Plastid, probleem ja lahendus

Taastumatutel, fossiilsetel loodusvaradel põhinevatelt plastidelt tuleks üle minna taastuvatele ehk biopõhistele plastidele, see lõpetaks jäätmeprobleemid ja süsinikdioksiidi lisandumise atmosfääri.

ANDRES KRUMME

Plastide keskkonnamõju on läbi aegade tähelepanu pälvinud ning huvi võimalike lahenduste vastu kasvab koos plastjäätmete probleemi süvenemisega. Enam kui poole sajandiga on plastidest saanud inimühiskonna lahutamatu osa ning hoolimata probleemidest võimaldanud praeguse heaolu taseme ning tehnoloogia arengu enamasti eluliselt olulistes valdkondades, nagu toidu kvaliteet, ehitus, transport, elektroonika, meditsiin, põllumajandus, rõivastus jne. Seetõttu ei aita siin emotsioonid ega roheline ajupesu, mille taga on tihti teatavate huvigruppide omakasupüüdlikud soovid. Kui me ei soovi tagasi pöörduda XIX sajand tehnoloogilise taseme ja elukvaliteedi juurde, siis tuleb keskenduda sellele, kuidas tagada jätkusuutlik ja keskkonda säästev materjalide, sh plastide kasutus. Probleemide kirjeldamise asemel tuleb mõelda lahendustele, hinnata materjali elutsüklit tervikuna ja leida toorained, mis oleksid taastuvad ja minimaalse keskkonnamõjuga. Ka tuleb laialdase positiivse keskkonnamõju saavutamiseks uuesti läbi mõelda kogu praegune tarbimissüsteem ja elukorraldus. Miks ja mida me ostame, kui palju taaskasutame, millega tuba soojendame ja kas kontinentideülene puhkusereis on keskkonnategu? Plastiprobleemi lahendamine on selle tervikpildi üks osa.

Plastide tootmine ja kasutamine

Läbi ajaloo on inimkond hinnanguliselt tootnud 8300 miljonit tonni (Mt) plaste.¹ Plastide laialdasem valmistamine ja kasutamine algas eelmise sajandi 50ndatel aastatel, mil toodeti ~2 Mt plasti aastas. 2017. aastal toodeti maailmas juba 348 Mt plasti, kasv võrreldes 2016. aastaga oli seejuures 13 Mt. Euroopa plastitoodang oli 2017. aastal 64,4 Mt, kasv võrreldes 2016. aastaga 4,4 Mt.² Eelnevast järeldub, et plastide tootmismahtude kasv on kõikjal olnud pidev ja kiirenev.

Ometi on plastitööstuse mõju fossiilsete maavarade kulutamisele võrreldes transpordi ja küttega väike, materjalide tootmiseks kasutati neist 4–8%.³

Biopõhiseid plaste toodeti maailmas 2017. aastal 4,4 Mt. Kasv võrreldes eelmise aastaga oli ligikaudu 0,2 Mt.⁴ Bio­plastide osa kogu plastitoodangust oli seega ligikaudu 1,3%, millest järeldub, et valdav osa plaste toodeti fossiilsetel maavaradel (nafta, maagaas, kivisüsi) põhinevast toormest.

Huvitav on teada, et plaste toodetakse kõige enam Aasias, 2017. aasta andmetel 50,1% kogumahust. Hiina toodab 29,4%, Euroopa kokku 18,5% ja Põhja-Ameerika 17,7%.² Seega ületab ühe riigi, Hiina, toodang eraldi võetuna maailmajagude toodangu.

Plastide tarbimine Euroopas on teataval määral väiksem kui tootmine, 51,2 Mt. Kuus suurimat Euroopa riiki kasutas sellest 70%. Suurim kasutaja on Saksamaa 24,6 protsendiga.² Globaalses mõttes on Eesti osa plasti tarbimises tagasihoidlik. Meie osaks jääb ligikaudu 0,2% Euroopa osast.

Euroopas, nagu ka maailmas, kasutatakse suurem osa plaste pakendite valmistamiseks – 39,7%. Järgnevad ehitussektor 19,8% ja autotööstus 10,1%. Väiksema osa moodustavad elektroonika, kodu- ja spordikaubad, põllumajandus, meditsiin ja sisustustooted. Kõige enam kasutatakse polüolefiine, polüpropüleeni ja polüetüleeni. See on loogiline, kuna need on enamlevinud pakkematerjalid, kuid leiavad kasutust ka ehituses ja transpordis.

Eri eluvaldkondades on plastide maksimaalne kasulik eluiga, s.t kasutusaeg erinev. Pakendil ulatub see kahe aastani, kodu- ja spordikaupadel viie aastani, elektroonikal 15 aastani, transpordivahenditel 20 aastani ja ehitusmaterjalidel 60 aastani. Valdav kasutusiga on loetletud väärtustest ligikaudu poole võrra lühem.¹ Seega kasutatakse plaste kõige enam valdkonnas, millel on kõige lühem eluiga. Järgnevas valdkonnas, ehitussektoris, on see aga kõige pikem.

Plastide taaskasutus

Üldiselt levinud põhimõtte järgi on kolm võimalust, mis võib plastiga juhtuda pärast kasutusaja lõppu. Esimene võimalus on see, et materjal visatakse lihtsalt minema. Siin esineb omakorda kolm võimalust: kontrollimatu keskkonna reostamine, ladestamine prügilasse (pisut parem võimalus) ning kompostimine. Kompostimine on võimalik ainult bioloogiliselt lagunevate plastide puhul ja lisaeelisena võib materjalist saada väetis tulevaste biotoodete tarbeks. Üldiselt ei saa esimese võimaluse puhul rääkida taaskasutusest.

Teine võimalus on materjali kasutamine kütteks ehk energia taaskasutus. Selle eeliseks on asjaolu, et uute fossiilsete maavarade kasutusele võtmise asemel saab energiat toota juba kasutuses olevast ainest. Puuduseks on asjaolu, et materjalide vajadust energia taaskasutus ei vähenda. Siinkohal on ka sobilik meenutada, et kodused küttekolded ei sobi enamiku plastide põletamiseks ehk energia taaskasutuseks, rääkimata plastide põletamisest lõkkes. Puuduliku põlemisprotsessi tulemusena vabaneb lai valik kahjulikke aineid.

Kolmas ja eelistatuim võimalus on plasti kui materjali taaskasutus uutes toodetes. Selle tulemusena väheneb vajadus uue toorme järele ja pikeneb materjali kasulik eluiga.

Plastide taaskasutuse senine seis on kehv. Kõikidest plastidest, mis on alates eelmise sajandi 50ndatest aastatest toodetud (8300 Mt, nagu eelnevalt märgitud) on praeguseks tekkinud 6300 Mt jäätmeid. Neist on läinud taaskasutusse energiana 12%, materjalidena 9% ning ülejäänud 79% on leidnud koha prügilates või looduses.¹

Euroopa Liit liigub siiski kursil, kus plasti ladestamine prügilatesse väheneb ning taaskasutus kasvab. 2016. aastal koguti 27,1 Mt plastijäätmeid. Neist 41,6% kasutati energia tootmiseks, 31,1% taaskasutati materjalina ja 27,3% ladestati prügilatesse.² Euroopa Liidus on seatud eesmärgiks hiljemalt 2025. aasta lõpuks ringlusse võtta vähemalt 50% pakendijäätmetes sisalduvast plastist.⁵

Euroopa ja Eesti selle osana on maailma mõistes siiski suhteliselt arenenud piirkond, millel on jäätmekorralduseks teadmisi ja ressursse. Globaalselt on peamine keskkonda sattuvate jäätmete probleem mujal, ennekõike Aasias.

Plastide jalajälg

Kui plastide tootmise trend jätkub praeguses kiirenevas tempos ning jäätmeprobleemile lahendust ei leita, on 2050. aastaks maailma prügilates ja biosfääris 12 000 Mt plasti.¹

Kui Aasia osa plastide tootmises on praeguseks üle 50%, siis merereostusest on see 82%. Samal ajal tekitavad Euroopa ja USA sellest ainult 2% aastas.³ Praegusel ajal jõuab aastas maailmamerre 3–5 Mt plasti. Võrdluseks võib ette kujutada, et 1 Mt plastjäätmeid moodustab ligikaudu 132 000 prügiauto koormat.⁶ Praeguse reostamise kiiruse juures võrdsustub kalade ja plastprügi kogus maailmameres 2050. aastaks.³

Plastide tootmine ja põletamine tekitab maailmas aastas 400 Mt süsinikdioksiidi heitmeid.⁷ Võrdluseks: üle kogu Eesti oli perioodil 2013–2016 süsinikdioksiidi heitmeid 14 Mt jagu.⁸

Tulevikustsenaariumid

Plastide tootmise ja kasutamise tulevikustsenaariume võib olla mitu ja ilmselt ei ole siin üht kindlat lahendust. Mõtlemiseks võib aga välja pakkuda kolm versiooni.

Esiteks: võime jätkata nii nagu seni. Tagajärjeks on kasvavad keskkonnaprobleemid, nagu on kirjeldatud eelmises punktis. Koos ülejäänud saasteprobleemide ja liigtarbimisega satub tsivilisatsiooni jätkusuutlikkus suure küsimärgi alla. Peale selle kulutatakse praegu taastumatuid loodusvarasid ligikaudu 100 000 korda kiiremini, kui need on geoloogiliste protsessidega tekkinud.⁹ See tähendab, et nafta ja maagaasi ammendumine on lähedal ja nendest plastide tootmise probleem laheneb iseenesest.

Teiseks: võime ette kujutada, et viimaks võetakse kasutusele mingi peaaegu piiramatu energia allikas, nt kontrollitud termotuumareaktsioon. Fossiilset tooret ei ole siis enam vaja, kuna keskkonnas, ka meid ümbritsevas õhus, leidub piisavalt elemente plastide sünteesiks. Tehnoloogiad selliseks tootmiseks on olemas, kuid praegu ei ole need energeetiliselt tasuvad. Selline stsenaarium aitaks osaliselt lahendada süsinikdioksiidi probleemi, kuna seda kasutataks siis plasti toormena. Kui aga praegu enam levinud plastiliikide tootmine jätkub kasvavas tempos, siis süvenevad ka jäätmetega seotud keskkonnaprobleemid.

Kolmas stsenaarium kujutaks üleminekut taastumatutel (fossiilsetel) loodusvaradel põhinevatelt plastidelt taastuvatele ehk biopõhistele plastidele. Seejuures tuleks fossiilsetel maavaradel põhinevaid plaste säästa just sellisteks toodeteks, kus nende hea vastupidavus on eeliseks, mitte puuduseks. Eelneva põhjal võib arvata, et neile sobiv rakendus oleks ehitusvaldkond ning pakenditena tuleks võimalikult kiiresti kasutusele võtta biopõhised ja bioloogiliselt lagunevad plastid. See on kõige positiivsem stsenaarium, mis eduka rakenduse korral võimaldab lõpetada jäätmeprobleemid ja süsinikdioksiidi lisandumise atmosfääri. Biopõhiste plastide tootmisel ei lisandu süsinikdioksiidi, vaid seda pigem seotakse.

Bioplastide kasutuse probleemid

Et biomaailmas pisut selgust tuua, tuleb täpsustada paari mõistet. Bio­plastide alla sobivad materjalid, mis on biopõhised, bioloogiliselt lagunevad või samaaegselt mõlemat. Biopõhised plastid põhinevad looduslikul toormel, milleks on peamiselt, aga mitte ainult, taimeriigi esindajad. Plastid saadakse nimetatud toormest bioloogiliste ja keemiliste protsesside käigus. Biopõhised plastid võivad olla bioloogiliselt lagunevad või ka mitte. Näiteks võib biopõhisena toota laialt levinud polüetüleeni või polüetüleentereftalaati (PET), mis ei erine keemiliselt koostiselt fossiilsetest maavaradest saadud plastidest. Bioloogiliselt lagunevad plastid võivad põhineda nii looduslikul toormel kui ka fossiilsetel maavaradel, kuid peavad bioloogiliste tegurite toimel mõistliku ajaga komposteeruma. Järgnevalt mõeldakse bioplastide all lihtsustuse mõttes ennekõike biopõhiseid ja samaaegselt ka bioloogiliselt lagunevaid plaste.

Bioplastide laialdase kasutuselevõtu ees on praeguse seisuga mitmesuguseid takistusi.

Esmalt on need üldjuhul kallimad, kui fossiilsetel maavaradel põhinevad. Seega on viimased endiselt esmaseks eelistuseks, kui lähtuda ainult kasumlikkusest või kui (nt arengumaade) tarbijaskond ei või endale kallimaid materjale lubada.

Teiseks on plastitööstus valdavalt kohandunud fossiilsetel maavaradel põhinevate materjalide töötlemisele ning pakendav tööstus arvestab nende materjalide hea vastupidavusega. Bio­plastide töötlemine vajab tehnoloogilisi ümberkorraldusi ning need materjalid vajavad arendamist, et nad suudaksid tagada toiduainete kvaliteedi ette nähtud säilivusaja jooksul.

Kolmandaks põhinevad praeguseks enamlevinud bioplastid põllumajandusel, ennekõike tärklisel ja suhkrutel. Tärklis ja suhkur on toiduained, mida vajab maailma kasvav, suuresti alatoidetud elanikkond. Põllumajandus vajab masinate käigus hoidmiseks fossiilseid kütuseid, väetisi ja taimekaitsevahendeid. Ja kuigi Euroopa bioplastitootjate ühendus väidab, et nende toodang on igati jätkusuulik, kuna tarvitab vaid 2% põllumajandusmaast,¹⁰ ei tundu see pikas perspektiivis päris nii olevat. Kui nimetatud 2% põllumajandusmaad pakub praegusel ajal paar Mt bioplaste, siis plastiprobleemi lahenduseks oleks neid vaja vähemalt sada korda rohkem. See tähendaks aga palju suuremat maakasutust.

Praegused bioplastid on luksus, mida võib endale lubada arenenud riikide keskkonnatundlik ja maksejõuline elanikkond, aga mis ei ole lahenduseks arengumaadele, kust pärineb kõige suurem osa jäätmetest ja kus tihti valitseb ka toidunappus.

Seega oleks vaja looduslikku tooret, mis ei nõua intensiivset põllumajandust, oleks laialt levinud ega konkureeriks toiduainetega. Selliseks toormeks on tselluloos. Tselluloos on kõige enam levinud looduslik polümeer. Biosfääris tekib seda aastas ligikaudu 90 gigatonni.⁹ Kogu maailma praeguse plastitoodangu asendamiseks kuluks sellest ligikaudu 0,4%.

Appi tõttab tselluloos

Tselluloosil on head mehaanilised omadused, suhteliselt hea temperatuuri­taluvus ja vastupidavus levinud lahustitele. Tselluloos on bioloogiliselt ohutu ega konkureeri toiduressursiga. Samuti saab põllumajandusjääke tselluloosi allikana ära kasutada. Vähem oluline ei ole ka see, et tselluloos on kodumaine tooraine. Võiks mõelda sellele, kas ja kui kaua soovime sõltuda ainult suurtest materjale tootvatest korporatsioonidest ja kas võiksime midagi ka ise teha.

Tselluloosil põhinevad pakkematerjalid on pika ajalooga. Tahkemate toitude paberisse pakkimist on harrastatud ilmselt pärast paberitööstuse laiemat levikut. Veidi uuem materjal on tsellofaan, mille tootmise tehnoloogia patenteeriti 1912. aastal.¹¹ Ilmselt mäletatakse veel meilgi Nõukogude Liidu ajast pakkematerjalina hea läbipaistvuse ja painduvusega ning kenasti krõbisevat tsellofaankilet.

Tsellofaanikile saamiseks tuleb tselluloos, mis pärineb puidust või kiutaimedest lahustada ning seejärel uuesti sadestada soovitud kujul. Samasuguse põhimõtte järgi valmistatakse ka tuntud tekstiilkiudu, viskoosi. Üks tselluloosi häid omadusi, halb lahustuvus, on siinkohal ka probleemiks. Nimelt tuleb tselluloosi lahustamiseks kasutada suhteliselt karme lahusteid, millel on omad keskkonnariskid. Klassikalise tsellofaani on praeguseks pakkematerjalina asendanud fossiilsel maavaral põhinevad polüetüleen- ja polüpropüleenkiled, mis on praegu veel materjalina odavamad ja lihtsamini suurtes mahtudes toodetavad. Tsellofaaninimelist kilet võib leida poest veel praegugi, aga eksitavalt on see nüüd valmistatud peamiselt polüpropüleenist.

Siinkohal tuleb mängu teine tselluloosi hea omadus, mis on töötlemisel probleemiks. Enamik pakendite ja kilede tootmisprotsesse vajab sulavat materjali. Plast sulatatakse, sulandile antakse sobiv kuju, mis seejärel materjali jahtudes ja tahkestudes fikseerub. Tselluloos oma algsel kujul ei ole sulav, vaid laguneb kuumutamisel enne sulaolekusse jõudmist. Selleks et tselluloosi saaks sulandina töödelda, tuleb seda keemiliselt modifitseerida. Vastavate keemilise töötluse võtete avastamine jääb umbes samasse aega kui tsellofaani avastamine, eelmise sajandi algusesse.¹² Ka sulava ehk termoplastse tselluloosi valmistamine vajab esmalt selle biopolümeeri lahustamist, millele järgneb töötlus peamiselt orgaaniliste hapetega, millest enamlevinud on äädikhape. Soovitud omaduste täielikuks saavutamiseks tuleb üldjuhul lisada ka veel pehmendavaid aineid ehk plastifikaatoreid. Tuntum termoplastne tselluloosi derivaat on tselluloosatsetaat.

Eelneva põhjal hakkab selguma, miks tselluloos ei ole hoolimata laialdasest levikust saanud taastumatutel loodusvaradel põhinevate plastide asendajaks: see materjal ei ole otseselt vormitav tavapäraste töötlusvõtetega ja vajab modifitseerimist läbi keemiliste protsesside ja lisandite ning jääb seetõttu hinnakonkurentsis alla.

Siit tulenevad ka ülesanded materjaliteadlastele ja -tehnoloogidele: majanduslikult tasuvate ja väikese keskkonnamõjuga tehnoloogiate arendamine, selleks et eraldada tselluloos biomassist, tselluloosile keskkonnasäästlike lahustisüsteemide arendamine ning keemilise modifitseerimise meetodite leidmine, mis võimalikult lihtsalt muudaksid tselluloosi töödeldavaks sarnaselt praeguseks enamlevinud pakkematerjalidega. Pakkematerjalina kasutamisel tuleb leida ka optimaalne kompromiss toiduainete säilivuse ja materjali bioloogilise lagunevuse vahel.

Bioplastide kasutuse lahendused

Teadlased ei ole siiski käed rüpes istunud. Niinimetatud rohelise keemia valdkonnas on leitud uus klass tselluloosi lahustamiseks sobivaid lahusteid, mis on ioonsed vedelikud, toatemperatuuril vedelad orgaanilised soolad.¹³ Ioonsed vedelikud sobivad nii tselluloosi lahustamiseks kui ka keemilise modifitseerimise keskkonnaks ning on suhteliselt lihtsalt taaskasutatavad. Teatavaks piiranguks on seni olnud nende maksumus, aga juba avaldatud tööstuslike rakenduste plaanid viitavad ka selle probleemi ületamisele. Helsingi ja Aalto ülikoolis on välja töötatud Ioncell-protsess, kus tselluloosi töötluseks kasutatakse ioonseid vedelikke ning tööstusliku toodanguni peaksid nad jõudma 2025. aastaks.¹⁴ Kavandatakse tekstiilkiudude tootmist, kuid see protsess võib olla aluseks ka muudele tselluloosil põhinevatele materjalidele. Tallinna tehnikaülikooli materjalitehnoloogia teadlased on kirjeldanud võimalust, kuidas tselluloosi modifitseerida ioonsete vedelike keskkonnas nii, et see materjal muutuks sulaolekus töödeldavaks ega vajaks plastifikaatoreid.¹⁵

Tselluloosi vahetu kasutamise või modifitseerimise kõrval areneb jõudsalt ka tehnoloogia, mis põhineb lignotselluloosi (taimne biomass, mis koosneb põhiliselt tselluloosist, hemitselluloosist ja ligniinist¹⁶) lagundamisel algosadeks. Lagundamisel ja produktide edasisel modifitseerimisel saadakse üle 200 väärtusliku keemilise ühendi ja neist paljud sobivad samade biopolümeeride tootmiseks, milleks praegu kasutatakse peamiselt tärklist ja suhkruid.¹⁷

Tselluloos on peaaegu ammendamatu taastuv tooraine, mis võib vahetult või pärast töötlust asendada enamikku praegu kasutuses olevaid plaste ning lahendada valdava pakendijäätmete probleemi. Keemikud, materjaliteadlased ja -tehnoloogid pingutavad selle nimel, et välja töötada sobivad ning konkurentsivõimelised tehnoloogiad ja tooted.

Andres Krumme on Tallinna tehnikaülikooli inseneriteaduskonna materjali- ja keskkonnatehnoloogia instituudi professor, polümeeride ja tekstiilitehnoloogia labori juhataja.

1 Roland Geyer, Jenna R. Jambeck, Kara Lavender Law, Production, use, and fate of all plastics ever made. Science Advances 19 Jul 2017 Vol. 3, no. 7. DOI: 10.1126/sciadv.1700782

2 Plastics – the Facts 2018, PlasticsEurope AISBL, 2018.

3 The New Plastics Economy. Rethinking the Future of Plastics, Ellen Macarthur Foundation, 2016.

4 Bio-based Building Blocks and Polymers, Global Capacities and Trends 2016 – 2021, nova-Institut GmbH, 2017.

5 Euroopa parlamendi ja nõukogu direktiiv (EL) 2018/852, 30. V 2018.

6 A European Strategy for Plastics in a Circular Economy, Communication from The Commission to The European Parliament, The Council, The European Economic and Social Committee and The Committee of The Regions, COM/2018/028 final.

7 A European Strategy for Plastics in a Circular Economy, Communication from The Commission to The European Parliament, The Council, The European Economic and Social Committee and The Committee of The Regions, {SWD (2018) 16 final}.

8 Märt Belkin, Saastekvoodi äri muutuste keerises. – Äripäev 19. VII 2017.

9 André Pinkert, Kenneth N. Marsh, Shusheng Pan, Mark P. Staige, Ionic Liquids and Their Interaction with Cellulose. Chemical Reviews, 109, 2009, 6712–6728. DOI: 10.1021/cr9001947

10 https://docs.european-bioplastics.org/publications/EUBP_Facts_and figures.pdf

11 https://en.wikipedia.org/wiki/Cellophane

12 Charles E. Carraher Jr., Carraher’s Polymer Chemistry. CRC Press, pp 5. ISBN 13: 978-1-4987-3738-8

13 Edited by Tim Liebert, Thomas Heinze, Kevin Edgar, Cellulose Solvents: For Analysis, Shaping and Chemical Modification. ACS Symposium Series; American Chemical Society: Washington, DC, 2010.

14 Ioncell, 31. I 2019. https://ioncell.fi 31.01.201

15 I. Krasnou, E. Tarasova, T. Märtson, A. Krumme, Thermoplastic Cellulose Stearate and Cellulose Laurate: Melt Rheology, Processing and Application Potential. International Polymer Processing 2015 30, 2, 210-216. doi.org/10.3139/217.2980

16 https://et.wikipedia.org/wiki/Lignotselluloos

17 Furkan Isikgor, C. Remzi Becer, Lignocellulosic biomass: a sustainable platform for the production of bio-based chemicals and polymers. Polym. Chem., 2015, 6, 4497-4559.

DOI:10.1039/C5PY00263J