ما هو التحلل المائي للبلاستيك؟
تتحلل المواد البلاستيكية في الماء بواسطة التحلل المائي. تستطيع جزيئات الماء التفاعل مع روابط كيميائية محددة في سلاسل البوليمر لتشكيل جزيئات جديدة.
عادةً ما تكون هذه الجزيئات الجديدة أقصر بكثير في الطول. تحدث هذه العملية على عدة مراحل، كما هو موضح في الشكل أدناه.
مرحلة الترطيب (المرحلة 1): يخترق الوسط المائي مصفوفة البوليمر ويعطل القوى الثانوية. يتسبب ذلك في استرخاء البوليمر وانخفاض درجة حرارة الانتقال الزجاجي.
في هذه المرحلة الأولية، تعمل جزيئات الماء مثل الأوتاد الصغيرة التي تخترق تدريجياً الهيكل الشبكي المعقد لمصفوفة البوليمر. تضعف القوى الثانوية مثل الروابط الهيدروجينية وقوى فان der Waals التي تمسك سلاسل البوليمر في حالة مرتبة نسبياً بسبب تسرب الماء.
تماماً كما يتم إزعاج كومة مرتبة من البطاقات برفق، تبدأ سلاسل البوليمر في التحرك بحرية أكبر، مما يؤدي إلى استرخاء بنية المادة.
نتيجة لذلك، يتم تقليل درجة حرارة الانتقال الزجاجي (درجة الحرارة التي يتغير عندها البوليمر من حالة زجاجية صلبة إلى حالة مطاطية أكثر مرونة). يجعل ذلك البوليمر أكثر عرضة لمزيد من التغيرات الكيميائية والفيزيائية لأن سلاسل البوليمر أصبحت الآن أكثر حركة وأكثر وصولاً إلى مواد تفاعل أخرى.
على سبيل المثال، في البيئات الرطبة، تتحلل المواد البلاستيكية القائمة على البولي أميد بشكل نسبي سريع، ويمكن ملاحظة انخفاض في درجة حرارة انتقالها الزجاجي في فترة زمنية قصيرة، مما يغير بدوره الخصائص الميكانيكية للمادة عند درجة حرارة الغرفة.
مرحلة التحلل الأولي (المرحلة 2): في المناطق التي يتم فيها ترطيب البوليمر، تبدأ الروابط التساهمية في العمود الفقري للبوليمر في الانكسار.
نتيجة لذلك، يحدث انخفاض في الوزن الجزيئي للبوليمر. مع تقدم التحلل المائي، يتم تحفيز تفاعل التحلل المائي داخل مصفوفة البوليمر بشكل تلقائي بواسطة عدد متزايد من مجموعات الكاربوكسيل الطرفية، مما يتسبب في استمرار انخفاض الوزن الجزيئي للبوليمر.
مع انخفاض الوزن الجزيئي، فإن البوليمر يفقد أيضًا قوته الميكانيكية، لكن البوليمر لا يزال يحتفظ بسلامته. عندما تتلامس الروابط التساهمية في هيكل البوليمر (مثل روابط الإستر، روابط الأميد، أو روابط الكربونات) مع جزيئات الماء، يحدث تفاعل كيميائي.
تتفكك جزيئات الماء ويتم ربط ذرة هيدروجين بجزء من سلسلة البوليمر ومجموعة هيدروكسيل بجزء آخر، مما يؤدي بشكل فعال إلى كسر الرابطة التساهمية.
على سبيل المثال، في البلاستيك القائم على البوليستر مثل بولي إيثيلين تيريفثاليت (PET)، تكون روابط الإستر عرضة بشكل خاص للتحلل المائي. مع كسر هذه الروابط، تتحطم سلاسل البوليمر الطويلة إلى سلاسل أقصر، وينخفض الوزن الجزيئي.
تقوم مجموعات الكربوكسيل الجديدة بتسريع تفاعلات التحلل المائي الإضافية. تعني هذه العملية ذاتية التسريع أنه بمجرد بدء التحلل المائي، تميل سرعته إلى الزيادة مع مرور الوقت. مع انخفاض الوزن الجزيئي، تنخفض قدرة البوليمر على مقاومة القوى الخارجية، مثل الشد أو الضغط. ومع ذلك، لا يزال المادة تحتفظ بشكلها العام، رغم أنها تصبح أكثر مرونة وأقل متانة.
التحلل الإضافي (المرحلة 3): يستمر الوزن الجزيئي للبوليمر في الانخفاض حتى يتم الوصول إلى عتبة حيث لا يمكن للبوليمر الحفاظ على سلامته ويبدأ في تجربة فقدان ملحوظ للكتلة. مع استمرار تفاعل التحلل المائي وانخفاض الوزن الجزيئي أكثر، يصل البوليمر إلى نقطة حرجة.
تصبح السلاسل الجزيئية المتبقية قصيرة جدًا وضعيفة جدًا للحفاظ على سلامة الهيكل المادي. هذا يشبه حبلًا تآكل وكُسر إلى العديد من القطع الصغيرة لدرجة أنه لم يعد قادرًا على دعم أي وزن. في هذه المرحلة، يبدأ البوليمر في الانهيار إلى قطع أصغر.
على سبيل المثال، قد تبدأ فيلم بلاستيكي يخضع للتحلل المائي في تطوير ثقوب صغيرة وقد تبدأ الحواف في التفتت. ثم يتم تكسير هذه القطع أكثر بواسطة عوامل بيئية أخرى، مثل تدفق الماء أو الكائنات الحية الدقيقة، مما يؤدي إلى فقدان ملحوظ في الكتلة.
البوليمر، الذي كان له شكل وحجم محددين، يبدأ في التفتت ويصبح أكثر تشتتًا في البيئة.
مرحلة الذوبان أو التآكل (المرحلة 4): تنخفض كتلة البوليمر وتنكسر شظاياه أكثر إلى جزيئات قابلة للذوبان في الوسط. في هذه المرحلة النهائية، تنكسر الشظايا الصغيرة من البوليمر إلى جزيئات أصغر وتذوب في الماء.
ثم يتم حمل هذه الجزيئات القابلة للذوبان بواسطة تدفق الماء، مما يتسبب في اختفاء البلاستيك من موقعه الأصلي. هذه العملية مشابهة لذوبان السكر في الماء.
مأخوذًا البلاستيك كمثال، فإن مواد مثل أوليغوميرات حمض اللاكتيك التي قد تتشكل أثناء التحلل المائي لحمض البولي لاكتيك (PLA) قادرة على الذوبان في الماء والنقل إلى أجزاء أخرى من البيئة.
هذا لا يؤدي فقط إلى اختفاء المادة البلاستيكية الأصلية تمامًا، ولكن له أيضًا تأثير على النظام البيئي المحيط.
قد يتم امتصاص هذه الجزيئات الذائبة بواسطة الكائنات الحية المائية، مما قد يسبب ضررًا من خلال التراكم الحيوي، أو يتداخل مع العمليات البيولوجية الطبيعية.
تتأثر سرعة ومدى التحلل المائي للبلاستيك بالعديد من العوامل. تلعب درجة الحرارة دورًا رئيسيًا، وعادةً ما تكون كلما ارتفعت درجة الحرارة، زادت الطاقة المقدمة للتفاعل الكيميائي، وسرعة تفاعل التحلل المائي.
كما تؤثر درجة حموضة الماء أيضًا على عملية التحلل المائي، وبعض البلاستيكات تتحلل بشكل أسرع في البيئات الحمضية أو القلوية.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي وجود المحفزات الطبيعية أو الاصطناعية إلى تسريع عملية التحلل المائي. يعد فهم التحلل المائي للمواد البلاستيكية أمرًا حاسمًا لتطوير استراتيجيات الإدارة لنفايات البلاستيك في البيئات المائية، مثل تصميم مواد بلاستيكية قابلة للتحلل بشكل أفضل أو تحسين عمليات معالجة النفايات لمنع إطلاق منتجات التحلل الضارة.
تربط منصتنا مئات من الموردين الكيميائيين المعتمدين الصينيين بالمشترين في جميع أنحاء العالم، مما يعزز المعاملات الشفافة، وفرص العمل الأفضل، والشراكات عالية القيمة. سواء كنت تبحث عن سلع بالجملة، أو مواد كيميائية متخصصة، أو خدمات شراء مخصصة، فإن TDD-Global موثوقة لتكون خيارك الأول.
