Koniec cyklu życia opakowań to coraz bardziej interesujące zagadnienie dla wszystkich uczestników łańcucha wartości opakowań. Dzieje się tak dzięki wzrostowi świadomości środowiskowej konsumentów, zmianom legislacyjnym promującym zrównoważony rozwój oraz postępowi technologicznemu w zakresie nowych materiałów z bardzo dobrymi wskaźnikami środowiskowymi w końcowych fazach ich cyklu życia. Przykładem takich materiałów mogą być biotworzywa, z których wiele jest przydatnych do recyklingu organicznego, zwanego też kompostowaniem. Kompostowanie to proces przemysłowy wiążący się ze szczegółowymi wymaganiami, dlatego materiały biodegradowalne muszą być zbadane w celu potwierdzenia ich przydatności do tego procesu. Jedną z najważniejszych cech dotyczących kompostowania jest dezintegracja. Cechę tę można zbadać w warunkach laboratoryjnych zgodnie z metodą określoną w normie PN-EN 14806: 2015. Celem niniejszej pracy było porównanie wyników dezintegracji granulatów oraz folii z biotworzyw, a jej innowacyjność polegała na sprawdzeniu ubytku masy oraz zmiany jednorodności molekularnej badanych próbek w trakcie całego okresu kompostowania. Dodatkowo w związku z licznymi zapytaniami przedsiębiorców, badanie dezintegracji zostało po raz pierwszy przeprowadzone na granulatach. Rezultaty okazały się zaskakujące: dezintegracja zarówno granulatów, jak i folii ma niemal identyczny charakter. Większość ubytku masy ma miejsce w końcowych fazach procesu dezintegracji. Przeprowadzone badania pozwoliły lepiej zrozumieć proces dezintegracji oraz potwierdziły, że norma PN-EN 14806: 2015 może być wykorzystana do badania granulatów.
Evaluation of selected packaging materials desintegration in laboratory conditions: End of life of packaging is an increasingly interesting subject for all participants of the packaging value chain. This is due to increased environmental awareness of the consumers, legislative changes promoting sustainable solutions, and technological achievements that led to many new materials with potentially very good impact on the end of life phase of packaging life cycle. Materials that could be especially beneficial are called bioplastics. Many of them are susceptible to organic recycling, also known as composting. Composting is an industrial process with very specific requirements, and therefore packaging materials that are biodegradable have to be tested for their composting behaviour. One of the most important characteristics of compostable materials is their ability to disintegrate within composting cycle. This characteristic can be tested in a laboratory conditions using PN-EN 14806:2015 method. The purpose of this research is to test granulates and films of bioplastics and compare their disintegration over time. The innovative aspect of this testing scheme is that disintegration rate is tested over time, to show how and when tested samples lose their mass and molecular cohesion. In addition to that, it is the first time that this testing method is used on granulates. This is based on many requests from the industry. The results surprisingly show that the disintegration process of both films and granulates is very similar. The majority of mass loss occurs dramatically in the latter stage of disintegration process. Performed tests helped to understand the process and proved that PN-EN 14806:2015 standard can be also used with granulates.
Wstęp
Powszechne wykorzystanie tworzyw sztucznych powoduje wzrost obciążeń środowiskowych – zużycia zasobów naturalnych, emisji podczas produkcji, a także konieczność zagospodarowania zwiększonej masy odpadów. W celu ograniczania tych negatywnych skutków konieczne jest stosowanie tworzyw zgodnie z zasadą zrównoważonego rozwoju, w szczególności tworzyw ulegających biodegradacji oraz wytwarzanych z surowców odnawialnych. Do ich produkcji wykorzystuje się polimery biodegradowalne, które rozkładają się pod wpływem bakterii i grzybów. Tworzywa te charakteryzują się podobnymi właściwościami jak klasyczne tworzywa ropopochodne i mogą stanowić dla nich zamiennik. W ostatnich latach zainteresowanie takimi materiałami zaczęło szybko wzrastać, co spowodowało zdecydowany postęp w dziedzinie biodegradowalnych materiałów opakowaniowych, rozwój rynku i wzrost dostępności.
Rodzaj zastosowanych materiałów oraz sposób postępowania z odpadami poużytkowymi mają ogromny wpływ na ludzkie zdrowie i środowisko naturalne. Naczelną zasadą prawodawstwa zarówno polskiego, jak też Unii Europejskiej jest zasada zrównoważonego rozwoju, tj. harmonijnego połączenia rozwoju gospodarczego oraz społecznego z odpowiedzialnością ekologiczną. Kodeks dobrych praktyk branży opakowaniowej zwraca uwagę na myślenie o opakowaniu w kontekście ekologiczności i zrównoważonego rozwoju już na etapie projektowania, a nie dopiero w momencie powstawania odpadu opakowaniowego.
Z perspektywy ekologii opakowanie powinno być jak najbardziej przyjazne dla środowiska. Ekologiczność winna stanowić główny klucz doboru surowców i procesów produkcyjnych oraz wykorzystania opakowania po zużyciu: np. recykling stano-
wiący jedną z racjonalnych i zgodnych z wymaganiami ochrony środowiska metod odzysku opakowań poużytkowych. Deponowanie opakowań poużytkowych na składowiskach odpadów komunalnych jest ekonomicznie i ekologicznie nieuzasadnione, gdyż bezpowrotnie traci się surowce oraz zawartą w nich energię.
W porównaniu z opakowaniami z tradycyjnych tworzyw sztucznych podstawową zaletą opakowań wytworzonych z polimerów biodegradowalnych jest możliwość ich zbierania po zużyciu razem z odpadami organicznymi, a następnie poddania procesowi kompostowania w instalacjach przemysłowych (recykling organiczny), który jest całkowicie akceptowany z uwagi na wymagania ochrony środowiska. Kompostowanie opiera się na naturalnych procesach biochemicznych, zintensyfikowanych w sztucznie wytworzonych warunkach przemysłowych, dzięki zapewnieniu optymalnego środowiska do przebiegu procesów biodegradacji oraz możliwości sterowania tymi procesami. Opakowania przewidziane do przetworzenia w procesach biologicznych muszą podlegać badaniom, które potwierdzą ich biodegradowalność oraz zdolność rozpadu w warunkach kompostowania. W Zakładzie Ekologii Opakowań pod koniec 2009 r. wdrożono nową znormalizowaną metodę badań, która służy do oceny stopnia rozpadu materiałów opakowaniowych w warunkach podobnych do intensywnego tlenowego procesu kompostowania. Próbki badanego materiału są kompostowane razem ze stałymi odpadami, przygotowanymi w warunkach laboratoryjnych po uprzednim ich zaszczepieniu kompostem uzyskanym z kompostowni. Stopień rozpadu oznaczany jest na podstawie ubytku masy badanego materiału po całym cyklu kompostowania.
1. Cel i zakres badania
Celem badania były oznaczenie i analiza porównawcza stopnia rozpadu (dezintegracji) wytypowanych materiałów opakowaniowych metodami laboratoryjnymi. Badanie to symuluje warunki środowiskowe panujące w przemysłowych zakładach kompostowania, co umożliwia ocenę podatności badanych materiałów na proces biodegradacji.
Przedmiot badań stanowiły materiały i półprodukty wykonane z różnych biopolimerów, dzięki czemu możliwe było ich porównanie pod kątem szybkości procesu rozpadu pod wpływem enzymatycznego działania mikroorganizmów w zależności od rodzaju i grubości zastosowanego materiału.
Zakres merytoryczny oceny obejmował: wytypowanie próbek biopolimerów do badań, przeprowadzenie badań oraz analizę porównawczą i interpretację wyników.
Oznaczenie stopnia rozpadu zostało przeprowadzone w warunkach laboratoryjnych zbliżonych do intensywnego tlenowego procesu kompostowania, zgodnie z metodą określoną w normie PN-EN 14806:2015 (Opakowania – Ocena wstępna rozpadu materiałów opakowaniowych w symulowanych warunkach kompostowania w badaniach w skali laboratoryjnej – Terminologia [1]), przy użyciu odpadów o określonym składzie, przygotowanych w warunkach laboratoryjnych.
Celem innowacyjnym oceny było badanie metodą ujętą w normie PN-EN 14806: 2015 granulatów. Związane jest to z licznymi zapytaniami przedsiębiorstw i partnerów przemysłowych o uwzględnienie granulatów w badaniu, mimo iż norma 14806: 2015 nie posiada szczegółowych zapisów dotyczących badań nieprzetworzonych tworzyw.
Dodatkowo, aby lepiej zrozumieć proces dezintegracji, badania przeprowadzono według specjalnie przygotowanego kalendarza. Norma 14806: 2015 zakłada zakończenie badań po 6 miesiącach lub w momencie, kiedy badane próbki ulegną dezintegracji. W ramach niniejszej oceny zastosowane następujące odstępstwo: próbki były wyjmowane w równych interwałach czasowych, dobranych do czasu dezintegracji poszczególnych materiałów. Dzięki temu udało się zbadać ubytek masy próbek w czasie badania, a tym samym porównać szybkość dezintegracji granulatów i folii oraz poznać krzywą dezintegracji badanych materiałów.
Do badania wytypowano dwa rodzaje popularnych biotworzyw kompostowalnych – PLA oraz Ecovio. Granulaty i próbki folii wykonane z tych granulatów były badane w parach.
2. Metodyka badania
2.1. Terminologia
Badania zostały wykonane zgodnie z normą PN-EN 14806:2015 Opakowania – Ocena wstępna rozpadu materiałów opakowaniowych w symulowanych warunkach kompostowania w badaniach w skali laboratoryjnej – Terminologia (Terms and definitions – Packaging – Preliminary evaluation of the disintegration of packaging materials under simulated composting conditions in a laboratory scale test). Norma ta prezentuje metodę badań prowadzoną w skali laboratoryjnej, która ma na celu symulację warunków otoczenia istniejących w przemysłowych zakładach kompostowania. Materiały opakowaniowe poddane takim warunkom mogą być wstępnie ocenione pod tym kątem. Norma zawiera terminologię dotyczącą różnych form degradacji materiału opakowania. Oprócz terminów i definicji podanych w normie EN 13193:2000 [2], norma ta obejmuje następujące pojęcia:
– kompost: nawóz organiczny otrzymany przez biodegradację mieszaniny, składającej się głównie z pozostałości roślinnych, czasami z udziałem innych materiałów organicznych, z ograniczoną zawartością składników mineralnych;
– kompostowalność: potencjalna zdolność materiału do biodegradacji w procesie kompostowania;
– kompostowanie: proces tlenowy stosowany w produkcji kompostu;
– rozpad: fizyczne rozpadanie się materiału na bardzo małe części;
– sucha masa: masa próbki mierzona po suszeniu. Jest wyrażana jako procent masy próbki wilgotnej;
– całkowita sucha masa: ilość substancji stałych pozostała po suszeniu próbki badanego materiału lub kompostu, o znanej masie, w temperaturze około 105°C, do suchej masy;
– ciała stałe lotne: ilość substancji stałych otrzymanych przez odjęcie pozostałości po spaleniu w temperaturze około 550±10°C znanej masy próbki badanego materiału lub kompostu, od całkowitej zawartości substancji stałych w tej samej próbce.
2.2. Badane próbki
Przedmiot badań stanowiły folie oraz granulaty z materiałów – PLA oraz Ecovio.
Badanie granulatów związane było z licznymi zapytaniami przedsiębiorstw i partnerów przemysłowych o uwzględnienie tych materiałów w badaniu.
Próbki, które poddano badaniom, wyszczególniono w tab. 1.
Z folii przeznaczonych do badań wycięto próbki o wymiarach 25 mm x 25 mm o masie 20 g dla PLA oraz 10 g dla Ecovio, taką samą masę przyjęto dla próbek granulatów. Rozbieżność pomiędzy masami próbek PLA oraz Ecovio wynika z grubości próbek oraz wielkości granulatów – masy badanych próbek zostały dobrane w taki sposób, aby objętość próbek w reaktorach była podobna.
Norma 14806:2015 zaleca przygotowanie próbek ważących od 0,5% do 2% masy syntetycznych odpadów – w przypadku syntetycznych odpadów wykorzystywanych do badania 0,5 % do 2 % masy równało się przedziałowi od ok. 8 g do 35 g.
Przygotowane folie oraz granulaty umieszczono w reaktorach do badań o wymiarach 165 x 225 x 100, wykonanych z polipropylenu, przykrycia wykonane również z tego materiału. Podczas badania utrzymywano jednostajną temperaturę 58°C. Do badań kontrolnych masy mokrych syntetycznych odpadów wykorzystano legalizowaną wagę o dokładności 0,01 g. Badane próbki przestawiają rys. 1. i 2.
2.3. Metoda badań
Wstępną ocenę rozpadu przeprowadzono w symulowanych warunkach kompostowania, zgodnie z metodą określoną w normie PN-EN 14806:2015 Opakowania – Ocena wstępna rozpadu materiałów opakowaniowych w symulowanych warunkach kompostowania w badaniach w skali laboratoryjnej (EN 14806:2005 Packaging – Preliminary evaluation of the disintegration of packaging materials under simulated composting conditions in a laboratory scale test). przy użyciu syntetycznych odpadów o składzie określonym w tab. 2., przygotowanych w warunkach laboratoryjnych.
Oznaczenie stopnia rozpadu przeprowadzono w warunkach laboratoryjnych zbliżonych do intensywnego tlenowego procesu kompostowania. Do badania użyto syntetyczne odpady zaszczepione kompostem otrzymanym z kompostowni.
Do syntetycznych odpadów dodano próbki badanego materiału, a następnie całość poddano kompostowaniu, wykorzystując zalecany przez normę profil temperaturowy A (to jest – zachowanie stałej temperatury 58°C) (rys. 3.). Przebieg badania zilustrowano na rys. 4.–7.
Aby lepiej zrozumieć proces dezintegracji, badania przeprowadzono według specjalnie przygotowanego kalendarza. Norma 14806:2015 zakłada zakończenie badań po 90 dniach lub wcześniej, w momencie kiedy badania kontrolne wykażą, że badane próbki uległy dezintegracji.
W przypadku badań dokonanych w ramach tej oceny, próbki były wyciągane w równych interwałach czasowych, dobranych do czasu dezintegracji poszczególnych materiałów. Czas dezintegracji PLA oraz Ecovio został poznany przez badanie kalibracyjne.
W momencie wyjęcia reaktora, próbki były pobierane a następnie ważone i porównywane do średniej masy próbek sprzed badania.
Dzięki temu udało się zbadać ubytek masy próbek w czasie badania, i tym samym porównać szybkość dezintegracji granulatów i folii, oraz poznać krzywą dezintegracji badanych materiałów.
Tab. 3. przedstawia czas dezintegracji otrzymany w badaniu kalibracyjnym oraz liczbę reaktorów wykorzystywanych do badania właściwego, wraz z liczbą interwałów kontroli masy całych reaktorów, po których poszczególne reaktory były wyciągane z cieplarki.
Po podanych interwałach czasowych ubytek masy badanego materiału świadczący o rozpadzie został wykorzystywany do obliczania stopnia rozpadu, a wynik był porównywany z masą bazową próbek. Z uwagi na wysoką niepewność ważenia wszystkich próbek granulatów oraz folii z reaktorów wyciąganych po ustalonych interwałach, przyjęto metodologie ważenia zestawów 10 próbek z każdego reaktora oraz porównania wagi z zestawami 10 próbek materiału przed badaniem.
Metodyka ważenia próbek początkowych oraz pobrania próbek z reaktora była następująca:
1. zważono 20 zestawów po 10 próbek granulatów oraz folii przed badaniem;
2. z badania wyciągnięto średnią;
3. wyjęto próbki po poszczególnych interwałach badania;
4. zważono próbki w zestawach po 20;
5. z badania wyciągnięto średnią;
Średnia masa próbek przed badaniem przestawiona została w tab. 4.
3. Statystyczne wyniki badań
3.1. Wyniki badań końcowych
Zgodnie z normą PN-EN 14806: 2015 całkowitą frakcję materiału opakowaniowego powyżej 2 mm uznaje się za frakcję, która nie uległa rozpadowi. Materiał, który przeszedł przez sita, traktowany jest jako ulegający rozpadowi. Stopień rozpadu (D) jest obliczany zgodnie ze wzorem:
Mi – Mr x 100
D (%) = Mi
gdzie:
Mi jest początkową suchą masą badanego materiału
Mr jest masą suchych pozostałości odzyskanych
przez przesianie
Wyniki badań dezintegracji obliczone zgodnie z powyższym wzorem zestawiono w tab. 5. Jak wskazują uzyskane wyniki dla wszystkich badanych próbek stopień rozpadu wynosił 100%, co oznacza, że charakteryzują się one bardzo dobrą zdolnością do rozpadu w warunkach kompostowania.
3.2.Wyniki badań interwałów
Masa próbek ważonych w interwałach przedstawiona jest na rys. 8.–11.
Niewiele wyższe wyniki granulatów oraz folii z Ecovio w stosunku do ich pierwotnej masy mają związek z tendencją tego materiału do klejenia się z cząstkami syntetycznych odpadów.
Wyniki ubytku masy w interwałach badania poddane zostały badaniu statystycznemu korelacji Pearsona. Tab. 6. oraz rys. 12. i 13. przedstawiają wyniki statystyczne korelacji.
Podsumowanie i wnioski
Badane próbki z PLA jak i z Ecovio uległy całkowitej dezintegracji przed końcem badania – to jest 90 dni, przy czym w przypadku próbki z Ecovio czas dezintegracji był sześciokrotnie dłuższy niż dla próbki z PLA. Związane jest to z kompozycją samego materiału, ale nie wpływa w żaden sposób na ocenę końcową badania dezintegracji, która nie zależy od czasu rozkładu, o ile rozkład ten ma miejsce w ciągu 90 dni.
Co niezwykle interesujące, i wręcz kontrastujące z początkową hipotezą zespołu badawczego, zarówno próbki granulatów, jak i folii par badanych materiałów uległy dezintegracji po takim samym czasie. Co więcej, badania statystyczne korelacji krzywych rozpadu cechują się niezwykle wysokim współczynnikiem [r], który potwierdza bardzo dużą – wręcz idealną – korelację ubytku masy granulatów i folii.
Ubytek masy wszystkich badanych próbek przyjmuje podobny kształt i zauważalny jest dopiero w przedostatnim interwale badania. Oznacza to, że pełna dezintegracja wszystkich czterech próbek zachodzi niezwykle szybko, ale czas oczekiwania na rozpoczęcie tego procesu jest relatywnie długi.
Końcowe i interwałowe wyniki badania wskazują na to, że normę EN-PN 14806 można stosować także do granulatów – przynajmniej w przypadku PLA oraz Ecovio. W przypadku innych materiałów, sugeruje się, aby powtórzyć metodologię tego badania, tj. badać granulaty w parach z próbkami opakowań wykonanymi z tego samego materiału.
Autorzy: Monika Kaczmarczyk, Agnieszka Kwiecień, Małgorzata Pawlicka, Katarzyna Samsonowska, Anna Wójcik, Alicja Kaszuba
Literatura
[1] Norma PN-EN 14806:2015 Opakowania – Ocena wstępna rozpadu materiałów opakowaniowych w symulowanych warunkach kompostowania w badaniach w skali laboratoryjnej – Terminologia.
[2] Norma EN 13193:2000 Packaging – Packaging and the environment
– Terminology.
Alfa-Print Sp. z o.o.
ul. Świętokrzyska 14A
00-050 Warszawa
