تاثیر دمای خاک بر میزان زیست تخریب پذیری پلیمرهای زیستی
جامعه امروزی سعی دارد تا انواعی از مواد زیست تخریب پذیر و یا ایمن برای محیط زیست را تولید کند که نسبت به محصولات معمولی کیفیت خیلی بهتری داشته باشند. صنعت پلاستیک نقش بسیار مهمی در بکارگیری محصولات ایمن و زیست تخریب پذیر به همراه مواد زیستی دارد. پلیمرهای زیستی انواع پلیمرهای طبیعی هستند که از مواد ارگانیک به دست می‌آیند مانند نیشکر، نشاسته و سلولز. پلیمرهای زیستی نیز همانند پلیمرها مولکولهای زنجیرواری هستند که از بلوک های شیمیایی مکرر و متصل به یکدیگر تشکیل شده اند و می توانند طول بسیار زیادی داشته باشند و همچنین این امکان وجود دارد که توسط موجودات زنده تولید شوند و قابلیت زیست تخریب پذیر داشته باشند. پلیمرهای زیستی به سه دسته متفاوت تقسیم میشوند و این تقسیم پذیری نیز با توجه به ساختار واحدهای تکراری آنها صورت می‌گیرد. دسته اول پلی ساکاریدها هستند که از مواد قندی ساخته می شوند، دسته ی دوم پروتئین های آمینو اسیدی بوده و دسته سوم نیز نوکلئیک اسید های نوکلیوتید را تشکیل میدهند. این موارد نیز همگی مثالها و نمونه ای از پلیمرهای زیستی برای هر گروه می باشند: سلولز ها که در گیاهان یافت می شوند و در دسته اول قرار می گیرند، میوگلوبین که در بافت های عضلانی دیده می شود و در دسته دوم قرار می گیرد و DNA که مواد ژنتیکی برای هر موجود زنده هستند و در دسته سوم قرار می گیرند. پلیمرهای زیستی در واقع مولکول های پیچیده ای می باشند که از فعالیت زیستی برخوردارند و برعکس پلیمرهای ترکیبی که دارای ساختار تصادفی و ساده تری هستند پلیمرهای زیستی از ویژگی‌های ساختاری بالاتری برخوردارند که می توانند شکل های سه بعدی و ساختارهای بسیار دقیقی را تشکیل دهند. این ویژگی از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است زیرا باعث میشود تا پلیمرهای زیستی در حالت زنده فعالیت زیادی داشته باشند. ساختار و شکل تعیین شده آنها نکات کلیدی بسیار مهمی هستند که می توانند وظیفه و عملکرد این مواد را به خوبی مشخص سازند. هموگلوبین نمی توانست اکسیژن را در خون انتقال دهد اگر که ساختار ۴ تایی نداشت. پلیمرهای زیستی از مصارف صنعتی بسیار متعددی برخوردارند و حوزه کاربری آنها بسیار گسترده می باشد. اما در این بخش به مصارف پزشکی و دارویی پلیمرهای زیستی می پردازیم به عنوان مثال تزریق درون مفصلی محلول یا ژل هیالورونیک اسید می‌تواند تا شش ماه باعث بهبود درد زانو در بیماران آرتروزی شود و در نهایت دامنه حرکتی آنها را به میزان زیادی افزایش دهد. به طور کلی پلیمرهای زیستی گیرنده‌های ایده آلی می باشند و علاوه بر آن به عنوان بلوک های سازنده، حامل و عامل های حفاظت کننده در جهت بهبود عملکرد مولکول های فعال زیستی در یک محصول به کار برده می شوند. این امکان نیز وجود دارد که آنها را به گونه ای تغییر داد تا بتوان از آنها به منظور دستیابی به اهداف ویژه ای استفاده کرد که در واقع به خوبی علت کاربری متعدد آنها را مشخص سازد. پلیمرهای یادشده برخلاف پلیمرهای ترکیبی اثرات کمی بر محیط زیست دارند. پلیمرهای ترکیبی بیشتر از مواد نفتی شیمیایی و یا فرایندهای شیمیایی ساخته میشوند و این در حالی است که پلیمرهای زیستی از منابع تجدید پذیر همانند گیاهان و یا موجودات زنده گرفته می شود. امکان تخریب پذیری مواد یاد شده توسط فرایندهای طبیعی در موجودات بسیار ریز و آنزیم ها وجود دارد و در نهایت این مواد به واحدهایی تبدیل میشوند که می توانند مجدداً در محیط زیست جذب شوند. مواد یاد شده قادر به ایجاد یک صنعت پایدار و کاهش انتشار دی اکسید کربن نیز می باشند. از آنجایی که پلیمرهای زیستی از مواد ارگانیک و طبیعی تولید میشوند امکان زیست تخریب پذیری را دارند. پلاستیک های زیست تخریب پذیر از موادی گرفته می شوند که با نام پلاستیک های زیستی نیز شناخته می شود. در این مقاله به تاثیر تغییرات دمای خاک بر خاصیت زیست تخریب پذیری این نوع از پلیمرها پرداخت می شود.
مقدمه
زیست تخریب پذیری در واقع نوعی واکنش شیمیایی میباشد که توسط موجودات بسیار ریزی مانند باکتری ها و یا قارچ ها صورت می گیرد. در فرایند زیست تخریب پذیری دی اکسید کربن و متان آزاد میشود. پلاستیک های زیستی از مواد خامی مانند ذرت و یا سیب زمینی گرفته میشوند و مثالی از پلاستیک های زیستی نیز پلی لاکتیک اسید می باشد. پلی لاکتیک اسید یک پلاستیک بسیار ویژه است زیرا در ساختار و خواص شباهت بسیار زیادی با پلی اتیلن دارد. ماده یاد شده بسیار سخت، شفاف و مستحکم و براق می باشند. علاوه بر آن این رزین به خوبی می‌تواند از نفوذ روغن و آب جلوگیری کند و به عنوان یک ماده مستحکم و یا انعطاف پذیر عملکرد خوبی دارد. خواص فیزیکی پلی لاکتیک اسید همانند پلاستیک های نفتی می تواند با استفاده از هم بسپارش تغییر پیدا کند. (هم بسپارش به واکنشی گفته میشود که در آن مولکول های غیر مشابه به صورت تناوبی و یا تصادفی در یک زنجیره کنار یکدیگر قرار می گیرند). پلی لاکتیک اسید قابلیت بازیافت و کود پذیری دارد و عنوان میشود که در مقایسه با پلاستیک های نفتی نیز گزینه بهتری است. علاوه بر آن ماده یاد شده از نقطه ذوب ۳۲۰ درجه فارنهایت و یا ۱۶۰ درجه سانتیگراد برخوردار است و بیشتر در حوزه صنایع بسته بندی به کار برده می شود. این رزین به خوبی می تواند محتویات داخل بسته ها را حفاظت کند زیرا ترکیبات آروماتیک را جذب نمی کند ( ترکیبات آروماتیک از حلقه‌های بنزین تشکیل شده‌اند که باعث ایجاد بویی خاص می شوند). زیست تخریب پذیری اکسیداتیو نوعی متفاوت از تخریب پذیری می باشد زیرا از اکسیداسیون و فرآوری های متفاوت به منظور سرعت بخشی و تحریک پذیری پلاستیک های پلی اولفین معمولی استفاده می کند. مواد افزوده شده به خوبی می توانند روند تخریب پذیری را کنترل کنند. تخریب پذیری اکسیداتیو توسط نور خورشید، گرما و یا فشارهای مکانیکی و یا حتی موجودات بسیار ریز طبیعی انجام می گیرد و فرآیندهای زیست تخریب پذیری در چنین شرایطی می تواند از چندین هفته تا یک یا دو سال طول بکشد. در پلاستیک هایی که قابلیت زیست تخریب پذیری اکسیداتیو دارند انواعی از آنتی اکسیدان ها به کار برده می شود که باعث می شوند تا مواد افزوده شده پلاستیک را به سرعت تخریب نکنند. در واقع این آنتی اکسیدان ها از بروز هرگونه علائم تخریبی مانند شکنندگی و یا جدا شدگی اجزا از یکدیگر پیشگیری می کنند تا زمانی که پلاستیک کاملا دور ریخته شود. مواد پلاستیکی بیشتر در کیسه های پلاستیکی یافت شده و بسیار ارزان می باشند.
فرضیه
فرضیه بدین گونه تعیین شده است که پلاستیک های زیستی ژلاتینی که از کاتالیزگرهای تخریب کننده حاوی انرژی گرمایی استفاده می کنند، در مقایسه با پلاستیک های زیستی ژلاتینی که از کاتالیزگرهای تخریب کننده هیدروژنی استفاده می کنند با سرعت بسیار بیشتری تخریب میشوند.
روش های کاربردی
در این مطالعه خاک گلدانی در یک ظرف گلدان ریخته شده و هرکدام از آنها با کاراکترهای A،B،C علامت گذاری شدند. پس از آن قطعات کوچک از پلاستیک های زیستی برش داده شده و به یک خلال دندان متصل شده و در عمق دو اینچی خاک قرار داده شد. علت به کارگیری خلال دندان ها تسهیل موقعیت یابی این پلاستیک ها در خاک بود. پس از آن در هر کدام از گلدان ها یک فنجان آب ریخته شد تا خاک مرطوب گردد. برای گلدان A از یک لامپ رومیزی با نور ۷۵ واتی به عنوان کاتالیزگر تخریب گرم استفاده شد و برای گلدان B هم از سیستم‌های انتشار آب حساس به فشار استفاده شد. در گلدان C نیز از هیچگونه کاتالیزگر تخریبی استفاده نشد و فقط ماده پلاستیکی در داخل خاک قرار داده شد. شرایط یاد شده به مدت ۷ هفته حفظ شد.
داده ها و نتایج به دست آمده
قطعه پلاستیکی که در داخل گلدان B قرار داشت با سرعت بسیار بیشتری در مقایسه با سایر موارد تخریب شد. در واقع این قطعه در هفته اول به سرعت تخریب شد و سپس سرعت این حالت در ادامه آزمایش خطی باقی ماند. اما سرعت تخریب زیستی پلاستیک قرار داده شده در گلدان A آرام تر بود زیرا در برابر دمای ثابت ۷۵ درجه فارنهایت قرار گرفته بود و این در حالی است که نمونه قرار داده شده در گلدان B در معرض دمای ۸۵ درجه فارنهایت بود. تفاوت دمایی یاد شده ناشی از این حقیقت بود که تزریق منظم آب در گلدان B باعث شد تا میزان رطوبت موجود در گلدان بیشتر شده و در نهایت میزان دمای خاک افزایش پیدا کند و چرخه های تخریب پذیری نیز با سرعت بالاتری صورت گیرند.
بحث و تبادل نظر
نتایج به دست آمده نشان می دهند که فرضیه یاد شده اشتباه می باشد. علاوه بر آن به نظر می رسید که پلاستیک هایی که در معرض دماهای متفاوت قرار می گیرند با سرعت بیشتری تخریب می شوند ولی این فرضیه نیز غلط بود. میزان رطوبت در گلدان B بالاتر بود زیرا در آن از سیستم‌های تزریق آب استفاده شده بود که همین مورد باعث می شد تا موجودات ریز بیشتری در خاک به وجود بیایند و این در حالی بود که چراغ رومیزی به کار برده شده باعث کاهش رطوبت خاک و کاهش فعالیت متابولیکی در خاک برای ظرف A شد. بنا بر مشاهدات موجود پلاستیک زیستی قرار گرفته شده در ظرف در هفته اول به مقدار فراوانی حجم خود را از دست داد ولی فرآیند های تخریبی در هفته سه تا پنج بسیار کاهش پیدا کردند.
