Атом для здоровья планеты

Как ядерные и радиационные технологии могут помочь в борьбе с пластиковым загрязнением

Вклад, который ядерная энергетика — мощный низкоуглеродный источник — может внести в борьбу с глобальным потеплением, очевиден. Но изменение климата — это не единственная болезнь планеты, в которой человечество сегодня должно себя винить. Загрязнение окружающей среды, в том числе пластиком, становится все более угрожающим. Несмотря на удобство использования пластика в быту для каждого из нас и на огромную важность этого материала для мировой экономики, его многочисленные преимущества начинают затмеваться губительными последствиями накопления отходов. Но ядерные и производные от них технологии могут помочь в решении и этой экологической проблемы.

Под бременем отходов

Не будет преувеличением сказать, что за 150 лет с момента изобретения синтетических полимеров и 70 лет с начала их крупномасштабного производства пластик изменил наш мир. Сегодня пластик (или пластмасса) — это один из наиболее используемых человечеством материалов, с которым могут соперничать, пожалуй, лишь бетон и цемент. Прочный и недорогой в производстве, пластик имеет много преимуществ. С одной стороны, польза, в том числе экологическая, от его использования несомненна: например, пластиковая упаковка дает пищевым продуктам защиту от загрязнения микроорганизмами, помогая сохранять продукты дольше и тем самым сокращая количество пищевых отходов. А благодаря небольшому весу пластиковая упаковка помогает экономить топливо при транспортировке товаров. Однако именно широкое и повсеместное распространение пластика, особенно одноразовой упаковки, создало лавинообразно растущую глобальную проблему: мир начал утопать в пластиковых отходах.

В 2017 году первый масштабный анализ судьбы всех когда-либо произведенных с 1950 года пластиков (исследователи из Калифорнийского университета оценили этот объем в 8,3 млрд тонн) показал, что более 70% из них стали отходами: примерно 12% попали на мусоросжигательные заводы, а 60% оказались на свалках или просто в окружающей среде. И только 9% когда-либо были переработаны, причем только 1% — более одного раза. За прошедшие годы общемировая ситуация изменилась мало, хотя несколько стран запретили определенные виды одноразового пластика, например трубочки для напитков или ушные палочки. При этом COVID-19 еще больше увеличил мусорное бремя: по оценкам ученых из сингапурского Наньянского технологического университета, в мире появилось от 8 до 10 млн тонн пластиковых отходов, ассоциированных с пандемией (наборы для тестирования, лицевые маски, упаковка для товаров резко выросшей онлайн-торговли, медицинские отходы ковидных больниц).

Доля перерабатываемого пластика сильно отличается в разных регионах, и в некоторых из них она растет. Так, показатели в странах с высоким уровнем дохода неуклонно повышаются с начала 2000-х годов: например, в ЕС сейчас перерабатывается более 30% пластика, а в планах к 2030 году  дойти до 55%. В то же время многие более бедные страны не достигают и 9%, поэтому если говорить о среднемировых показателях, то по самым оптимистичным оценкам сейчас перерабатывается не более 14% пластика. Исследователи бьют тревогу: если текущие тенденции сохранятся, то к 2050 году на свалках или в естественной среде окажется около 12 млрд тонн пластиковых отходов.

Существует множество причин, из-за которых перерабатывается так мало пластика. Одна из основных — высокие затраты на переход от линейной экономической модели («произведи, используй и выброси») к циклической, в которой использованный пластик рассматривается не как мусор, а как ценный сырьевой ресурс. Для изменения модели нужны большие первоначальные вложения: переработка пластика намного сложнее, чем многих других отходов, поскольку требует раздельного сбора и сортировки, что приводит к более высоким общим затратам по сравнению, например, с рециклингом стекла и бумаги. Другие сдерживающие факторы связаны с особенностями некоторых типов пластика: они могут или быть очень тонкими, как пакеты или пленка, или иметь несколько слоев полимеров различных типов, и поэтому их особенно сложно и дорого перерабатывать. Низкие показатели переработки пластиковой упаковки ведут к огромным экономическим потерям — от 80 млрд до 120 млрд долларов США ежегодно (по данным международной организации EMF, занимающейся продвижением инициатив в области перехода к экономике замкнутого цикла).

Как подарить вторую жизнь

Единственным вариантом устойчивого обращения с отслужившим свой срок пластиком является превращение отходов в новые изделия. Существуют три основных метода переработки пластика: механический (более распространенный), химический и термический.

Механический метод позволяет восстанавливать пластик из преимущественно однородных отходов. Чтобы получить новое сырье, которое можно вернуть в производственный процесс в качестве замены первичному пластику, требуется сортировка, промывка и измельчение материала. Полученные пластиковые гранулы переплавляются и повторно используются. Правда, такой способ подходит только для материалов, которые могут быть переплавлены — термопластов, а они составляют лишь около 12% мирового производства пластика. Механическая переработка относительно дешева, но сортировка различных полимеров представляет значительную проблему. Кроме того, с каждым циклом ухудшается качество переработанного материала, поэтому механический метод можно использовать не более чем для одного-двух циклов переработки.

Химический метод позволяет перерабатывать смешанные, а также загрязненные и низкокачественные отходы. Для этого используются различные технологии (гидролиз, метанолиз и др.), с помощью которых пластик расщепляется до молекулярного уровня и отходы превращаются во вторичное сырье. Это довольно энергозатратно и дорого, так как необходимо сложное оборудование, растворители, катализаторы. Термическая переработка, что критически важно, приводит к высвобождению вредных веществ. Для их улавливания требуется дорогостоящая многоступенчатая система фильтрации. Из-за высоких затрат химическая и термическая переработка пластика в коммерческих масштабах пока не получила широкого распространения.

Сшить, разложить, привить и сепарировать

Пластик состоит из различных типов полимеров — веществ, построенных из длинных цепочек или сеток повторяющихся групп атомов, называемых мономерами. Радиационные технологии, например электронные пучки и пучки тормозного гамма-излучения, получаемые на электронных ускорителях, при производстве пластика применяются давно и успешно. Облученные полимеры окружают нас повсюду — от труб горячего водоснабжения и электрокабелей до упаковки пищевых продуктов. С помощью ионизирующего излучения полимеры сшиваются: в процессе облучения электронным пучком образуются мостики между полимерными цепями. За счет этого улучшаются свойства материала, и он может быть использован для создания более долговечных, прочных и качественных изделий. Такой метод широко распространен, например, при производстве автомобильных шин, поскольку позволяет уменьшить толщину резины, снижая тем самым затраты на сырье и повышая экологическую устойчивость продукта.

«Если облучение применяется в промышленности для получения новых свойств пластика, ничто не препятствует использованию этого метода для изменения формы и структуры пластика в целях повышения эффективности его переработки и снижения количества отходов», — считает Селина Хорак, начальник секции радиоизотопных продуктов и радиационной технологии МАГАТЭ.

Ионизирующее излучение используется и для процесса, противоположного сшиванию, — расщепления цепи. В ходе такого процесса полимеры разрушаются или подвергаются разложению, и более мелкие фрагменты цепных молекул могут быть вторично использованы. Например, политетрафторэтилен (покрытие, известное под торговой маркой «Тефлон») после разложения используется в моторных маслах и как добавка в чернила для печати. Расщепление цепи с помощью радиационных технологий может значительно расширить возможности вторичной переработки и производства новой продукции из одноразовых полимеров (с использованием или без использования первичных полимеров).

Еще один метод применения ионизирующего излучения — прививка: это процесс выращивания специально подобранной короткой полимерной цепи на поверхности другого полимера с целью изменения его свойств. Этот процесс также может быть использован для соединения обычно несовместимых друг с другом полимеров, что позволяет упростить процесс изменения формы и структуры отходов. Наконец, с помощью облучения электронными пучками, позволяющего улучшить сортировку смешанного пластика за счет электростатической сепарации, можно повысить качество и интенсивность переработки отходов.

Радиационные технологии можно применять на больших объемах отходов, что выгодно с практической и экономической точек зрения. Кроме того, эти технологии можно использовать для переработки пластика, когда другие методы нецелесообразны. Исследователи говорят, что переработка отходов с помощью ионизирующего излучения дает уникальные преимущества: более тщательный контроль за процессом, более высокое качество переработанного пластика, значительную экономию средств и энергии. Радиационные технологии могут дополнять, а в некоторых случаях и заменять традиционные технологии и компенсировать их недостатки. Например, облучение можно сочетать с пиролизом (разложением под действием высоких температур без доступа воздуха), это позволяет сделать производственные процессы более чистыми. Таким образом, с помощью радиационных технологий может быть сокращено количество первичного пластика, производимого из ископаемого топлива, а это даст человечеству дополнительные экологические выгоды.

Пластиковые моря и микропластиковые океаны

Главная проблема заключается в том, что во многих местах по всему миру пластиковые отходы неправильно утилизируются и оказываются на неконтролируемых или открытых свалках. Эти отходы загрязняют почву и грунтовые воды, но большая их часть попадает в океаны — или через реки и другие водные пути (например, приливы), или потому что разносится ветром. Оценки исследователей разнятся, но все они исчисляют количество ежегодно попадающего в океаны пластика миллионами тонн, и даже если все существующие на данный момент обязательства правительств и компаний по сокращению потока пластикового загрязнения будут полностью выполняться, это приведет к ежегодному сокращению утечки пластика в океаны только примерно на 6–10%. В одном исследователи сходятся: без принятия каких-либо срочных дополнительных мер количество пластиковых отходов, попадающих в океаны, будет только нарастать.

Пластик чрезвычайно долговечен, и это означает, что после попадания в океан он может оставаться там сотни лет. Пластик активно разносится течениями и подвергается постоянной физической и химической деградации, приводящей к образованию все более мелких частиц, то есть становится микро- и нанопластиком, который может попадать в живые организмы. Процесс деградации также приводит к высвобождению в окружающую среду или накоплению в пластиковых частицах сопутствующих загрязнителей (например, полихлорированных бифенилов, галогенсодержащих антипиренов, ртути, свинца), которые либо входят в состав пластиковых частиц, либо появляются в результате реакций, в которые вступают эти частицы.

Из-за своего размера частицы пластика могут активно или пассивно поглощаться многими морскими организмами, в том числе промысловыми рыбами. Возможное воздействие пластика на здоровье человека также является предметом исследований, многие из них посвящены поступлению микропластика в человеческий организм через пищевую цепочку. Четких научных доказательств того, что микропластик напрямую вредит человеку, до сих пор нет. Но уже есть тревожные первоначальные данные о накоплении микропластика в желудочно-кишечном тракте, в крови и даже в плаценте человека. Насколько пагубными могут быть последствия этого, только предстоит оценить.

Полный масштаб загрязнения морской среды пластиковым мусором пока не определен полноценно и на систематической основе. Последствия загрязнения для морских обитателей и, в более широком смысле, для прибрежных экосистем и экосистем открытого океана все еще неясны и требуют тщательного мониторинга и оценки. За последнее десятилетие мировое научное сообщество приложило значительные усилия для углубления этих знаний, но для полного понимания воздействия пластика и сопутствующих загрязнителей на морские организмы и на человека требуется гораздо больше данных.

Помогут изотопы

В сборе и систематизации необходимых данных могут помочь специализированные изотопные методы, которые обеспечивают очень высокую точность. Они могут дополнять другие методы, которые используются для отслеживания пространственно-временного распространения пластиковых частиц, их характеристик и воздействия на окружающую среду. Изотопные методы могут применяться как для комплексного мониторинга, так и для оценки эффективности принимаемых мер.

Изотопные индикаторы и методы ядерной визуализации обладают высокой аналитической чувствительностью, что позволяет делать более точные и, следовательно, надежные прогнозы. Но главное — у исследователей есть возможность проведения неразрушающего анализа, подходящего для экспериментальной работы с живыми организмами, при этом можно получить общую картину воздействия пластиковых частиц и сопутствующих загрязнителей на организм в целом и их перемещения внутри него. В результате появляется важный показатель потенциальной токсичности пластика для живых организмов, дающий подробную информацию о пораженных органах и системах. Так можно определять фактический токсикологический стресс, а также возможное распространение пластика в пищевых цепочках. Это особенно важно для оценки воздействия частиц пластика и сопутствующих загрязнителей на здоровье людей, употребляющих морепродукты в пищу.

Кроме того, ядерные методы могут помочь определить дополнительное воздействие пластика и сопутствующих загрязнителей на окружающую среду. Оценка механизмов и воздействия таких процессов становится все более важной, поскольку количество пластика в океанах растет, а повышение температуры океанов из-за глобального потепления может ускорять процессы физической и химической деградации пластика.