Metody oznaczania podatności materiałów polimerowych na biodegradację

Testowanie materiałów polimerowych pod kątem biodegradacji nie jest prostym doświadczeniem, ze względu na mnogość czynników wpływających na ten proces. Ten bezsprzeczny fakt nie narusza jednak ciągłych procesów prac naukowo-badawczych, prowadzonych przez naukowców, generujących różną metodykę, ulegającą rokrocznym udoskonaleniom. Dzięki temu w ostatnich latach metody oceny stopnia biodegradowalności ulegały stopniowej normalizacji.

W oparciu o aktualne dane literaturowe, przedstawiono ważniejsze znormalizowane techniki oraz nieznormalizowane metody badawcze zmierzające do oznaczenia stopnia degradacji, czy też kompostowania materiałów polimerowych.

Normy dotyczące biodegradacji

W niniejszej części artykułu zestawiono normy dotyczące biodegradacji materiałów polimerowych, które zostały opracowane przez Instytut Standaryzacji Amerykańskiego Stowarzyszenia ds. Badań i Materiałów (ASTM), Niemieckie Stowarzyszenie Producentów Materiałów Biodegradowalnych (IBAW) oraz Międzynarodową Organizację ds. Standaryzacji. Na tym etapie należy zauważyć, że normy dotyczące biodegradacji w warunkach tlenowych przeważają nad tymi, które dotyczą badań prowadzonych w warunkach beztlenowych.

Zestawienie norm ASTM dotyczących biodegradacji:

• ASTM D 5247 "Standard test method for determining the aerobic biodegradability of degradable plastics by specific microorganisms". W normie przedstawione są metody oceny tlenowej biodegradacji z wykorzystaniem selektywnych mikroorganizmów.
• ASTM D 5271 "Standard test method for determining the aerobic biodegradation of plastic materials in an activated-sludge-wastewater-treatment system". Norma określa tlenową biodegradację tworzyw sztucznych w osadzie czynnym.
• ASTM D 5338 "The method for determining aerobic biodegradation of plastic materials under controlled composting conditions". W normie przedstawione są metody badań materiałów z tworzyw sztucznych do określenia tlenowej biodegradowalności w kontrolowanych warunkach kompostowania.
• ASTM D 5511 "Test method for determining anaerobic biodegradation of plastic materials under high-solids anaerobic-digestion conditions". Norma określa beztlenową biodegradację tworzyw sztucznych w procesie beztlenowej fermentacji.
• ASTM D 5526 "The method for determining anaerobic biodegradation of plastic materials under controlled landfill conditions". Norma określa beztlenową biodegradację tworzyw sztucznych w warunkach przyspieszonego składowania na wysypiskach.
• ASTM D 5988 "Standard test method for determining aerobic biodegradation of plastic materials in soil". Norma dotyczy metody badań dla określenia tlenowej biodegradacji materiałów polimerowych w glebie.

• ASTM D6094 "Standard guide to assess the compostability of environmentally degradable non-woven fabrics". Przewodnik oceny kompostowania dla środowiska degradacji włóknin.
• ASTM D6340 "Standards test methods for determining aerobic biodegradation of radidabelled plastic materials in an aqueous or compost environment". Standardy metody badań określające tlenową biodegradację tworzyw sztucznych w środowisku wodnym lub kompoście.
• ASTM D6400 "Standard specification for compostable plastic". Wymagania dla kompostowalnych tworzyw sztucznych.
• ASTM D6691 "The method for determining aerobic biodegradation of plastic In the Marine environment by a defined microbial consortium or natural sea water inoculum". Określenie tlenowej biodegradacji tworzyw sztucznych w środowisku morskim przez zdefiniowane szczepy bakterii lub naturalne inoculum wody morskiej.
• ASTM D6776 "Standard test method for determining anaerobic biodegradability of radiolabelled plastics materials in a laboratory-scale simulated land fill environment". Standardowa metoda badań dla określenia beztlenowej biodegradacji tworzyw sztucznych w środowisku symulowanego gruntu w skali laboratoryjnej.
  

• ASTM D6868 "Standard specification for biodegradable plastics uses as coatings on paper and other compostable substrates". Standardowa specyfikacja dla biodegradowalnych tworzyw sztucznych wykorzystująca papier i inne podłoża kompostowe.
• ASTM D6954 "Standards guide for exposing and testing plastics that degrade in the environment by a combination of oxidation and biodegradation". Metody badań tworzyw sztucznych, które ulegają jednoczesnemu utlenieniu i biodegradacji w środowisku.
• ASTM D7081 "Standard specification for non-floating biodegradable plastics in the marine environment". Standardowa specyfikacja dla niepływających tworzyw sztucznych ulegających biodegradacji w środowisku morskim

Zestawienie norm ISO dotyczących biodegradacji materiałów polimerowych:

• PN-ISO 11266 "Jakość gleby - Zasady prowadzenia badań laboratoryjnych nad biodegradacją związków organicznych w glebie w warunkach tlenowych".
• PN-EN 13432 "Opakowania - Wymagania dotyczące opakowań przydatnych do odzysku przez kompostowanie i biodegradację - Program badań i kryteria oceny do ostatecznej akceptacji opakowań".
• PN-EN ISO 14045 "Opakowania - Ocena procesu rozpadu materiałów opakowaniowych w badaniach praktycznych, w określonych warunkach kompostowania".
• PN-EN ISO 14806 "Packaging - Preliminary Evaluation Of The Disintegration Of Packaging Materials Under Simulated Composting Conditions In A Laboratory Scale Test". Opakowania - Wstępna ocena rozpadu materiałów opakowaniowych w symulowanych warunkach kompostowania w skali laboratoryjnej.
• ISO 14851 "Determination of the aerobic biodegradability of plastic materials in an aqueous medium - Method by measuring the oxygen demand in a closed respirometer." Określenie tlenowej biodegradacji tworzyw sztucznych w środowisku wodnym - metoda pomiaru zużytego tlenu.
• PN-EN ISO 14852 "Oznaczanie całkowitej biodegradacji tlenowej materiałów polimerowych w środowisku wodnym - Metoda oznaczania wydzielonego ditlenku węgla".
• ISO 14853 "Plastics-Determination of the ultimate anaerobic biodegradation of plastic materials in an aqueous system - Method by measurement of biogas production". Określenie tlenowej biodegradacji tworzyw sztucznych w środowisku wodnym - metoda pomiaru produkcji biogazu.

• ISO 14855-1 "Determination of the ultimate aerobic biodegradability of plastic materials under controlled composting conditions - Method by analysis of evolved carbon dioxide - Part 1: General method". Określenie tlenowej biodegradacji tworzyw sztucznych i ich zdolności do dezintegracji w kontrolowanych warunkach kompostowania - metoda pomiaru wydzielonego ditlenku węgla.
• ISO 15985 "Plastics - Determination of the ultimate anaerobic biodegradation and disintegration under high-solids anaerobic-digestion conditions - Method by analysis of released biogas". Określenie beztlenowej biodegradacji tworzyw sztucznych oraz ich dezintegracji w procesie beztlenowej fermentacji - metoda analizy wydzielonego biogazu.
• PN-EN ISO 17556 "Tworzywa sztuczne - oznaczanie całkowitej biodegradacji tlenowej materiałów polimerowych w glebie za pomocą pomiaru zapotrzebowania tlenu w respiratorze lub ilości wydzielonego ditlenku węgla".
• PN-EN ISO 20200 "Tworzywo sztuczne - Oznaczanie stopnia rozkładu tworzyw sztucznych w symulowanych warunkach kompostowania w skali laboratoryjnej"
• ISO 17088 "Specifications for compostable plastics". Wymagania dla kompostowalnych tworzyw sztucznych.
  

Metody naukowo-badawcze, doświadczalne, określające podatność materiałów polimerowych na biodegradację

W praktyce prace rozwojowe, naukowo-badawcze polegają na wykorzystaniu wielu różnych technik i metod umożliwiających obiektywne określenie podatności. Należą do nich m.in.:

• wyznaczenie ubytku masy próbki materiału polimerowego
• badania stopnia mineralizacji przez pomiar ilości wydzielanych lub pochłoniętych gazów
  
• wyznaczenie zmian średnich ciężarów cząsteczkowych
  
• oznaczanie stopnia usieciowania
  
• określenie zmian właściwości mechanicznych
  
• pomiar ilości wydzielanych lub pochłoniętych gazów
  
• pomiar obfitości biofilmu
  
• ocena liczebności mikroorganizmów
  
• analizy elementarne i zmian struktury molekularnej
  
• badania spektrofotometryczne
  
• badania mikroskopowe
  
• badania zmian stopnia krystaliczności
  
• analizy widm (FTIR), metod termograwimetrycznych
  

Potwierdzenie przydatności do kompostowania

Biorąc pod uwagę główną cechę materiałów biodegradowalnych, mianowicie ich zdolność do biologicznego rozkładu, można stwierdzić, że stanowią one dobrą alternatywę dla materiałów konwencjonalnych, np. polietylenu. Aby potwierdzić przydatność do kompostowania, potrzebne są jednolite kryteria oceny. W Niemczech opracowano podstawy do opracowania kryteriów certyfikacji wyrobów biodegradowalnych. Dokonało tego Stowarzyszenie Producentów Materiałów Biodegradowalnych (Interessengmeinschaft Biologisch Abbaubare Werkstoffe - IBAW). Powyższa organizacja zainicjowała opracowanie normy DIN 54900, znaku "przydatność do kompostowania", rozwój mechanizmu selektywnej zbiórki, segregację odpadów biodegradowalnych i system informacji w opisywanym zakresie.

Normy DIN 54900, EN 13432 oraz ASTM 6400 stały się podstawą dla jednostki DIN CERTCO (członek Niemieckiej organizacji Standaryzacji DIN), wydającej certyfikaty wyrobów biodegradowalnych. Certyfikacja jest prowadzona w oparciu o sprecyzowane zasady i szczegółowe procedury. Ma na celu potwierdzenie przydatności do kompostowania materiałów polimerowych, ich mieszanin czy kompozytów, zawierających dodatkowe składniki, farby, lakiery, barwniki, środki biobójcze. Materiał polimerowy, który uzyskuje taki certyfikat jest oznaczany znakiem, przedstawionym na rys. 1.

Wskazany znak jest uznawany w wielu krajach europejskich: Danii, Holandii, Wielkiej Brytanii, Włoszech i Polsce. Belgia, Finlandia i Norwegia posiadają własne logo dotyczące opisywanej kwestii. VINÇOTTE stosuje znaki: "OK biodegradable SOIL" oraz "OK biodegradable WATER", "OK kompost", "HOME OK COMPOST". We Włoszech działa też system CIC (Italian Composting Association wspólnie z Certiquality). DIN CERTO oraz VINÇOTTE oferują również certyfikację wyrobów przewidzianych do kompostowania w kompostownikach przydomowych. W USA certyfikatów udziela się w oparciu o normę ASTM D 6400. Logo materiałom kompostowalnym nadają dwie jednostki: Amerykańska Rada ds. Kompostowania i Instytut Produktów Biodegradowalnych. Obecnie w normach CEN opisane są ogólne własności, jakie powinny spełniać opakowania przydatne do kompostowania. Do tych cech należy: biodegradowalność, zdolność do dezintegracji materiału, a także - niezwykle ważne z punktu widzenia ochrony środowiska - brak negatywnego wpływu zarówno na sam przebieg procesu kompostowania, jak i na stan końcowy kompostu.
Według normy DIN 54900 ocena podatności materiału polimerowego do kompostowania składa się z 3 części. Pierwsza część to rozpoczęcie od badania składu chemicznego materiału polimerowego. Druga część to przeprowadzenie badania biodegradacji w warunkach laboratoryjnych, następnie w warunkach zbliżonych do naturalnych. Trzeci etap dotyczy analizy i badań kompostu, głównie pod kątem toksykologicznym.

Podsumowanie

Podatność materiałów polimerowych na biodegradację zależy od wielu czynników, które przenikają się wzajemnie i stanowią wspólny mianownik tego procesu. Niezwykle ważna jest możliwość biodegradacji w środowisku naturalnym, która powinna być poprzedzona stosowaniem komplementarnych metod analitycznych w skali laboratoryjnej. Niezależnie od zastosowanej metody czy normy, dana procedura powinna zapewnić bezsprzeczny charakter powtarzalności i odtwarzalności. Im bardziej dokładne będzie poznanie najmniejszych szczegółów procesu biodegradacji, tym lepsze i bardziej racjonalne przełożenie uzyska się do rozwiązań w skali makro, z uwzględnieniem zrównoważonej gospodarki odpadami.

Autor: dr hab. Agnieszka Richert