ارزیابی ردپای آب پلیمرهای منتخب، ترکیبات پلیمری، کامپوزیت ها و بیوکامپوزیت ها در کاربردهای صنعتی
این مقاله به ارزیابی ردپای آب از پلیمرها، مخلوط های پلیمری، کامپوزیت ها و بیوکامپوزیت ها براساس یک مطالعه موردی استاندارد پالت EUR می پردازد. تجزیه و تحلیل ردپای آب براساس ارزیابی چرخه حیات (LCA) صورت می گیرد. این مطالعه شش نوع روش تولید پالت یورو را با توجه به نوع موارد مورد استفاده بررسی می کند. این فرایند شامل تولید هر ماده و قالب گیری تزریقی برای ایجاد یک پالت استاندارد یورو از خواص پیچیده می شود. در اینجا، نتایج ردپای آب از این نوع شش ترکیب پالت یورو تجزیه شده ارائه می شود که از بیوکامپوزیت ها و کامپوزیت ها با پایۀ پلی پروپیلن، پلی اسید لاکتیک، الیاف پنبه، الیاف جوت، الیاف کناف و الیاف شیشه تولید شده اند. علاوه براین، ردپای آب از مواد خام استفاده شده نیز مورد ارزیابی قرار گرفته است. بالاترین ردپای آب در الیاف پنبه به عنوان تقویت کنندۀ بیوکامپوزیت ها و کامپوزیت های تجزیه شده مشاهده شد که ناشی از آبیاری محصولات پنبه است. یافته های بدست آمده نشان می دهد که پالت استاندارد یورو تولید شده از پلی پروپیلن با الیاف شیشه بعنوان تقویت کننده می تواند به کمترین ردپای آب کمک کند.
در دهه های گذشته، تولید و مصرف پلاستیک افزایش روزافزونی داشته است. پلاستیک ها به دلیل خواص منحصر به فردی همچون چگالی کم، مقاومت سایشی بالا و سهولت در پردازش می توانند جایگزین موفقی برای فلزات، چوب، کاغذ، سرامیک و شیشه باشند؛ از طرفی، در مقایسه با فلزات یا سرامیک ها به انرژی ورودی کمتری نیاز دارند. حوزه های مختلف صنعتی من جمله کیهان نوردی، پزشکی و انفورماتیک به لطف مواد پلیمری جدید به سرعت در حال توسعه هستند. پلاستیک ها معمولآ در راهکارهای فناوری نوآورانه و طراحی جدید کاربرد دارند؛ به طوری که به بخش جدایی ناپذیری از دنیای اطراف مان تبدیل شده اند. با این وجود، با افزایش تولید پلاستیک و کاربردهای آن، حجم زباله های تولید شده نیز به طور قابل ملاحظه ای رو به افزایش است که خطرات زیست محیطی در مقیاس جهانی را به دنبال خواهد داشت. با این اوصاف، بایستی از مواد زیست تخریب پذیر استفاده کرد که برخلاف پلاستیک های معمولی تولید شده از مواد خام پتروشیمی، می توانند با اثرات مضر زیست محیطی کمتری تجزیه شوند. این مواد اساسآ شامل بیوپلیمرها، نشاسته و مشتقات آن، و بیوپلی استرهایی می شوند که می توانند از طریق تخمیر پلی ساکاریدها همچون پلی هیدروکسی بوتیرات (PHB) یا پلی اسید لاکتیک (PLA) تولید شوند. به استثنای پلیمرهای تولید شده از منابع طبیعی (عمدتآ گیاهی)، پلیمرهای مصنوعی و زیست تخریب پذیر همچون پلی کاپرولاکتون (PCL)، پلی وینیل استات (PVA) یا پلی اتیلن گلیکول (PEG) نیز از نفت تولید می شوند. با این حال، هزینه تولید آنها در حال حاضر به طور قابل توجهی بالاتر از پلیمرهای مصنوعی معمولی است؛ بنابراین، تولید جهانی آنها همچنان محدود است. انواع دیگری از پلیمرهای محیطی شامل ترکیبات و کامپوزیت های پلیمری وجود دارند که به طور همزمان از پلیمرهای مصنوعی و مواد زیست تخریب پذیر مانند پلیمرها یا فیلرهای طبیعی استفاده می کنند.
گزارشات زیادی از ساخت، عملکرد، کاربردهای بالقوه و احتمال زیست تخریب پذیری پلیمرها وجود دارد. زیست تخریب پذیری در چنین موادی منجر به از بین رفتن یک پارچگی آنها می شود که اغلب تیمار پس از مصرف آنها را تسهیل می کند. این مواد پس از استفادۀ مصرف کنندگان، با توجه به میزان زیست تخریب پذیری شان، به تجزیه زیستی یا پراکندگی گرایش دارند. با این حال، پلاستیک ها و بیوکامپوزیت ها به ویژه ترموپلاستیک ها ممکن است یک تهدید زیست محیطی باشند و بر روند بازیافت تأثیر منفی بگذارند. در بازیافت معمولی که در بسیاری از شرکت های کوچک و متوسط انجام می شود، شناسایی دقیق و تفکیک بیوپلاستیک ها یا مخلوط های پلیمری همگن با پلاستیک های پتروشیمی معمولی به دلیل اختلاط کم بسیار دشوار است. تنها با افزودن سازگارکنندۀ مناسب، تولید ساختاری همگن از مخلوط های حاوی پلاستیک های آبدوست و آبگریز را ممکن می سازد. چنین پدیده ای در بازار به خوبی مشاهده شده است؛ جایی که بطری های سنتی پلی اتیلن ترفتالات (PET) با بطری های PLA زیستی جایگزین شدند. زبالۀ بطری های PET آلوده شده با PLA می توانند اثرات منفی بر اقتصاد دورانی داشته باشند. از سوی دیگر، بیوپلاستیک ها باعث کاهش تقاضای سوخت های فسیلی می شوند و اثرات منفی زیست محیطی از استخراج و فرآوری آنها را محدود می کنند. علاوه براین، بسیاری از بیوپلاستیک ها در محیط طبیعی به طور قابل توجهی سریع تر از پلاستیک های معمولی تخریب می شوند که اثرات مثبتی نیز من جمله کاهش پدیدۀ "جزایر زباله" در اقیانوس ها برای محیط زیست به همراه دارند. از این رو، محبوبیت آنها رو به افزایش است؛ با این حال، در آینده نزدیک ممکن است بازیافت و استفاده مجدد از آنها به یک مسئله واقعی تبدیل شود. علیرغم مطالعات گسترده در زمینه ساختار و عملکرد پلاستیک ها، مخلوط ها و بیوکامپوزیت ها، تأثیرات زیست محیطی و ردپای آنها؛ گزارشات اندکی در این رابطه وجود دارد. برخی از مطالعات به ارزیابی اثرات زیست محیطی کامپوزیت ها براساس تحلیل چرخه حیات یا تحلیل اثربخشی زیست محیطی پرداخته اند. ویلاپلانا و همکارانش به جنبه های زیست محیطی مرتبط با مهندسی بیوکامپوزیت های پایدار اشاره کرده اند؛ مارتینز و همکارانش ارزیابی چرخۀ حیات بیوکامپوزیت ها را براساس پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) و پلی پروپیلن (PP) پرشده با پوسته برنج و الیاف پنبه را انجام داده اند. با این حال، محققان یک تجزیه و تحلیل مقایسه ای از اثرات زیست محیطی تولید بیوپلیمرها و پلیمرهای نفتی مانند PET، پلی استایرن (PS)، پلی اتیلن (PE) و PP ارائه کردند.
نتیجه گیری
نتایج بدست آمده از بررسی ردپای آب در بیوکامپوزیت ها نشان می دهد که بیوکامپوزیت ها بعنوان مواد زیست سازگار در نظر گرفته می شود که در مقایسه با پلاستیک ها و کامپوزیت های معمولی پرشده با الیاف شیشه، بار محیطی بیشتری دارند. چنین نتایجی ممکن است تعجب آور باشد اما بایستی به خاطر داشت که آنها فقط به یک جنبه خاص "استفاده از آب" در این مواد اشاره می کنند. با این حال، بایستی بعنوان یک عنصر ورودی برای تجزیه و تحلیل طیف وسیع تری از عوامل محیطی استفاده شوند. با این وجود، بر این باوریم که راهکارهای متعددی برای کاهش ردپای آب در پلاستیک ها به شرح زیر وجود دارد:
- مدیریت صحیح زباله های تولید شده که قابلیت بازیافت دارند و با استفاده مجدد از آنها، نیاز به مواد اولیه کاهش می یابد.
- انجام فرایندهایی با هدف بهبود جنبه های اکولوژیکی و اقتصادی؛ برای مثال کاهش مقدار آب مورد نیاز برای تولید، تصفیه فیلرهای اصلاح شده یا موادی که در حال حاضر غیرقابل استفاده هستند.
در نتیجه، می توان گفت که تعیین ردپای آب بعنوان شاخصی از تأثیرات زیست محیطی ممکن است ابزار بسیار مفیدی برای صنعت پلاستیک باشد؛ چرا که تجزیه و تحلیل جامع تری از مواد مختلف و فرایندهای تولید را از دیدگاه های مختلف ممکن می سازد. بدون شک، چنین تحلیلی می تواند در مهندسی فرایندها و مواد با کمترین اثرات زیست محیطی احتمالی کاربرد گسترده ای داشته باشد.
