Kunststoffnutzung, Probleme und zukünftige Entwicklungstrends

Medienberichten zufolge sagte der Meeresforscher Charles Moore, dass nur wir Menschen Müll erzeugen können, der von der Natur nicht abgebaut werden kann. Es wird berichtet, dass er 1997 während einer Untersuchung des Pazifischen Ozeans die Meeresmüllzone entdeckte, bei der es sich hauptsächlich um Kunststoffmüll handelte.

Die meisten Menschen denken bei Meeresmüll an Kunststoffabfälle, die in ihr Sichtfeld gelangen. Diese Materialien sind überall. Wir Menschen produzieren jedes Jahr etwa 300 Millionen Tonnen Kunststoff, und etwa die Hälfte davon wird nur einmal verwendet, was bedeutet, dass die Produkte nach Gebrauch sofort weggeworfen werden. Normalerweise wird der meiste Kunststoffabfall zur Behandlung auf Mülldeponien transportiert, aber ein Teil dieses Mülls wird weggeweht, gelangt in Flüsse und fließt schließlich in den Ozean. Tatsächlich gelangen jedes Jahr durchschnittlich etwa 8 Millionen Tonnen Kunststoffschadstoffe in den Ozean, wo sie sich um Meereslebewesen wickeln, Korallenriffe verschmutzen und schließlich durch Wasser, Wind und Sonnenlicht zersetzt und in Billionen kleiner Kunststoffpartikel zerlegt werden.

Für viele Meeresarten sehen Kunststoffpartikel sehr attraktiv aus und ähneln Nahrung. Sie fressen diese Meeresschadstoffe und verhungern schließlich aufgrund von Nährstoffmangel. Letztendlich gelangen diese Schadstoffe in den Körper der Tiere, und Wissenschaftler untersuchen weiterhin die biologischen Auswirkungen, die durch Meeresmüll entstehen. Mikroplastik kann auch dem Menschen schaden, da wir es durch den Verzehr von Meeresfrüchten oder sogar durch das Trinken von Wasser aufnehmen. Im Jahr 2019 forderte die Weltgesundheitsorganisation eine eingehende Forschung, um die potenziellen Auswirkungen der Mikroplastikverschmutzung auf die menschliche Gesundheit zu analysieren.

Die Tatsache, die all dies stützt, ist: Aufgrund der bei der Kunststoffherstellung verwendeten Inhaltsstoffe besitzt Kunststoff eine unglaubliche Flexibilität und ist möglicherweise biologisch nie wirklich abbaubar. In den letzten Jahren hoffen Wissenschaftler, ihn durch Mikroorganismen in Wasser und Boden effektiv wieder in Verbindungen umzuwandeln, die in der Natur wiederverwendet werden können. In Anbetracht der Kunststoffverschmutzung in der natürlichen Umwelt entsteht ein klareres Problem: Einweg-Kunststoffabfälle, die in den Ozean gelangen, könnten hunderte von Jahren nicht abgebaut werden, was eine ernsthafte Bedrohung für die Meeresumwelt darstellt.

Wie erschaffen wir diese anhaltende Kunststoffkrise? Die Antwort liegt im Prozess der Kunststoffherstellung, aber zunächst ist es am wichtigsten zu verstehen, dass "Kunststoff" nicht nur die Einkaufstüte ist, die wir uns im Meerwasser vorstellen. Derzeit gibt es eine große Menge an Kunststoffmüllfragmenten im Ozean, die sogar die Unterwasserumwelt verschmutzen.

Was ist Kunststoff?

Karl Ryder, Chemiker an der Heriot-Watt University im Vereinigten Königreich, sagte: "Das Wort "Kunststoff" umfasst normalerweise eine breite Palette uneinheitlicher Materialien. Jedes Material hat unterschiedliche Anwendungen und unterschiedliche physikalische Eigenschaften. Es gibt mehr als 300 Typen." Es wird berichtet, dass Ryder am Projekt des Plastic Cooperation Lab der Heriot-Watt University teilgenommen hat, um die nachhaltige Entwicklung der Kunststoffindustrie zu untersuchen und zu verbessern.

Wenn Kunststoff also so unterschiedlich ist, was haben sie dann gemeinsam? Sie bestehen aus Polymeren, und Polymere sind Moleküle, die aus vielen wiederkehrenden Einheiten bestehen. Diese Struktur verleiht vielen Kunststoffen Eigenschaften wie Flexibilität, Duktilität und Festigkeit. Darüber hinaus wird Kunststoff normalerweise in zwei Hauptklassen unterteilt: Biokunststoff und synthetischer Kunststoff. Biokunststoffpolymere stammen aus Maisstärke, Pflanzenöl und bakteriellen Quellen. Synthetischer Kunststoff ist ein Polymer, das aus Rohöl und Erdgas synthetisiert wird.

Obwohl biologisch basierte Polymere freundlich klingen, haben sie keine gute Umweltbilanz, da sie in der Umwelt bestehen bleiben können und nicht unbedingt biologisch abbaubar sind. Nicht alle biologisch abbaubaren Kunststoffe sind biologisch basiert. Der durch Materialien auf Öl- und Erdgasbasis verursachte Umweltschaden ist jedoch sehr schwerwiegend, da diese Art von Kunststoff eine längere Verweildauer in der Umwelt hat und gleichzeitig andere Umweltauswirkungen verursacht.

Um die Gründe zu verstehen, betrachten wir ein Beispiel für einen kunststoff auf Ölbasis: die Milchflasche im Kühlschrank. Dieser Kunststoffflasche beginnt ihren Lebenszyklus tatsächlich tief in der Erde, wo Rohöl in Hochdruckgebieten innerhalb der Erdkruste gesammelt wird. Es wird durch Bohrköpfe und Pumpvorrichtungen an die Erdoberfläche befördert und dann durch Pipelines zur Raffinerie transportiert. Die dichten Substanzen des Rohöls bestehen aus Kohlenwasserstoffen. Die Kohlenwasserstoffe sind durch Kohlenstoff- und Wasserstoffatome verbunden. Sie bilden eine Kettenstruktur unterschiedlicher Länge und verleihen ihnen unterschiedliche Eigenschaften. Diese Kohlenwasserstoffe sind die frühesten Kunststoffrohstoffe auf der Erde.

In der Raffinerie beginnt die Produktion von Kunststoffprodukten erst richtig. Rohöl, das wie Melasse aussieht, wird erhitzt. Je nach Anzahl der in den Kohlenwasserstoffen enthaltenen Atome und dem resultierenden Molekulargewicht werden sie in Destillationsrohren getrennt. In den Destillationsrohren setzen sich die langen und schwereren Kohlenwasserstoffverbindungen am Boden ab, während die Molekülstrukturen mit kürzeren und leichteren Kohlenwasserstoffverbindungen nach oben steigen. Das Rohöl wird schließlich in verschiedene chemische Substanzen getrennt, wie zum Beispiel: Petroleum, Benzin und Paraffin, von denen jede eine Kohlenwasserstoffverbindung mit ähnlichem Gewicht und ähnlicher Moleküllänge enthält. Eine davon ist Petroleumöl, das der Hauptrohstoff für die Kunststoffherstellung wird.

Petroleum ist wie Goldstaub in der Kunststoffproduktion, da die Kohlenwasserstoffverbindungen Ethylen und Acryl enthalten. Diese beiden Verbindungen sind entscheidend für die gängigsten Kunststoffprodukte. Um Substanzen herzustellen, die für die Kunststoffherstellung verwendet werden können, müssen Ethylen und Acryl zunächst ihre Kohlenwasserstoff-Rohstoffe in kleinere Einheiten zerlegen.

Es gibt verschiedene Methoden, dies zu tun. Eine Methode ist die Verwendung von hoher Temperatur und hohem Druck in einer sauerstofffreien Umgebung. Dieser Prozess wird "Dampfspaltung" (Steam Cracking) genannt. Dabei entstehen Monomere.

Paial Bachti, Postdoktorand an der Aston University, der sich auf nachhaltige Polymermaterialien konzentriert, sagte: "Ethylen kann nach dem thermischen Cracken direkt aus dem Naphtha gewonnen werden. Acryl ist ein wichtiger Rohstoff für die Herstellung von Kunststoffmaterialstrukturen."

Im nächsten Schritt erfolgt die Polymerisationsreaktion. Dabei werden die einzelnen Monomerkomponenten chemisch auf eine neue Weise kombiniert, um eine lange, wiederkehrende Kette zu bilden. Ethylen und Acryl bilden Polyethylen und Polypropylen, die beiden häufigsten und am weitesten verbreiteten Polymere auf der Erde.

Warum sind diese beiden Polymere so beliebt? Die Struktur von Polyethylen kann verwendet werden, um Kunststoffe mit unterschiedlicher Dichte herzustellen, was bedeutet, dass sie zerbrechlich und flexibel oder eine feste und zähe Substanz sein können, weshalb ihr Verwendungszweck sehr breit gefächert ist. Darüber hinaus weist die Struktur von Polypropylen eine einzigartige Flexibilität und Elastizität auf. Daher sehen wir jeden Tag viele Arten von Kunststoffprodukten. Polypropylen wird hauptsächlich zur Herstellung von Einweg-Kunststoffprodukten verwendet, wie zum Beispiel: Milchflaschen, Kunststoffverpackungen für den täglichen Gebrauch, Strohhalme, Wasserflaschen, Einkaufstüten, Shampooflaschen, Flaschenverschlüsse usw.

Dies sind jedoch nur zwei von Dutzenden synthetischen Kunststoffen. Andere Arten von Kohlenwasserstoffen werden aus verschiedenen Quellen getrennt und zersetzt. Sie stammen nicht nur aus Rohöl, sondern auch aus Erdgas. Sie werden auch zur Herstellung von Kunststoffen verwendet. In einigen Fällen kann das Polymer aus einem einzigen Monomer bestehen, genau wie das Polyethylen und Polypropylen, die wir sehen, oder sie können Kombinationen aus mehreren Arten von Monomeren enthalten.

Noch wichtiger ist, dass jede Polymerkette auf unterschiedliche Weise verarbeitet und mit verschiedenen Additiven gemischt wird, darunter: Antioxidantien, Treibmittel, Weichmacher, Flammschutzmittel usw., damit sie alle Arten von ökologischen Funktionen erfüllen und Kunststoff so "universell" machen.

Bachti sagte: "Verschiedene Kunststoffe haben unterschiedliche Eigenschaften. Nehmen wir als Beispiel Lebensmittelverpackungen. Sie sollten verhindern, dass sie durch übermäßigen Sauerstoff und Sonnenlicht abgebaut werden. Daher enthält der Kunststoff nach der Polymercharakterisierung Additive."

Letztendlich haben diese Kunststoff-Industrieketten die Vielfalt der Kunststoffprodukte geschaffen, die wir heute haben. Sie haben große Beiträge zur Lebensmittelproduktion und -lagerung, zu Kosmetika, zur Technologieforschung und -entwicklung sowie zur medizinischen Versorgung geleistet.

"Fremdmaterialien"

Lassen Sie uns nun den Produktionsprozess von Kunststoffprodukten "vorspulen". Der aus Öl und Erdgas synthetisierte Kunststoff besteht darin, die Kohlenwasserstoffverbindungen zu trennen, sie in ihre Bestandteile zu zerlegen und diese Teile dann in der Natur in einer neuen Form neu zu organisieren. Einfach ausgedrückt schafft dies ein "Fremdmaterial", das Mikroorganismen in Erde und Wasser fremd ist. Bachti erklärte, dass die Kohlenstoff-Hauptkette im synthetischen Kunststoff von Bodenbakterien nicht erkannt werden kann, was bedeutet, dass sie nicht verdaut und in Wasser und Kohlendioxid umgewandelt werden können.

"Ledexia sagte: "Polyethylen benötigt einige Jahrhunderte, um auf Mülldeponien zu zersetzen, was bedeutet, dass viele Dinge, die wir in unserem Leben hergestellt haben, immer noch in ihrer ursprünglichen Form bestehen bleiben. Unter dem Einfluss von Sonne, Wasser und Wind wird der Kunststoff allmählich zersetzt. Kunststoffprodukte, die aus Öl und Erdgas gewonnen werden, setzen Treibhausgase frei und geben die während des Produktionsprozesses hinzugefügten Chemikalien an die Umwelt zurück. Wir müssen der Menge an Einweg-Kunststoffverschmutzung besondere Aufmerksamkeit schenken. Neben der anhaltenden Zerstörung der Umwelt über Hunderte von Jahren könnte die durch Kunststoffprodukte verursachte Umweltkatastrophe in der Zukunft noch schwerwiegender sein.""

Es gibt jedoch auch Möglichkeiten, diese Berge von Kunststoffmüll loszuwerden. Ledexia glaubt, dass biologisch abbaubarer Kunststoff einer der Schwerpunkte zukünftiger Forschung ist. Dies könnte eine potenzielle Lösung sein. Mit anderen Worten: Die Herstellung von biologisch abbaubarem Kunststoff bedeutet nicht unbedingt, dass er aus biologischen Rohstoffen wie Maisstärke hergestellt werden muss (obwohl dies eine Lösung bieten könnte), sondern spezifischer, dass dieser Prozess zur Herstellung von Kunststoff mit Polymeren verwendet werden muss. Diese Polymere können von Mikroorganismen in Wasser und Boden vernünftig und effektiv zersetzt werden.

Wenn man die Auswirkungen von Kunststoff auf die Erdumwelt vollständig verändern will, könnten biologisch abbaubare Polymere das ölige Polyethylen und Polypropylen ersetzen, während gleichzeitig die Festigkeit und Flexibilität der traditionellen Polymere erhalten bleiben muss. Dies ist der Grund, warum sie so beliebt sind, aber es ist eine schwierige Aufgabe, da traditionelle Polymere bei den Herstellungskosten immer noch wettbewerbsfähig sind, was die Aufgabe noch kniffliger macht.

In den letzten Jahren machen jedoch einige biologisch abbaubare Lösungen Fortschritte. Eine davon ist Polystyrol, das zur Herstellung von Einwegartikeln wie Bechern, Geschirr und Strohhalmen verwendet werden kann. Sobald es in die menschliche Lebensumwelt gelangt, kann es effektiver biologisch abgebaut werden. Es wird angenommen, dass solche Erfindungen mit der weltweit steigenden Nachfrage nach Kunststoffprodukten allmählich zunehmen werden.

Es gibt auch positive und optimistische Anzeichen in anderen Bereichen. Im Jahr 2016 entdeckten Forscher eine Bakterienart, die Kunststoff fressen kann, und später entdeckten andere Würmer, die Polyethylen fressen können. Darüber hinaus wurden Enzyme gefunden, die Kunststoffabfälle zersetzen können.

"Vielleicht werden wir in den nächsten Jahren Kunststoffzersetzung und -verdauung von diesen Bakterien und Würmern erhalten und sogar Polyethylen-Plastiktüten abbauen können, um größere Würmer zu züchten, die unseren Kunststoffmüll verschlingen können."

Auf jeden Fall ist es dem Menschen bei der Herstellung von Kunststoffen gelungen, Rohstoffe aus der Natur zu gewinnen und sie so vollständig zu transformieren, dass sie nicht mehr verdaut werden können. Dies ist das Dilemma, das durch menschlichen Einfallsreichtum verursacht wurde. Jetzt hoffen wir, all dies durch Forschung und Entwicklung neuer Technologien zu ändern!

Alle oben genannten Methoden zur Lösung von Kunststoffproblemen müssen durch Wissenschaft und Technologie weiterentwickelt werden, und es gibt Probleme mit gewissen technischen Hindernissen und zu hohen Kosten vor dem allgemeinen Einsatz.

Und der beste Weg, Kunststoffprobleme jetzt zu lösen, ist das Recycling. Die mehrfache Nutzung von Kunststoff durch Schritte wie Zerkleinern und Reinigen von Granulat schützt nicht nur die Umwelt, sondern reduziert auch die Kosten für die Kunststoffnutzung. Es ist derzeit der effektivste Weg, Kunststoffprobleme zu lösen.