تأثیر پلاستیک زیستی پلی‌لاکتیک اسید بر دسته‌بندی پلاستیک‌های متداول بر اساس طیف‌سنجی نزدیک به مادون قرمز
مقدمه
پلاستیک‌های زیستی و زیست تجزیه‌پذیر کاربردهای گسترده‌ای به دلیل مصرف بالای نفت خام برای تولید پلاستیک‌های با پایه سوخت‌های فسیلی پیدا کرده‌اند که همین باعث شده تا مشکلات زیست محیطی متعددی (پلاستیک‌های زیستی در اروپا، 2018) مانند آلودگی اقیانوس‌ها ایجاد کنند (جامبک و همکاران 2015). بر اساس پژوهش انجام شده توسط شن و همکارانش (2009)، پلاستیک‌های زیستی این پتانسیل را دارند که جایگزین 94 درصد از پلاستیک‌های ساخته شده با ترکیبات نفتی شوند. پلی‌لاکتیک اسید (PLA) یکی از رایج‌ترین پلاستیک‌های زیستی است که از نشاسته گیاهی تخمیر شده بدست می‌آید و کاملا زیست تجزیه‌پذیر است (عمادیان و همکاران 2017). پیش‌بینی می‌شود که در دهه‌های پیش رو، سهم PLA در بازارهای جهانی افزایش یابد و 16/2 درصد از پلاستیک تولید شده را دربرگیرد (شن و همکاران 2009).
با افزایش سهم پلاستیک‌های زیستی در بازار، فرآوری این پلاستیک‌ها تا انتهای عمر مفید آنها باید بررسی شود (روجینیچ-سوکله و پیلیپوویچ 2017). اگرچه بخشی از پلاستیک‌های با پایه زیستی قابلیت تجزیه زیستی را دارند ولی تجزیه تنها راه موجود برای فرآوری ضایعات پلاستیکی زیست تجزیه‌پذیر نیست. بر اساس آنالیز چرخه عمر مواد، بازیافت مکانیکی پلاستیک‌ها بیشترین مزایای زیست محیطی را بدلیل ساده بودن این فرایند، ریسک پایین آلودگی و کاهش نیاز به مواد خام دارد (دیلکس-هافمن و همکاران 2019). فرآوری اکثر پلاستیک‌های زیستی و زیست تجزیه‌پذیر را می‌توان با روش‌های موجود برای مدیریت ضایعات انجام داد و به همین دلیل می‌توان از آنها برای تولید محصولات جدید استفاده کرد (کالویل و همکاران 2010، دیلکس-هافمن و همکاران 2019). یک سیستم بازیافت حلقه بسته توسط شرکت RE|PLA Cycle GmbH برای فرآوری پلاستیک‌های زیستی خاص مانند PLA پس از استفاده صنعتی آنها معرفی شده است (مجله بازیافت 2012).
در آلمان، پلاستیک‌های زیستی بازیافت شده پس از مصرف به همراه پلاستیک‌های عادی وارد ضایعات مخصوص بسته بندی سبک (LWP) می‌شوند. اما وجود PLA در ضایعات بازیافتی از مواد دیگر باعث کاهش خواص آن می‌شود (روجینیچ-سوکله و پیلیپوویچ 2017). برای مثال، ماکزیمم نسبت PLA که روی خواص پلی‌پروپیلن (PP)، پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE)، پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) و پلی‌استایرن (PS) اثر نمی‌گذارد به ترتیب 3، 2، 3 و 10 درصد وزنی است (کورنل 2007، پلاستیک‌های زیستی در اروپا 2015، هیبل و همکاران 2017، نیائوناکیس 2013). علاوه بر این، دسته‌بندی PLA باعث می‌شود تا بازیافت مکانیکی بهتر انجام شود که مزایایی برای محیط زیست دارد و باعث کاهش استفاده از منابع اولیه می‌شود (دیلکس-هافمن و همکاران 2019).
برای بررسی تأثیر این مواد روی تشخیص و بازیافت پلاستیک‌های زیستی موجود در ضایعات پلاستیکی پس از مصرف و دسته بندی دقیق آنها، ضایعات LWP دارای PLA به کمک طیف سنجی نزدیک به مادون قرمز (NIR) آنالیز شدند که این تکنیک یک فناوری پیشرفته برای دسته‌بندی پلاستیک‌ها است (فیل و پرتز 2020). هدف این پژوهش این است که امکان دسته‌بندی PLA و سایر پلاستیک‌های متداول را بررسی کنیم. برای این کار، نمونه‌های PLA در شرایط آزمایشگاهی تجزیه شدند و نمونه‌های دارای سطوح تجزیه مختلف ثبت شدند و با طیف‌سنج NIR آنالیز شدند. هم‌چنین برای اطمینان از کیفیت محصولات PLA دسته‌بندی و بازیافت شده، امکان تشخیص نمونه‌های PLA تجزیه شده و تجزیه نشده بررسی شد.
مواد و روش‌ها
در آلمان، ضایعات بسته بندی‌های پلاستیکی بازیافت شده پس از مصرف به همراه ضایعات LWP جمع‌آوری می‌شوند که برای شبیه سازی فرایند دسته بندی پلاستیک‌های رایج و PLA در این پژوهش انتخاب شده است. تجزیه نمونه‌های PLA، تشخیص و طبقه‌بندی آنها در مقیاس آزمایشگاهی انجام شد.
انتخاب نمونه
طبق گفته‌های Interessengemeinschaft der Thermischen Abfallbehandlungsanlagen (انجمن واحدهای تبدیل ضایعات به انرژی) در آلمان (2015)، چهار LWP رایج شامل PP، HDPE، PET و PS هستند که 70 تا 90 درصد وزنی از کل ضایعات LWP در سه بعد را شامل می‌شوند. در اکثر واحدهای فرآوری ضایعات بازیافتی پس از مصرف، فقط این چهار نوع پلاستیک دسته بندی می‌شوند. به همین دلیل، این چهار ماده برای شبیه سازی و آنالیز انتخاب شدند. شکل a1 تقریبی از هر ماده در ضایعات LWP بازیافتی پس از مصرف را نشان می‌دهد. بر اساس پژوهش انجام شده توسط شن و همکارانش (2009)، PLA این پتانسیل را دارد که جایگزین ده درصد وزنی PP، ده درصد وزنی HDPE، بیست درصد وزنی PET و ده درصد وزنی PS شود. بر همین اساس، ترکیب مواد انتخاب شده برای آنالیز دسته بندی با وزن کلی 2/5 کیلوگرم تعیین شد (شکل b1).
نمونه‌های PLA شامل لیوان‌های شفاف یکبار مصرف بودند که رایج‌ترین کاربرد PLA در نواحی مسکونی است و معمولا در ضایعات LWP سر در می‌‌آورد (شن و همکاران 2009). نمونه‌های از جنس پلاستیک‌های متداول از ضایعات LWP آلمان جمع‌آوری شدند. لیوان‌های PLA توسط شرکت Huhtamaki Foodservice (Alf/Mosel، آلمان) فراهم شدند.
شکل a) :1) نسبت تقریبی پلی‌پروپیلن، پلی‌اتیلن با چگالی بالا، پلی‌اتیلن ترفتالات و پلی‌استایرن در ضایعات بسته‌بندی‌های سبک، (b) ترکیب‌بندی مواد استفاده شده
تجزیه PLA
تجزیه PLA تحت شرایط مرطوب و در دمای بالا انجام می‌شود (شن و همکاران 2009). تست‌های آزمایشگاهی نشان داد که در دمای بالاتر از 58 درجه سانتی‌گراد و یک محیط غیرخنثی (خصوصا محیط‌های قلیایی)، فرایند تجزیه PLA بسیار سریعتر اتفاق می‌افتد (آدام و همکاران 2016، پیمونت و جیرونی 2013، اسکافارو و همکاران 2019، شن و همکاران 2009). در این پژوهش، نمونه‌های PLA در یک محیط قلیایی با مقدار pH = 10 و دمای حدود 60 درجه سانتی‌گراد تجزیه شدند تا فرایند تجزیه تسریع یابد. پس از 1، 3، 5، 7، 14 و 21 روز، نمونه‌ها خشک شدند و با طیف سنج NIR آنالیز شدند.
آنالیز طیف‌سنجی
طیف‌های NIR نمونه‌ها توسط یک سنسور Helios-G2-320 NIR گرفته شد که از شرکت EVK DI Kerschhaggl GmbH (Raaba، اتریش) تهیه شده بود و این طیف‌ها در محدوده تقریبی 930 تا nm 1700 بودند. رزولوشن طیفی nm/pixel 3/1 و رزولوشن فضایی دستگاه mm/pixel 0/8 است. دو لامپ هالوژن با توان 300 وات بعنوان منبع گسیل نور استفاده شدند. همان طور که در شکل 2 مشخص است، انعکاس نور تابیده از سطح توسط سنسور NIR ثبت می‌شود.
طبقه‌بندی پلاستیک‌ها به کمک طیف‌سنجی NIR بر اساس ساختار شیمیایی فعال آنها در این طیف موج است و به همین دلیل یک طیف مشخصه در طول موج NIR بدست می‌آید (معصومی و همکاران 2012). تفاوت طیف‌ها توسط تغییر شدت پرتو منعکس شده بیان می‌شود. در نتیجه، برای تعیین تفاوت طیف‌ها و دسته بندی نمونه‌ها از مشتق اول پرتو منعکس شده استفاده می‌شود. دسته بندی به کمک یک الگوریتم تجزیه و تحلیل ممیزی بر اساس روش حداقل مربعات جزئی (PLS) انجام شد و یک عدد جزء 10 انتخاب شد. انجام الگوریتم بر اساس رگرسیون PLS است که در Scikit-learn وجود دارد (پدرگوسا و همکاران 2011). برای تعیین دقیق خطای دسته بندی، داده‌های طیفی بر اساس پیکسل طبقه بندی شدند.
شکل 2: سنسور NIR و چیدمان لامپ‌های هالوژن
نتیجه‌گیری
به کمک آنالیز و دسته‌بندی پلاستیک‌های متداول در ضایعات LWP (یعنی PP، HDPE، PET و PS) و PLA به کمک طیف‌سنجی NIR معلوم شد که از نظر شناسایی و طبقه بندی ضایعات، دسته بندی پلاستیک‌های رایج و پلاستیک‌های زیستی بر اساس سنسور NIR امکان‌پذیر است. به کمک طیف سنج NIR می‌توان هر دو PLA تجزیه شده و نشده را بخوبی از پلاستیک‌های متداول (PP، HDPE، PET و PS) تفکیک کرد. برای جلوگیری از وارد شدن پلاستیک‌های زیستی به بخش پلاستیک‌های متداول، روش دسته بندی موجود (بر اساس سنسور) باید به نحوی تنظیم شود که از بیرون انداختن پلاستیک‌های زیستی به اشتباه ممانعت کند. علاوه بر این، برای جداسازی پلاستیک‌های زیستی و بدست آوردن یک کسر خالص از این پلاستیک‌ها به منظور عمل‌آوری بیشتر ممکن است به مراحل بیشتری برای دسته بندی پلاستیک‌ها نیاز باشد. هم‌چنین PLA باید فورا پس از جمع‌آوری دسته بندی شود تا شکل اولیه و خواص فیزیکی آن حفظ شود و از تجزیه ناخواسته آن جلوگیری شود. یافته‌های ما مبنی بر تفکیک PLA تجزیه شده و نشده به کمک طیف‌سنج NIR را می‌توان برای دسته‌بندی پلاستیک‌های زیستی به دو بخش استفاده کرد: یک بخش برای بازیافت مکانیکی و بخش دیگر برای تجزیه بیشتر (کمپوست کردن). در تحقیقات آینده، برای تعیین دقیق‌تر سطوح تجزیه باید نمونه‌ها را بر اساس رنگ، شفافیت و سطح تجزیه تفکیک کنیم.