Про синтетические полимеры без истерики, но с цифрами
«Рост производства пластмасс за последние 65 лет существенно опередил рост любого искусственно производимого материала. Те же самые свойства, которые делают синтетические полимеры хорошими универсальными материалами — долговечность и устойчивость к деградации — очень осложняют их возврат в природу. Таким образом, производя все больше пластмассы без хорошо разработанной стратегии управления пластмассами с истекшим сроком эксплуатации, люди проводят уникальный неконтролируемый эксперимент в глобальном масштабе, в котором миллиарды метрических тонн материала будут накапливаться во всех основных наземных и водных экосистемах планеты».
Авторы данной работы впервые собрали очень хорошую статистику по мировому производству синтетических полимеров с начала их массового производства в 1950 г, по их использованию в разных отраслях хозяйства, по сроку службы и по методам ликвидации изделий, отслуживших свой срок.
Производство, использование и судьба всего пластика, который был когда либо выпущен
Production, use, and fate of all plastics ever made
Roland Geyer, Jenna R. Jambeck and Kara Lavender Law
Science Advances 19 Jul 2017: Vol. 3, no. 7, e1700782 DOI: 10.1126/sciadv.1700782
Три самых быстро растущих производства искусственных материалов это пластмассы, сталь и цемент. Все больше пластика идет на производство упаковки, в том числе одноразовой. В результате доля пластмасс в твердых бытовых отходах увеличилась с менее чем 1% (по массе) в 1960 году до более чем 10% к 2005 году в странах со средним и высоким уровнем дохода. И это происходило на фоне неуклонного роста общего количества твердых отходов в течение последних пяти десятилетий.
Ни один из обычно используемых пластиков не является биоразлагаемым. В результате они накапливаются, а не разлагаются на свалках или в естественной среде. Единственный способ навсегда устранить пластиковые отходы — это деструктивная термическая обработка, такая как сжигание или пиролиз.
Авторы сделали комплексную модель материального потока пластика на основании анализа мировых данных о производстве, использовании и окончании срока службы полимерных смол, синтетических волокон и добавок. улучшающих свойства материала.
Анализ включает термопласты, термореактивные материалы, полиуретаны, эластомеры, покрытия и герметики, но фокусируется на наиболее распространенных смолах и волокнах: полиэтилене высокой плотности, полиэтилене низкой плотности и линейном полиэтилене низкой плотности, полипропилене , полистироле, поливинилхлориде, полиэтилентерефталате, полиуретановых смолах; и полиэфирных, полиамидных и акриловых волокна.
Глобальное производство смол и волокон увеличилось с 2 млн. тонн в 1950 году до 380 млн. тонн в 2015 году, совокупный годовой темп роста составил 8,4% , что примерно в 2,5 раза превышает совокупный годовой темп роста мирового валового внутреннего продукта за этот же период.
Общее количество смол и волокон, изготовленных с 1950 по 2015 год, составляет 7800 млн. тонн. Половина этого объема — 3900 млн. тонн — была произведена всего за последние 13 лет. Сегодня на долю одного Китая приходится 28% мирового производства смолы и 68% мирового производства полипропилена и полипропилена. Биоразлагаемые пластмассы в настоящее время имеют глобальную производственную мощность всего 4 млн. тонн и исключены из этого анализа.
Авторы собрали статистику производства смол, волокон и добавок из различных источников в отрасли и представили их в соответствии с типом и сектором потребления. Данные по производству волокон и добавок не всегда доступны и, как правило, до сих пор опускались. Установлено, что неволоконные пластмассы содержат 93% полимерной смолы и 7% добавок (по массе). При включении в расчет добавок количество неволоконных пластиков (далее определяемых как смолы плюс добавки), произведенных с 1950 года, увеличивается до 7300 млн. тонн. Три четверти всех добавок к полимерам составляют пластификаторы, наполнители и добавки для увеличения огнестойкости — антипирены. Волокна добавляют еще 1000 миллионов тонн.
Смотрим рисунок 1. Производство разных типов синтетических полимеров с 1950 по 2015 г — миллионы тонн.
1. Полиэтилен низкой плотности
2. Полиэтилен высокой плотности
3. Полипропилен
4. Полистирол
5. Поливинилхлорид
6. Полиэтилентерефталат
7. Полиуретан
8. Полифталамиды
9. Прочие
10. Добавки
Восемь первых представленных на рисунке типов составляют 92% всех когда-либо произведенных синтетических полимеров.
Смотрим рисунок 2.
1. Упаковка
2. Транспортировка
3. Строительство
4. Электрика/Электроника
5. Бытовое и офисное использование
6. Промышленное машиностроение
7. Текстиль
8. Прочее
Приблизительно 42% всех неволоконных пластиков были использованы для упаковки, для которой в основном использовали полиэтилен, полипропилен и полиэтилентетрафталат. Сектор строительства, в котором используется 69% всего поливинилхлорида, является следующим по величине потребительским сектором, использующим 19% всех неволоконных пластиков.
Авторы сопоставили данные о производстве синтетических полимеров со сроками использования пластиковых изделий для восьми различных вариантов использования, чтобы смоделировать, как долго прослужат пластмассовые изделия до того, как будут выброшены. Они использовали логарифмически нормальные распределения со средним значением от менее 1 года для упаковки до десятилетий для строительства. Это широко используемый подход в построении моделей для оценки образования отходов из конкретных материалов. Более прямым способом измерения образования пластиковых отходов является объединение данных о производстве твердых отходов с информацией о характеристиках отходов, как в предыдущих исследованиях авторов. Однако для многих стран эти данные недоступны в деталях и качестве, необходимых для настоящего анализа.
Смотрим рисунок 3.
Распределения времени жизни продукта для восьми секторов промышленного использования, представленные в виде логарифмически нормальных функций распределения вероятностей (PDF).
1. Упаковка
2. Бытовое и офисное использование
3. Текстиль и Прочее (у этих двух групп совпадающее распределение)
4. Электрика/Электроника
5. Транспортировка
6. Промышленное машиностроение
7. Строительство
По получившимся оценкам, в 2015 году 407 млн. тонн первичных пластиков (пластмасс, изготовленных из первичных материалов) вступили в фазу использования, тогда как 302 млн. тонн из нее вышли. Таким образом, в 2015 году 105 млн т добавлено к используемым запасам.
Срок службы пластикового изделий зависит как от области его применения, так и от вида используемого полимера. Большинство пластиковых упаковок служат меньше года, тогда как строительные пластмассы служат десятилетиями. Поэтому сейчас выходят из использования упаковочные материалы, произведенные в этом году, и пластмассовые элементы строений, выпущенные десятилетиями раньше, когда объем производства пластика был гораздо ниже.
Например, в 2015 году 42% произведенного первичного неволоконного пластика (146 млн. тонн) было использовано в качестве упаковки, а 19% (65 млн. тонн) — в качестве конструктивных материалов, тогда как отходы из неволоконного пластика, выброшенного после использования, составляли 54% упаковки (141 млн. тонн) и только 5% конструкции. (12 млн. тонн). Аналогичным образом, в 2015 году на долю ПВХ приходилось 11% производства неволоконных пластиков (38 млн. тонн) и только 6% в отходах пластиков (16 млн. тонн).
К концу 2015 года количество всех пластиковых отходов, которые когда-либо создавались из первичных пластиков, достигли 5800 млн. тонн, из которых 700 млн. тонн были синтетическими волокнами.
Возможны три разные судьбы пластиковых отходов.
Во-первых, они могут быть переработаны во вторичный полимерный материал. Но этот метод утилизации лишь задерживает, но не отменяет окончательного удаления. Возможно, он сократит будущее образование пластиковых отходов, но лишь в том случае, если вторичная переработка сократит первичное производство пластмасс, что маловероятно. Кроме того, загрязнение и смешивание разных типов полимеров в отходах снижает техническую и экономическую ценностью вторичных пластмасс.
Во-вторых, пластмасса может быть термически разрушена. Хотя в настоящее время появляются новые технологии, такие как пиролиз, позволяющий получать топливо из пластиковых отходов, на сегодняшний день практически все термическое разрушение происходит при сжигании с рекуперацией энергии или без нее. Воздействие мусоросжигательных заводов на окружающую среду и здоровье людей сильно зависит от технологии контроля выбросов, а также от конструкции и эксплуатации мусоросжигательного завода.
В-третьих, пластмассы могут быть выброшены, после чего будут содержаться в управляемой системе, такой как современные свалки, либо же будет лежать вместе с остальным мусором на открытых свалках или в естественной среде.
По оценке авторов в настоящее время используется 2500 млн. тонн пластмасс — или 30% всех когда-либо произведенных пластмасс. В период с 1950 по 2015 год накопление отходов первичных и вторичных (ранее переработанных) пластиковых отходов составило 6300 млн. тонн.
Смотрим рисунок 4.
Из этого количества около 800 млн. тонн (12%) пластмасс было сожжено, а 600 млн. тонн (9%) переработано, но только 10% из 600 млн. тонн были переработаны более одного раза. Около 4900 млн. тонн — 60% всех когда-либо произведенных пластиков — было выброшено на свалки или в естественную среду. Из них 600 млн. тонн составляют синтетические волокна.
Ни один из выпускаемых серийно пластиков не разлагается каким-либо значимым образом; однако солнечный свет ослабляет материалы, вызывая фрагментацию частиц с образованием микропластика.
До 1980 года вторичной переработке и сжиганию подверглась незначительная часть пластмасс. С тех пор неволоконные пластики стали перерабатывать. Следующие результаты относятся только к ним: глобальные показатели рециркуляции и сжигания постепенно увеличивались, составляя соответственно 18 и 24% от отходов неволоконного пластика, образованных в 2014 году. На основании имеющихся ограниченных данных, самые высокие показатели переработки в 2014 году были в Европе (30%) и Китае (25%), тогда как в Соединенных Штатах повторное использование пластмассы оставался стабильным на уровне 9% с 2012 года.
В Европе и Китае темпы сжигания увеличились со временем и достигли соответственно 40 и 30% в 2014 году. Однако в Соединенных Штатах сжигание неволоконного пластика достигло пика в 21% в 1995 году, а затем снизилось до 16% в 2014 году, поскольку увеличилось повторное использование, а вот показатели выбрасывания на свалку оставались постоянными на уровне 75% в течение этого периода времени. Информация об обращении с отходами для 52 других стран свидетельствует о том, что в 2014 году в остальном мире показатели рециркуляции и сжигания были такими же, как в Соединенных Штатах.
На сегодняшний день текстильные изделия с истекшим сроком годности (включающие синтетические волокна) не подвергаются существенной переработке и, таким образом, сжигаются или выбрасываются вместе с другими твердыми отходами.
Данные о производстве первичных пластмасс описывают устойчивую динамику времени на протяжении всей своей истории. Если бы производство продолжалось по этой кривой, то к концу 2050 года человечество произвело бы 26 000 млн. тонн смол, 6 000 млн. тонн волокон и 2000 млн. тонн добавок. Прогноз текущих глобальные тенденции обращения с отходами до 2050 года, предсказывает, что 9 000 млн. тонн пластиковых отходов будет переработано, 12 000 млн. тонн сожжено, а 12 000 млн. тонн выброшено на свалку или в природную среду.
Смотрим рисунок 5
где сплошные линии показывают исторические данные с 1950 по 2015 год; пунктирные линии показывают прогнозы исторических тенденций до 2050 года.
1. Произведенные первичные пластиковые отходы
2. Отходы, выброшенные на свалку
3. Сожженные отходы
4. Переработанные отходы
Любой такого рода анализ потока материала требует нескольких допущений или упрощений, которые перечислены и обсуждаются в разделе «Материалы и методы».
Авторы сознательно поместили раздел «Материал и методы» после раздела «Результаты и обсуждение», поскольку он содержит техническую информацию об источниках данных и допущениях при их использовании. Я его не стал переводить.
Список литературы 42 названия.
По отдельному линку находятся дополнительные материалы:
http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/7/e1700782/DC1.
Фиг.. S1. Глобальное производство первичных пластиков (в миллионах метрических тонн) по секторам промышленного использования с 1950 по 2015 год.
Фиг.. S2. Глобальное производство первичных пластиков (в миллионах метрических тонн) по типу полимера с 1950 по 2015 год.
Фиг.. S3. Глобальное производство первичных пластиковых отходов (в миллионах метрических тонн) по секторам промышленного использования с 1950 по 2015 год.
Фиг.. S4. Глобальное производство первичных пластиковых отходов (в миллионах метрических тонн) в зависимости от типа полимера с 1950 по 2015 год.
Фиг.. S5. Расчетный процент глобальных (неволоконных) пластиковых отходов, переработанных, сожженных и выброшенных в период с 1950 по 2014 год.
Фиг.. S6. Ежегодное мировое производство первичных и вторичных пластиковых отходов, рециркуляция, сжигание и выбрасывание на свалку (в миллионах метрических тонн) с 1950 по 2014 год.
Фиг.. S7. Прогнозирование глобальных тенденций в области переработки, сжигания и утилизации пластиковых отходов с 1980 по 2014 год (слева от вертикальной черной линии) до 2050 года (справа от вертикальной черной линии).
Таблица S1. Годовое мировое производство полимерных смол и волокон в миллионах метрических тонн.
Таблица S2. Доля общего производства полимерных смол в зависимости от типа полимера и сектора промышленного использования, рассчитанная на основе данных по Европе, США, Китаю и Индии, охватывающих период 2002–2014 гг..
Таблица S3. Доля типов добавок в мировом производстве пластмасс за период 2000–2014 гг.
Таблица S4. Базовые средние значения и SD, используемые для генерации логарифмически нормальных распределений времени жизни продукта для восьми секторов промышленного использования, использованных в этом исследовании
Таблица S5. Глобальное производство первичных пластмасс и производство первичных отходов (в миллионах метрических тонн) в 2015 году в соответствии с сектором промышленного использования.
Таблица S6. Глобальное производство первичных пластиков и образование первичных отходов (в миллионах метрических тонн) в 2015 году в зависимости от типа полимера / добавки.
Таблица S7. Дополнительные источники данных для переработки и сжигания пластмасс в США.
Таблица S8. Полный список источников данных.
