Uwzględnienie trwałości tworzyw sztucznych...

Naukowcy z Instytutu Oceanograficznego Woods Hole twierdzą, że uwzględnienie trwałości tworzyw sztucznych może skutecznie zminimalizować negatywny wpływ na środowisko. Nowe podejście pozwoli na projektowanie funkcjonalnych i zrównoważonych produktów z tworzyw sztucznych. Przejście na alternatywne materiały do produkcji jednorazowych kubków do kawy mogłoby istotnie obniżyć koszty środowiskowe społeczeństwa, przynosząc oszczędności rzędu setek milionów dolarów.

Woods Hole, Massachusetts — W obliczu poważnego zagrożenia dla ekosystemów i zdrowia ludzi związanego z zanieczyszczeniem tworzywami sztucznymi, różne strategie mające na celu redukcję tego rodzaju zanieczyszczeń obejmują ograniczenie produkcji tworzyw sztucznych, zmniejszenie generowania odpadów z tworzyw sztucznych oraz doskonalenie materiałów i procesów projektowania przedmiotów wykonanych z tworzyw sztucznych.

Naukowcy opracowali nowy miernik zrównoważonego rozwoju dotyczący ekologicznego projektowania produktów z tworzyw sztucznych, które cechują się niską trwałością w środowisku. Zgodnie z wynikami najnowszego badania przeprowadzonego przez zespół badawczy z Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) i opublikowanego w czasopiśmie ACS Sustainable Chemistry & Engineering, przestrzeganie tego miernika może przynieść znaczne korzyści dla środowiska i społeczeństwa.

„Mimo że zanieczyszczenie tworzywami sztucznymi stanowi zagrożenie dla ekosystemów i zdrowia ludzi, korzystanie z produktów z tworzyw sztucznych stale rośnie. Aby ograniczyć szkody, konieczne jest opracowanie strategii projektowania produktów z tworzyw sztucznych, uwzględniających zagrożenia, jakie te materiały stwarzają dla środowiska. W tym kontekście stworzyliśmy miernik zrównoważonego rozwoju dla ekoprojektu produktów z tworzyw sztucznych, cechujący się niską trwałością środowiskową i jednocześnie bezkompromisową wydajnością” — wynika z przeprowadzonych badań.

Zastosowanie tego podejścia do projektowania tworzyw sztucznych jednorazowego użytku może mieć znaczący wpływ. Analizy przeprowadzone w ramach badania wskazują, że przejście na alternatywne materiały, takie jak dioctan celulozy i polihydroksyalkaniany, do produkcji jednorazowych pokrywek do filiżanek kawy mogłoby skutkować znacznym zmniejszeniem kosztów środowiskowych ponoszonych przez społeczeństwo, sięgając setek milionów dolarów.

Ogólnie rzecz biorąc, projektuje się produkty tak, aby były przyjazne dla środowiska, kierując się przede wszystkim równoważeniem kompromisów między różnymi aspektami środowiskowymi, takimi jak emisje gazów cieplarnianych i wyczerpywanie zasobów. Istnieją pewne ramy i zbiory danych umożliwiające szacowanie tego rodzaju wpływu. Aby osiągnąć ten cel, często stosuje się wybór jednego rodzaju tworzywa sztucznego zamiast innego. Jednak dotychczas w żadnych ramach wyboru materiałów nie uwzględniono ani nie określono ilościowo trwałości w środowisku lub czasu, w którym element z tworzywa sztucznego pozostaje w środowisku jako zanieczyszczenie, co stanowi kluczowy problem środowiskowy.

„Niezmiernie istotne jest określenie, w jaki sposób możemy skonstruować funkcjonalne, zrównoważone i łagodne dla środowiska materiały, produkty i procesy, które wprowadzą zasady inżynierii materiałowej ekologicznej do przyszłego świata, w którym zamierzamy egzystować” – stwierdził główny autor Bryan James, materiałoznawca i inżynier, pełniący rolę badacza na Wydziale Chemii Morskiej i Geochemii WHOI. „Jakie kolejne strategie i narzędzia mogą być wykorzystywane przez inżynierów, projektantów produktów, a nawet zwykłych konsumentów, aby podejmować optymalne decyzje dla środowiska, nie zaniedbując przy tym wydajności produktu?” - dodaje.

W celu opracowania miernika zrównoważonego rozwoju, badacze „uwzględnili stopień degradacji tworzyw sztucznych w środowisku w ustalonych strategiach wyboru materiałów, co pozwoliło uzyskać wskaźniki materiałowe dotyczące trwałości w środowisku. Nasza analiza identyfikuje materiały i ich właściwości, które zasługują na dalsze badania, akceptację i inwestycje w celu stworzenia funkcjonalnych i bardziej przyjaznych dla środowiska produktów z tworzyw sztucznych” – czytamy w badaniu.

Wprowadzenie i wdrożenie miernika trwałości było wyzwaniem, głównie z powodu braku wystarczających danych dotyczących szerokiej gamy tworzyw sztucznych używanych w produktach konsumenckich. Dopiero niedawno naukowcy uzyskali wystarczające informacje dotyczące realistycznych wskaźników degradacji środowiska przez różne rodzaje tworzyw sztucznych, co pozwoliło lepiej uwzględnić różne właściwości tych materiałów i zastosować je w procesie projektowania.

Dzięki tym danym badacze przedstawiają, że choć zamiana jednego tworzywa sztucznego na inne może przynieść obniżenie kosztów produkcji i emisji gazów cieplarnianych, ta zmiana może dostarczyć znacznie większe korzyści poprzez minimalizację czasu trwania produktu i trwałości środowiska. Na przykład, biorąc pod uwagę jedynie koszty i emisję gazów cieplarnianych, kwas polimlekowy wydaje się dobrym wyborem. Jednakże, ten materiał utrzymuje się w oceanie. Z kolei dioctan celulozy i polihydroksyalkaniany, choć obecnie kosztują nieco więcej niż kwas polimlekowy, mogą generować niższe emisje gazów cieplarnianych i nie pozostają w oceanie.

„Dziewięćdziesiąt dziewięć procent opublikowanych artykułów dotyczących zanieczyszczenia tworzywami sztucznymi skupia się na jego negatywnym aspekcie. W naszym artykule kładziemy nacisk na podejście bardziej przyszłościowe, ukazując, w jaki sposób można skutecznie rozwiązać ten problem za pomocą naukowego podejścia, które jest osiągalne, realne i jednocześnie ekonomicznie opłacalne” – dodał współautor Christopher Reddy, starszy naukowiec w Marine WHOI Katedra Chemii i Geochemii.

Przykładowo, badacze zastosowali tę metrykę do przeprojektowania plastikowego przedmiotu jednorazowego użytku powszechnie stosowanego codziennie, jakim są kubki do kawy. Obecnie rocznie zużywa się miliardy jednorazowych pokrywek do filiżanek kawy, co stanowi około pięć procent wszystkich plastikowych odpadów zebranych w ramach działań oczyszczania wybrzeży na całym świecie. Znajdując się obecnie w obiegu trzy różne rodzaje pokrywek wykonane z kwasu polimlekowego, polipropylenu i polistyrenu, badacze ocenili, który materiał na pokrywki dostępny na rynku najlepiej zmniejsza wpływ na środowisko.

„Która pokrywka jest lepsza: ta, która emituje nieco więcej gazów cieplarnianych, ale szybciej się rozkłada, czy ta, która emituje mniej gazów cieplarnianych, ale utrzymuje się dłużej? Aby odpowiedzieć na to pytanie, oceniliśmy obie opcje pod względem kosztów produkcji oraz kosztów dla środowiska i usług ekosystemowych” – zaznaczył James. „Produkty o mniejszym czasie trwania, z uwagi na rzadsze występowanie lub szybszą degradację, znacznie obniżają te koszty dla społeczeństwa”.

„W kontekście projektowania nowej pokrywki do filiżanki kawy, która ma być trwała i ekologiczna, ekologia obecnie uwzględnia aspekty związane z ilością zużytej energii na produkcję plastiku lub ilością emitowanych gazów cieplarnianych. Jednak obecne kalkulacje projektowe nie biorą pod uwagę trwałości produktu. To, co Bryan osiągnął w opracowaniu tego wskaźnika, jest przełomowe” – dodał Reddy, który współdoradza Jamesowi wraz z Collinem Wardem, naukowcem na Wydziale Chemii Morskiej i Geochemii WHOI.

„Istotą tego badania jest to, że przesuwa ono narrację z identyfikacji problemu zanieczyszczenia tworzywami sztucznymi w stronę poszukiwania rozwiązań tego problemu. Tworzywa sztuczne są niewątpliwie przydatnymi materiałami, których zasoby nie są wyczerpywane szybko. Jednak wszyscy zgadzają się, że problem stanowi ilość plastiku przedostającego się do środowiska. Ramy przedstawione w tym badaniu stanowią istotny pierwszy krok w kierunku rozwiązania tego problemu poprzez projektowanie materiałów, które spełniają potrzeby konsumentów, jednocześnie nie utrzymując się w środowisku w przypadku przypadkowego przedostania się” – zauważył Ward.

James podkreślił, że dzięki przemyślanym strategiom podejmowania decyzji projektowych, „naukowcy, inżynierowie i projektanci mają szansę wywrzeć znaczący wpływ na kryzys związany z zanieczyszczeniem tworzywami sztucznymi. Wskaźniki i metody opracowane w tym badaniu mogą kierować decyzjami projektowymi oraz ustalać priorytety badawcze w dążeniu do osiągnięcia tego celu”.

Niniejsza praca była finansowana w ramach programu stypendialnego podoktorskiego w WHOI, z wsparciem finansowym ze stypendium podoktorskiego Weston Howland Jr. Dodatkowe fundusze zostały udzielone przez WHOI Ocean Vision Fund 2030, amerykańską Narodową Fundację Naukową, The Seaver Institute i The March Marine Initiative (program firmy March Limited, Bermudy) za pośrednictwem programu akceleratora innowacji dotyczących mikroplastików WHOI.

Wnioski końcowe

Naukowcy opracowali miernik zrównoważonego rozwoju, który koncentruje się na ekologicznym projektowaniu produktów z tworzyw sztucznych o niskiej trwałości w środowisku. Zgodnie z najnowszym badaniem przeprowadzonym przez naukowców z Instytutu Oceanograficznego Woods Hole, przestrzeganie tego wskaźnika może generować znaczne korzyści dla środowiska i społeczeństwa.
Porównując wpływ różnych tworzyw sztucznych dostępnych na rynku i sugerowanych alternatyw, badacze pokazują, że uwzględnienie trwałości tworzyw sztucznych w procesie projektowania może przynieść społeczne korzyści rzędu setek milionów dolarów dla pojedynczego produktu konsumenckiego. Analiza identyfikuje materiały i ich właściwości, które zasługują na dalsze badania, akceptację i inwestycje w celu stworzenia funkcjonalnych i bardziej przyjaznych dla środowiska produktów z tworzyw sztucznych.
Ogólnie rzecz biorąc, produkty projektuje się w taki sposób, aby były ekologiczne, uwzględniając równowagę między różnymi kwestiami środowiskowymi, takimi jak emisje gazów cieplarnianych i wyczerpywanie zasobów. Istnieją pewne ramy i zbiory danych umożliwiające szacowanie tego rodzaju wpływu. Jak dotąd, żadne z tych ram nie uwzględniały ilościowej trwałości w środowisku ani czasu, w jakim elementy z tworzyw sztucznych pozostają w środowisku jako zanieczyszczenia, co stanowi kluczowy problem środowiskowy.
Naukowcy, inżynierowie i projektanci mają teraz możliwość skutecznego działania w celu ograniczenia zanieczyszczeń tworzywami sztucznymi. Opracowane metryki i metody mogą kierować decyzjami projektowymi i ustalać priorytety badawcze, aby osiągnąć te cele. Ramy te będą stale udoskonalane w wyniku dalszych badań nad wpływem tworzyw sztucznych na środowisko, szczególnie poprzez rzetelne pomiary degradacji tworzyw sztucznych w realistycznych warunkach środowiskowych. Ostateczne zminimalizowanie trwałości nieodpowiednio zarządzanych produktów z tworzyw sztucznych będzie wymagało innowacyjnych formuł tworzyw sztucznych, aspektów kształtowania produktu oraz wspólnych działań w całym cyklu życia tworzyw sztucznych w celu ograniczenia wycieków.