biodegradablepolymer – биополимер становится неотъемлемой частью процесса производства упаковки [5].

Чаще всего полимерные материалы используются в качестве упаковочных материалов, поэтому создание биоупаковки сегодня наиболее актуально. Пластиковая упаковка активно применяется во всех сферах нашей жизни, в нее пакуются как бытовые, так и пищевые продукты. Именно поэтому огромная часть не разлагаемых отходов приходится на долю упаковочной индустрии [3].

Одним из новейших достижений в области инновационной, многофункциональной упаковки является создание так называемой «съедобной» упаковки, представленной для пищевой продукции. Они имеет вид различных покрытий и оболочек. Необходимо, чтобы используемые для этого материалы обязательно отвечали всем нормам и правилам для продуктов. Важно, чтобы они были хорошо растворимы в воде, легко разлагались при воздействии на них желудочного сока. Материалы, используемые для «съедобной» упаковки, получают из различных природных полисахаридов, имеющих разветвленную структуру – это крахмалы и разные производныецеллюлозы [4,5].

Свойства этих полимеров поистине уникальны: обладая прекрасной пленкообразующей способностью (съедобные пленки), они широко используются как компоненты пищевых продуктов, например, в качестве структурообразующих агентов (загустителей) в пастообразной молочной, кондитерской и плодоовощной продукции. Пленки на основе производных целлюлозы и модифицированных крахмалов защищают пищевой продукт от потерь массы и создают определенный барьер проникновению кислорода и других веществ извне, замедляют порчу пищевого продукта[6].

2.1 История создания биоупаковки

Известно, что съедобные упаковочные пленки и покрытия в течение многих веков уже используется для сохранения качества пищевых продуктов. Например, еще в 18 веке в Японии была запатентована одноразовая посуда, изготовленная из прессованной рисовой муки, после использования которой по назначению, ее можно было съесть [1].

Большие успехи в этом направлении достигнуты в Германии, где созданы самые разнообразные деструктурируемые полимерные вещества из различных съедобных материалов: крахмала, желатина, природных целлюлоз. Из этих пищевых ингредиентов производят лотки, банки, тарелки, чашки[3].

Для борьбы с проблемой загрязнения пластиком, команда из Бельгии создала в 2013 году биоразлагаемую упаковку под названием DoEat, которая сделана из картофельного крахмала и может быть съедена вместе с содержимым[5].

Американские биотехнологии изобрели жидкий оберточный материал для овощей и фруктов, главные компоненты которого - хитозан (природный полимер, получаемый из панциря крабов) и фермент лизоцим, содержащийся в яичном белке. Внешне такая упаковка напоминает полиэтиленовую обертку, с той разницей, что ее можно есть вместе с продуктом, обогащая организм биологически активными добавками[7].

Нельзя не отметить, что развитие производства биоразлагаемых полимеров требует значительных инвестиций в исследования, сельскохозяйственные работы, строительство заводов. Несмотря на это, многие европейские и американские компании готовы идти на эти траты. По данным СМИ, затраты на переработку пластика также требуют крупных вложений. Производственная линия полного цикла переработки синтетического пластика с производительностью около 1 т/ч по состоянию на 2016 год обойдется производителю в 130-135 тыс.долларов[8].

2.2 Составляющие для создания биопластика

Для лучшего понимания сходств и отличий рецептур и для облегчения поиска правильных подходов к приготовлению биопластика на основе крахмала, важно понимать механику протекающих в процессе его получения реакций и их предназначения. Главным компонентом является природный биополимер - крахмал.

Крахмал состоит в основном из двух видов полисахаридов: линейной амилозы и ветвистого амилопектина.

Для получения пластика намного лучше подходят линейные молекулы амилозы, именно поэтому в рецептах присутствуют кислоты и соли, ионы которых в растворе способствуют разрыву связей, соединяющих ветви амилопектина. Амилопектин рвется на множество более коротких цепочек амилозы. Эти молекулы перепутываются и образуют прочные связи [1].

Такие крепкие переплетения приводят к образованию достаточно твердого и жесткого пластика, что может стать причиной его хрупкости и ограниченности сфер применения. Для того, чтобы обеспечить некоторое скольжение между цепочками и сделать материал достаточно гибким, в рецептах присутствуют глицерин. Он играет роль смазки в структуре полученного пластика и делает его мягким и гибким, увеличивает гигроскопичность. Глицерин относится к группе стабилизаторов, обладающих свойствами сохранять и увеличивать степень вязкости и консистенции пищевых продуктов [2].

Для получения линейных структур крахмала мы использовали ионы соли и лимонную кислоту. Вода является одним из основных реактивов реакции гидролиза крахмала. От количества воды зависит и степень вязкости и, соответственно, толщина упаковки.

3. Создание крахмалопластов

3.1 Методика получения крахмалопласта

Для получения биополимеров на основе крахмала – крахмалопластов мы искали рецепты на различных сайтах в Интернете [8,9], а часть составляли самостоятельно, опираясь на результаты проведенных опытов.

Для создания биополимеров мы использовали картофельный крахмал и ингредиенты, которые способствуют гидролизу крахмала, для получения линейных структур крахмала мы использовали лимонную кислоту или соли (поваренную соль, соду), а также глицерин для придания гибкости и мягкости биополимеру.

Вода является одним из основных реактивов реакции гидролиза крахмала. От количества воды зависит и степень вязкости и, соответственно, толщина упаковки.

3.2 Опыт. Используемый рецепт.

Картофельный крахмал- 50 г, глицерин – 1 ч. л., лимонная кислота – 1 ч. л., вода – 50 мл.

3.3 Результаты опытов

В опыте – был получен эластичный, гибкий и прозрачный материал, который можно в дальнейшем использовать как биопластик. Мы решили добавить для эластичности больше воды и глицерина, а также пищевые красители разных цветов – это легло в основу собственного рецепта. Были получены несколько цветных крахмалопластов, эластичных, гибких и мягких.

После получения крахмалопластов, образцы были проверены на то, как они взаимодействуют с пресной и солёной водой, как быстро они могут разлагаться в природе. Образцы были погружены в два образца воды на три дня и снова рассмотрены их свойства. При помещении материала в воду: сначала крахмалопласт терял свой цвет – пищевой краситель растворялся в воде, а через несколько дней и весь образец разбухал и почти полностью растворился. В морской воде растворение биопластика шло быстрее.

После изучения свойств, полученных крахмалопластов, мы пришли к выводу, что все полученные образцы можно использовать в качестве упаковочного материала, согласно их свойствам.

Мы можем предположить, что хрупкость крахмалопластов с солью и содой, связана с возможность образования солевых мостиков между полимерными цепочками амилопектина и считаем собственный рецепт наиболее подходящим для дальнейших исследований и применения.

Заключение и выводы

Биопластики пока не получили широкого применения (2010 г - 0,2% от общего количества полимеров, а к 2020 году ожидают 2-5%). Проблема в деньгах — сегодня биопластики стоят в 2–7 раз дороже, чем их аналоги, полученные из углеводородного сырья. Однако не стоит забывать о том, что еще пять лет назад они были в 35–100 раз дороже[9]. Практически все группы полимеров, которые сегодня делают из нефти, уже имеют аналоги, произведенные из биоресурсов, и их можно было бы, по крайней мере, частично заменить во всех применениях. Но пока биопластики так дороги, их массовый выпуск нереален[8].

Многие эксперты полагают, что как только большое количество заводов начнет выпускать биопластики, цена упадет, и тогда-то они составят реальную конкуренцию полимерам из нефти. Поскольку свойства материалов улучшаются, а объемы производства растут, то перспективы, очевидно, есть[9].

Данная работа показала, что крахмал можно использовать как материал для получения биоупаковки; можно получать биоупаковки разного назначения, подбирая соответствующие ингредиенты биоупаковки на основе крахмала экологически безопасны как для природы в целом, так и для здоровья человека.

Список используемой литературы

1. А. Лешина Пластики биологического происхождения, «Химия и жизнь» №9, 2012.

2. Касьянов Г.И. Биоразрушаемая упаковка для пищевых продуктов Вестник науки и образования Северо-Запада России.- 2015, Т. 1.

3. http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431802

4. http://ooley.ru/bioplastik-iz-krahmala-sbor-znanij/

5. http://ecoidea.by/ru/article/1593

6. https://www.1000ideas.ru/article/biznes/ekologicheskie-i-sotsialnye-proekty/biznes-ideya-5950-sedobnye-organicheskie-pakety/http://www.findpatent.ru/patent/222/2220161

7.http://medbe.ru/materials/problemy-i-metody-biotekhnologii/bioupakovka- alternativa- sinteticheskomu-plastiku-sovremennoe-sostoyanie-i-napravlenie-rabot-po-razru/

8. http://sredovarka.ucoz.com

9. http://zarinsk.ru/news2109

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/576580-proekt