استخدام البلاستيك، والمشكلات، واتجاهات التطوير المستقبلية

وفقاً لتقارير إعلامية، قال الباحث في الشؤون البحرية تشارلز مور إننا نحن البشر فقط من يمكننا خلق نفايات لا تستطيع الطبيعة هضمها. ويُذكر أنه في عام 1997، اكتشف منطقة النفايات البحرية أثناء مسحه للمحيط الهادئ، وكانت هذه النفايات في الغالب نفايات بلاستيكية.

يعتقد معظم الناس أن النفايات البحرية هي عادةً نفايات منتجات بلاستيكية تدخل في نطاق الرؤية. هذه المواد موجودة في كل مكان. نحن البشر ننتج حوالي 300 مليون طن من البلاستيك كل عام، ويُستخدم حوالي نصفها لمرة واحدة، مما يعني أن الناس ينتهون من استخدامها ويتم التخلص من المنتجات البلاستيكية على الفور. عادةً ما يتم نقل معظم النفايات البلاستيكية إلى مكب النفايات للمعالجة، ولكن بعض هذه النفايات تتطاير بفعل الرياح، وتدخل الأنهار، وتتدفق في النهاية إلى المحيط. في الواقع، يدخل المحيط ما متوسطه حوالي 8 ملايين طن من الملوثات البلاستيكية كل عام، حيث تلتف حول الحياة البحرية، وتلوث الشعاب المرجانية، وتتحلل في النهاية بفعل الماء والرياح وأشعة الشمس، وتتفكك إلى تريليونات من الجسيمات البلاستيكية الصغيرة.

بالنسبة للعديد من الأنواع البحرية، تبدو الجسيمات البلاستيكية جذابة للغاية وتشبه الطعام. فهي تأكل الملوثات البحرية، وفي النهاية تموت جوعاً بسبب نقص التغذية. وفي نهاية المطاف، تُنقل هذه الملوثات إلى داخل جسم الحيوان، ولا يزال العلماء يواصلون استكشاف التأثير البيولوجي الذي تخلفه النفايات البحرية. قد تسبب اللدائن الدقيقة (الميكروبلاستيك) أيضاً ضرراً للبشر، لأننا نتناولها عن طريق أكل المأكولات البحرية أو حتى شرب الماء. في عام 2019، دعت منظمة الصحة العالمية إلى إجراء بحث متعمق لتحليل التأثير المحتمل للتلوث باللدائن الدقيقة على صحة الإنسان.

الحقيقة التي تدعم كل هذا هي: وفقاً للمكونات المستخدمة في تصنيع البلاستيك، يتمتع البلاستيك بمرونة لا تصدق، وقد لا يتحلل بيولوجياً بشكل حقيقي أبداً. في السنوات الأخيرة، يأمل العلماء في استعادته بفعالية من خلال الكائنات الحية الدقيقة في الماء والتربة لتحويله إلى مركبات يمكن إعادة استخدامها في الطبيعة. وبالنظر إلى التلوث البلاستيكي في البيئة الطبيعية، ستتشكل مشكلة أكثر وضوحاً، مثل النفايات البلاستيكية ذات الاستخدام الواحد التي تدخل المحيط والتي قد لا تتحلل لمئات السنين، مما سيشكل تهديداً خطيراً للبيئة البحرية.

كيف نخلق هذه الأزمة البلاستيكية المستمرة؟ الإجابة تكمن في عملية صنع البلاستيك، ولكن أولاً وقبل كل شيء، أهم شيء هو فهم أن "البلاستيك" ليس مجرد كيس تسوق نتخيله في مياه البحر. في الوقت الحالي، هناك كمية كبيرة من شظايا النفايات البلاستيكية في المحيط، والتي تلوث حتى البيئة تحت الماء.

ما هو البلاستيك؟

قال كارل رايدر، الكيميائي في جامعة هيريوت وات في المملكة المتحدة: "كلمة "بلاستيك" تغطي عادةً مجموعة واسعة من المواد غير المتجانسة. كل مادة لها تطبيقات مختلفة وخصائص فيزيائية مختلفة. هناك أكثر من 300 نوع". ويُذكر أن رايدر شارك في مشروع مختبر تعاون البلاستيك بجامعة هيريوت وات لدراسة وتحسين التنمية المستدامة لصناعة البلاستيك.

إذاً، إذا كان البلاستيك متنوعاً جداً، فما الذي يشترك فيه؟ إنها تتكون من بوليمرات، والبوليمرات هي جزيئات تتكون من العديد من الوحدات المتكررة. يمنح هذا الهيكل البلاستيك العديد من الخصائص، مثل: المرونة، والليونة، والقوة. بالإضافة إلى ذلك، ينقسم البلاستيك عادةً إلى فئتين رئيسيتين: البلاستيك الحيوي والبلاستيك الصناعي. تأتي بوليمرات البلاستيك الحيوي من نشا الذرة، والزيوت النباتية، ومصادر البكتيريا. أما البلاستيك الصناعي فهو بوليمر يتم تصنيعه من النفط الخام والغاز الطبيعي.

على الرغم من أن البوليمر ذو الأساس الحيوي يبدو صديقاً للبيئة، إلا أنه لا يتمتع بسجل بيئي جيد، لأنه قد يستمر في الوجود في البيئة ولا يمكن تحلله. ليست كل المواد البلاستيكية القابلة للتحلل الحيوي ذات أساس حيوي. ومع ذلك، فإن الضرر البيئي الناجم عن المواد المشتقة من النفط والغاز الطبيعي خطير للغاية، لأن هذا النوع من البلاستيك يبقى لفترة أطول في البيئة، وفي الوقت نفسه يسبب تأثيرات بيئية أخرى.

لفهم الأسباب، دعونا نلاحظ مثالاً على البلاستيك المشتق من النفط: وضع زجاجة الحليب في الثلاجة للتبريد. تبدأ هذه الزجاجة البلاستيكية مسار حياتها. في الواقع، يتجمع النفط الخام الموجود في أعماق الأرض في مناطق الضغط العالي داخل القشرة الأرضية. يتم نقلها إلى سطح الأرض من خلال مجسات الحفر وأجهزة الضخ، ثم تُنقل إلى المصفاة عبر خط الأنابيب. تتكون المواد الكثيفة للنفط الخام من الهيدروكربونات. ترتبط الهيدروكربونات بذرات الكربون والهيدروجين. وهي تشكل بنية سلسلة بأطوال مختلفة وتمنحها خصائص مختلفة. هذه الهيدروكربونات هي أقدم المواد الخام البلاستيكية على وجه الأرض.

في المصفاة، تبدأ عملية إنتاج المنتجات البلاستيكية حقاً. يتم تسخين النفط الخام الذي يشبه الدبس على الموقد. ووفقاً لعدد الذرات الموجودة في الهيدروكربونات، والوزن الجزيئي الناتج، يتم توجيهها إلى أنابيب التقطير القريبة. في أنبوب التقطير، تترسب مركبات الهيدروكربون الطويلة والأثقل في القاع، بينما ترتفع الهياكل الجزيئية التي تحتوي على مركبات كربون أقصر وأخف وزناً إلى الأعلى، وفي النهاية يتم فصل المادة الأصلية إلى عدة مواد كيميائية مختلفة، مثل: البترول، والبنزين، والبارافين، ويحتوي كل منها على مركب هيدروكربوني بوزن وطول جزيئي متشابهين، وأحدها هو زيت البترول، الذي سيصبح المادة الخام الرئيسية لصنع البلاستيك.

البترول يشبه مسحوق الذهب في إنتاج البلاستيك، لأن مركبات الهيدروكربون تحتوي على الإيثيلين والأكريليك. هذان المركبان ضروريان لأكثر المنتجات البلاستيكية شيوعاً. لتصنيع زجاجات الحليب، ولكن من أجل إنشاء مواد يمكن استخدامها لصنع البلاستيك، يجب أولاً تفكيك الإيثيلين والأكريليك من مواد الهيدروكربون الخام إلى وحدات أصغر.

هناك طرق مختلفة للقيام بذلك. إحدى الطرق هي استخدام درجة حرارة عالية وضغط مرتفع في بيئة خالية من الأكسجين. تسمى هذه العملية "التكسير بالبخار". المونومر.

قال بايال باشتي، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة أستون، والذي ركز على مواد البوليمر المستدامة: "يمكن استخراج الإيثيلين مباشرة من زيت النفط الصخري بعد التكسير الحراري. الأكريليك مادة خام مهمة لصنع هياكل المواد البلاستيكية."

في الخطوة التالية، يتم إجراء الدراسة من خلال عملية تسمى تفاعل البلمرة. في هذه العملية، يتم دمج مكونات المونومر المنفصلة كيميائياً بطريقة جديدة لإنتاج سلسلة متكررة طويلة. يشكل الإيثيلين والأكريليك البولي إيثيلين والبولي بروبيلين، وهما أكثر بوليمرين شيوعاً وإنتاجاً على وجه الأرض.

إذاً لماذا يحظى هذان البوليمران بشعبية كبيرة؟ يمكن استخدام هيكل البولي إيثيلين لصنع بلاستيك بكثافة مختلفة، مما يعني أنه يمكن أن يكون هشاً ومرناً، أو مادة صلبة وقوية، لذا فإن أغراض استخدامه واسعة جداً. بالإضافة إلى ذلك، يتمتع هيكل البولي بروبيلين أيضاً بمرونة ومطاطية فريدة. لذلك، نرى العديد من أنواع المنتجات البلاستيكية كل يوم. يُستخدم البولي بروبيلين بشكل أساسي لإنشاء منتجات بلاستيكية تستخدم لمرة واحدة، مثل: زجاجات الحليب، والتغليف البلاستيكي المستخدم في الحياة اليومية، والقش، وزجاجات المياه، وأكياس التسوق، وزجاجات الشامبو، وأغطية الزجاجات، وما إلى ذلك.

ومع ذلك، فهذه مجرد اثنين من عشرات المواد البلاستيكية الصناعية. يتم فصل أنواع أخرى من الهيدروكربونات وتفكيكها من مصادر مختلفة. فهي لا تأتي فقط من النفط الخام، بل أيضاً من الغاز الطبيعي. كما أنها تستخدم لصنع البلاستيك. في بعض الحالات، قد يتكون البوليمر من مونومر واحد، تماماً مثل البولي إيثيلين والبولي بروبيلين الذي نراه، أو قد يتضمن عدة أنواع من مجموعات المونومر.

والأهم من ذلك، ستتم معالجة كل سلسلة بوليمر بطرق مختلفة وخلطها مع إضافات متنوعة، بما في ذلك: مضادات الأكسدة، وعوامل الرغوة، والملدنات، ومثبطات اللهب، وما إلى ذلك، بحيث يكون لها جميع أنواع الوظائف البيئية، مما يجعل البلاستيك "عالمياً" للغاية.

قال باشتي: "البلاستيك المختلف له خصائص مختلفة. خذ تغليف المواد الغذائية كمثال. يجب أن يمنع الأكسجين الزائد وأشعة الشمس من التحلل. لذلك، فإنه يحتوي على إضافات بعد خصائص البوليمر، مما يؤدي إلى تكوين البلاستيك."

في النهاية، خلقت سلاسل صناعة البلاستيك هذه تنوع المنتجات البلاستيكية التي لدينا اليوم. لقد قدمت مساهمات كبيرة في إنتاج وتخزين الأغذية، ومستحضرات التجميل، والبحث والتطوير التكنولوجي، والرعاية الطبية.

"مواد غريبة"

الآن دعونا "نقدم سريعاً" لفهم عملية إنتاج المنتجات البلاستيكية. البلاستيك المصنع من النفط والغاز الطبيعي هو فصل مركبات الهيدروكربون وتفكيكها إلى أجزاء منها، ثم إعادة تنظيم هذه الأجزاء في الطبيعة. شكل جديد. ببساطة، هذا يخلق "مادة خارجية"، وهي غير مألوفة للكائنات الحية الدقيقة في مياه الأرض والتربة. أوضح باشتي أن سلسلة الكربون الرئيسية في البلاستيك الصناعي لا يمكن التعرف عليها من قبل بكتيريا التربة، مما يعني أنها لا تستطيع هضمها وتحويلها إلى ماء وثاني أكسيد الكربون.

"قال لانديام" إن البولي إيثيلين يحتاج إلى بضعة قرون ليتحلل في مكبات النفايات، مما يعني أن العديد من الأشياء التي صنعناها في حياتنا لا تزال قريبة من شكلها الأصلي. تحت تأثير الشمس والماء والرياح، يتحلل البلاستيك تدريجياً. ستطلق المنتجات البلاستيكية المشتقة من النفط والغاز الطبيعي غازات دفيئة وتعيد المواد الكيميائية المضافة أثناء عملية الإنتاج إلى البيئة. نحن بحاجة إلى إيلاء اهتمام خاص لعدد التلوث البلاستيكي الذي يستخدم لمرة واحدة. بالإضافة إلى تدميره المستمر للبيئة لمئات السنين، قد تكون الكارثة البيئية الناجمة عن المنتجات البلاستيكية في المستقبل أكثر خطورة."

ومع ذلك، هناك أيضاً طرق للتخلص من هذه النفايات البلاستيكية التي تراكمت كالجبال. يعتقد ليديكسيا أن البلاستيك القابل للتحلل الحيوي هو أحد محاور البحث المستقبلي. قد يكون هذا حلاً محتملاً. بعبارة أخرى، صنع البلاستيك القابل للتحلل الحيوي لا يعني بالضرورة استخدامه. يتم إنتاج المواد الخام الحيوية مثل نشا الذرة (على الرغم من أن هذا قد يوفر حلاً)، وبشكل أكثر تحديداً، تحتاج هذه العملية إلى استخدامها لصنع البلاستيك بالبوليمرات. يمكن تفكيك هذه البوليمرات بشكل معقول وفعال بواسطة الكائنات الحية الدقيقة في الماء والتربة.

إذا كنت ترغب في تغيير تأثير البلاستيك على بيئة الأرض تماماً، يمكن للبوليمرات الحيوية أن تحل محل البولي إيثيلين والبولي بروبيلين الزيتي، ولكن في الوقت نفسه، من الضروري الحفاظ على قوة ومرونة البوليمرات التقليدية. هذا هو السبب في أنها تحظى بشعبية كبيرة، ولكن هذه مهمة صعبة، لأن البوليمرات التقليدية لا تزال تنافسية في تكلفة التصنيع، مما يجعل المهمة أكثر صعوبة.

ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، تحرز بعض الحلول القابلة للتحلل الحيوي تقدماً. أحدها هو البوليسترين، الذي يمكن استخدامه لصنع عناصر تستخدم لمرة واحدة مثل الأكواب وأدوات المائدة والقش. بمجرد دخوله إلى بيئة المعيشة البشرية، يمكن أن يتحلل بيولوجياً بشكل أكثر فعالية. يُعتقد أنه مع استمرار زيادة الطلب على المنتجات البلاستيكية عالمياً، قد تزداد مثل هذه الاختراعات تدريجياً.

هناك أيضاً علامات إيجابية ومتفائلة في مجالات أخرى. في عام 2016، وجد الباحثون نوعاً من البكتيريا التي يمكنها أكل البلاستيك، ثم وجد آخرون ديدان يمكنها أكل البولي إيثيلين. بالإضافة إلى ذلك، وجدوا أيضاً إنزيمات يمكنها تفكيك النفايات البلاستيكية.

"ربما في السنوات القليلة المقبلة، سنحصل على تحلل وهضم للبلاستيك من هذه البكتيريا والديدان، ويمكننا حتى تفكيك الأكياس البلاستيكية المصنوعة من البولي إيثيلين لتربية ديدان أكبر، والتي يمكنها ابتلاع نفاياتنا البلاستيكية."

على أية حال، في عملية صنع البلاستيك، تمكن البشر من الحصول على مواد خام من الطبيعة وتحويلها تماماً بحيث لا يمكن هضمها. هذا هو المأزق الذي تسببت فيه الحكمة البشرية. الآن نأمل في تغيير كل هذا من خلال البحث وتطوير تقنيات جديدة!

جميع الطرق المذكورة أعلاه لحل مشاكل البلاستيك تحتاج إلى مزيد من التطوير من قبل العلم والتكنولوجيا، وهناك مشاكل تتعلق بعقبات تقنية معينة وتكاليف عالية جداً قبل الاستخدام العام.

وأفضل طريقة لحل مشاكل البلاستيك الآن هي إعادة التدوير. الاستخدام المتعدد للبلاستيك من خلال خطوات مثل التكسير وتنظيف الحبيبات، لا يحمي البيئة فحسب، بل يقلل أيضاً من تكلفة استخدام البلاستيك. وهي حالياً الطريقة الأكثر فعالية لحل مشاكل البلاستيك.