بررسی تجزیه پلی پروپیلن (PP) و پلی پروپیلن دو محوره (BOPP) در محیط زیست
این مقاله با توجه به کاربرد گستردۀ پلیمرها در بخش های مختلف صنعتی و افزایش آلودگی محیطی با تولید ضایعات، به بررسی تجزیه پذیری یا زیست تخریب پذیری فیلم های پلی پروپیلن (PP) و پلی پروپیلن دو محوره (BOPP) پس از 11 ماه نگهداری در محل دفن زباله در کاشیاس دو سو پرداخته است. در مقایسه فیلم مدفون شدۀ PP با نمونه ای از PP بکر، دو پیک تجزیه در منحنی TG و همچنین اصلاح ساختار که با باندهای جذبی جدید در FTIR مشخص می شود، مشاهده شد که می تواند به تغییرات در بلورینگی نسبت داده شود. تجزیه و تحلیل حرارتی انجام شده بر روی PP و BOPP دفن شده به دلیل قطع زنجیره، نشان دهندۀ کاهش درصد بلورینگی است. کاهش بیشتری در PP مشاهده شد زیرا تبلور آن در نتیجۀ پلیمریزاسیون صورت گرفت مانند BOPP. ترک ها و فرسایش سطح پلیمر در هر دو مورد (PP و BOPP) که بیانگر فرایندهای تخریب توسط میکروارگانیسم ها هستند، مشاهده شد.
از بین اجزای مختلف زباله ها در محل ذفن آنها، کامپوزیت های مواد پلیمری حدود 20 تا 30 درصد از حجم کل زباله های جامد دفن شده را تشکیل می دهند. از آنجایی که مواد پلیمری در برابر تجزیه میکروبی مصون هستند، بعنوان ضایعات در خاک و محل های دفن زباله باقی می مانند. باید اعتراف کنیم که زباله های پلیمری یکی از چالش برانگیزترین دسته زباله ها برای دفع هستند؛ به گونه ای که دور ریختن آنها از لحاظ زیست محیطی و بهداشتی مشکل آفرین است. مجموع ضایعات جامد حاصل از جمع آوری پسماندهای شهری در کاشیاس دو سو در سال 2003، 17.3 درصد بود؛ در حالی که این رقم برای بسته بندی های پلیمری خشک و سفت ساخته شده از PP پس از مصرف به طور متوسط 7.46 درصد بود. فیلم های PP و BOPP به دلیل پتانسیل بالایی که از لحاظ خواص مانع، درخشندگی، پایداری ابعادی و فرایندپذیری دارند، به طور گسترده در صنایع بسته بندی و دیگر زمینه ها استفاده می شوند. با افزایش کاربرد آنها، میزان زباله های دفن شده در محیط نیز افزایش می یابد. جهت گیری فیلم PP یک فرایند فیزیکی است که در آن زنجیره های مولکولی پلیمری فرایند جهت گیری را طی می کنند که امکان ایجاد لایه ای بسیار نازک را فراهم کرده و در عین حال، خواص مناسب در پلیمرهای کریستالی مانند استحکام کششی، استحکام مواد، درخشندگی، ابریشمی را حفظ می کنند و در پلیمرهای نیمه کریستالی مانند PP نیز کاهش 50 درصدی در نفوذپذیری گازها و بخار را نشان می دهند. زباله های پلاستیکی با قرار گرفتن در محیط، خواص آنها تحت تأثیر تشعشعات خورشیدی، اشعه ماوراء بنفش و گرما قرار می گیرد. با این حال، روند تجزیه یا تخریب بسیار کند می شود. گام اول برای تحریک این فرایند زیستی، اتصال یک میکروارگانیسم به سطح پلیمر و در نتیجه، ساخت یک بیوفیلم است. با این وجود، PP در برابر تجزیه زیستی مقاومت می کند زیرا بسیار آبگریز بوده و وزن مولکولی بالایی دارد؛ از طرفی، دارای زنجیرۀ پیوسته ای از واحدهای متیلن تکراری است. تجزیه ضایعات پلیمری در محل دفن بهداشتی ممکن است توسط یک یا چند فرایند ذکر شده در اینجا یا به طور همزمان اتفاق بیفتد.
در طی فرایند تخریب مواد پلیمری، انتشار اکسیژن غالبآ در نواحی آمورف رخ می دهد و تجزیه پذیری را به تاریخچه حرارتی مواد مرتبط می کند؛ علاوه بر خطاهای سنتز (شروع تجزیه در نقاط ترجیحی و کروموفورها انجام می شود مانند کربونیل ها و کربن های غیراشباع) که به ساختار کریستالی تعلق ندارند، بلکه بخی از نقطه آمورف محسوب می شوند. نواحی آمورف PP حساس ترین نقاط به تجزیه (تخریب) هستند و ناخالصی های موجود در مواد پلیمری می توانند بعنوان یک کاتالیزور برای تجزیه فتو عمل کنند. انرژی جذب شده توسط گرما، نور، فشار مکانیکی و غیره باعث قطع زنجیره بتا شده و رادیکال های پراکسید و هیدروپراکسیدهای تولید شده این فرایند را کاتالیز می کنند. به دلیل وجود هیدروژن متصل به کربن سوم در زنجیره اصلی، پلی پروپیلن ترجیحآ با قطع زنجیره و تغییر کلی منحنی توزیع وزن مولکولی به مقادیر پایین تری تجزیه می شود. گزارشات مربوط به زیست تخریب پذیری PP بسیار کمیاب هستند؛ اگرچه مقالات بسیاری به بررسی زیست تخریب پذیری پلی اتیلن سبک (LDPE) و پلی اتیلن سنگین (HDPE) می پردازند. گونه های قارچی (اسپرجیلوس نایجر) و توده های میکروبی من جمله گونه های سودوموناس و ویبریو گزارش شده اند که باعث زیست تخریب پذیری PP می شوند. در طول فعالیت میکروبی، میکروارگانیسم ها ساختارهای پروتئینی به نام آنزیم ها را آزاد می کنند که متابولیسم یا تبدیل/ تجزیه یک ماده به ماده دیگر را برعهده دارد. میکروارگانیسم های موجود در فرایند تخریب به سطح پلیمر حمله کرده و در یک کلونی بیوفیلم مانند مستقر می شوند که در نهایت، در تماس با پلیمر تغییراتی را ایجاد می کند. بیوفیلم ها در پلیمر در منبعی قرار می گیرند که اساسآ از پلی ساکاریدهای خارج سلولی، پروتئین ها و میکروارگانیسم ها تشکیل شده است. در کل باکتری ها، قارچ ها، جلبک ها و تک یاخته ها ممکن است در بیوفیلم ها نیز مشاهده شوند. تشکیل بیوفیلم یک پیش نیاز برای خوردگی مواد یا تجزیه آنها محسوب می شود. برخی از پلیمرها مستعد تجزیۀ بیولوژیکی مستقیم از طریق آنزیم ها و یا میکروارگانیسم ها هستند، در حالی که برخی دیگر ممکن است تنها پس از مرحلۀ هیدرولیتیک یا قطع زنجیره اکسیدان فرایند تجزیه را آغاز کنند. این مقاله همانطور که قبلآ هم گفته شد، به بررسی تجزیه پذیری یا زیست تخریب پذیری فیلم های پلیمری PP و BOPP دفن شده عمق دو متری به مدت 11 ماه در محیط های بهداشتی می پردازد.
نتایجی که در زیر به آنها اشاره شده است، تغییرات عمده ای بر این مواد دفن شده در عمق دو متری زمین در محل های دفن بهداشتی به مدت 11 ماه را نشان می دهد. تجزیه و تحلیل حرارتی بر روی پلیمرهای دفن شدۀ PP و BOPP کاهش درصد بلورینگی را نشان می دهد و این اتفاق به قطع زنجیره پلیمر نسبت داده شده است. کاهش بلورینگی در PP مشاهده شد که در آن تبلور از فرایند پلیمریزاسیون منتج شده است؛ در حالی که تبلور در BOPP به دلیل فرایندهای جهت گیری زنجیره پلیمری اتفاق افتاده است. تحلیل شیمیایی از طریق اسپکترومتری FTIR نشان داد که فیلم های PP و BOPP دفن شده دچار تغییرات ساختاری شدند؛ برای مثال افزایش در شاخص گروه های کتون بیانگر اکسیداسیون پلیمر و افزایش شدت پیوندهای دوگانه است که دلیلی بر اثبات تخریب از طریق قطع زنجیره پلیمری هستند. SEM و OM آغاز فرایندهای تجزیه یا زیست تخریب پذیری فیلم های پلیمری در محل دفن زباله را نشان دادند که با کلونی های میکروارگانیسم ها روی سطح پلیمر، تغییر رنگ و تشکیل ترک ها مشخص می شوند.
