Ogni giorno facciamo uso di polimeri. Dal tessuto dei vestiti alla plastica delle penne, essi costituiscono una parte importante della nostra vita quotidiana. Ma cosa succede ai polimeri dopo averli utilizzati?
Abbiamo diverse opzioni per lo smaltimento dei polimeri. Ciò dipende in larga misura da se il polimero in questione sia biodegradabile o meno.
- Questo articolo tratterà della biodegradabilità in chimica.
- Inizieremo con la definizione di biodegradabilità, prima di esaminare come alcuni polimeri si biodegradano.
- Considereremo anche il motivo per cui altri tipi di polimeri non si biodegradano.
- Infine, esploreremo metodi alternativi per lo smaltimento dei polimeri. Sarai in grado di valutarne i pro e i contro.
Significato di biodegradabile
Le sostanze biodegradabili sono quelle che possono essere scomposte naturalmente dagli organismi viventi.
Prendiamo ad esempio un polimero. È composto da molte parti diverse chiamate monomeri. Idealmente, dopo aver utilizzato un polimero, vogliamo recuperare il maggior numero possibile di monomeri e di atomi che li compongono, in modo da non sprecare nulla. In questo modo si risparmiano soldi e risorse. Ma per recuperare questi monomeri e atomi, dobbiamo rompere i legami che questi ultimi formano all'interno del polimero. Un modo per farlo è la biodegradazione.
La biodegradazione consiste nel far sì che altri organismi viventi, chiamati decompositori, facciano il lavoro duro per noi e scompongano queste sostanze in parti più piccole. Le sostanze che possono essere scomposte in questo modo sono dette biodegradabili. Alcuni polimeri comunemente utilizzati in chimica sono biodegradabili, ma altri non lo sono. Cominciamo ad analizzare i polimeri biodegradabili.
Polimeri biodegradabili
In chimica si incontrano due tipi principali di polimeri: i polimeri di addizione e i polimeri di condensazione. I polimeri di addizione non sono biodegradabili e ne vedremo il motivo più avanti. Prima di tutto, esaminiamo i polimeri che sono invece biodegradabili: i polimeri di condensazione.
I polimeri di condensazione sono prodotti in reazioni di condensazione tra monomeri con due gruppi funzionali diversi. Questa reazione forma una lunga catena polimerica e nel processo rilascia una piccola molecola, di solito l'acqua. Possiamo scomporre un polimero di condensazione nei suoi singoli monomeri attraverso la reazione inversa, nota come idrolisi.
L'idrolisi consiste nell'aggiungere acqua ad un polimero di condensazione. Di per sé, è una reazione molto lenta. Ma se si aggiunge un catalizzatore, in genere un acido o una base, la reazione avviene molto più rapidamente. Alcuni organismi viventi possiedono già questi catalizzatori e sono quindi in grado di biodegradare i polimeri di condensazione.
Concentriamoci ora su due gruppi principali di polimeri di condensazione, i poliesteri e le poliammidi. Analizzeremo anche un esempio specifico di poliammide biodegradabile, il nylon.
Biodegradabilità delle poliammidi
Le poliammidi sono un tipo di polimero ottenuto dalla reazione di condensazione tra un'ammina e un acido carbossilico. Questa reazione rilascia acqua. Il polimero risultante contiene il gruppo funzionale ammidico, -NHCO-. Il polimero può essere scomposto nei suoi monomeri in una reazione di idrolisi come quella descritta sopra, utilizzando un acido o una base come catalizzatore.
Figura 1. Reazione di sintesi delle poliammidi.
Nylon
Il nylon è una poliammide. Viene prodotto industrialmente a partire da 1,6-diamminoesano e acido esandioico. Come tutte le poliammidi, è biodegradabile e può essere scomposto tramite una reazione di idrolisi. La reazione è lenta, ma viene notevolmente accelerata utilizzando un catalizzatore acido.
Figura 2. Reazione di sintesi del nylon.
Biodegradabilità dei poliesteri
I poliesteri sono un altro tipo di polimero ottenuto dalla reazione di condensazione tra un alcol e un acido carbossilico. Contengono il gruppo funzionale estereo, -COO-. Anche in questo caso, la reazione di condensazione rilascia acqua. Il polimero può essere scomposto tramite una reazione di idrolisi con un catalizzatore acido o alcalino.
Figura 3. Reazione di sintesi dei poliesteri.
I poliesteri e le poliammidi si degradano anche sotto l'influenza della luce. Questo fenomeno è noto come fotodegradazione ed è dovuto alle radiazioni UV del sole. Le radiazioni interagiscono con i legami del polimero, creando radicali liberi altamente reattivi che reagiscono con l'ossigeno dell'atmosfera. Questo indebolisce il polimero, rendendolo più fragile. Alla fine, il polimero si scompone in tanti piccoli pezzi.
Ma il fatto che le poliammidi e i poliesteri
possano biodegradarsi non significa che il processo sia facile o veloce. Gli organismi viventi responsabili della biodegradazione per idrolisi richiedono determinate condizioni, come livelli specifici di luce, acqua, ossigeno e temperatura. Se si getta un pezzo di tessuto di nylon sul pavimento all'aperto e lo si lascia per un paio di mesi, è probabile che sia ancora lì quando si torna. Anche la biodegradazione attraverso la luce è un processo lento.
Polimeri non biodegradabili
Abbiamo imparato che i polimeri di condensazione sono biodegradabili. Tuttavia, un altro tipo di polimero, noto come polimero di addizione, non è biodegradabile. Vediamo perché.
I polimeri di addizione sono costituiti da moltissimi monomeri che si uniscono in una lunga catena. In genere hanno una catena carboniosa C-C. Il legame C-C è forte e non polare e non può essere scisso facilmente da nessun organismo vivente, nemmeno con un catalizzatore. Ciò significa che i polimeri di addizione sono resistenti alla biodegradazione.Polialcheni
I polialcheni sono un tipo di polimero di addizione. Sono costituiti a partire da monomeri (gli alcheni) e si basano su numerosi e forti legami C-C e C-H. Per questo motivo, non possono essere scomposti facilmente e non si biodegradano.
Figura 4. Polietene, un esempio di sintesi di un polialchene.
Smaltimento di polimeri
La conoscenza dei polialcheni e della loro resistenza alla biodegradazione fa sorgere una grande domanda: in che altro modo possiamo smaltire i polimeri? Lo smaltimento può avvenire in tre modi principali.
- Smaltimento in discarica
- Incenerimento
- Cracking
- Riciclaggio
Purtroppo, nessuno di questi metodi è ideale e ognuno ha i suoi pro e i suoi contro. Cominciamo con le discariche.
Smaltimento in discariche
Sapevi che nel 2016 il 24% dei rifiuti del Regno Unito è stato inviato alle discariche? Si tratta di grandi aree di terreno deserte dove vengono scaricati i rifiuti, in enormi cumuli o in buche nel terreno. Sono utili perché tengono i rifiuti insieme in un'unica area e perché qui i poliesteri e le poliammidi si biodegradano lentamente. Tuttavia, le condizioni sono anaerobiche e questo comporta il rilascio di molto metano da parte dei decompositori. Inoltre le discariche rovinano esteticamente il territorio, sono maleodoranti e occupano molto terreno. In più, le sostanze chimiche tossiche presenti nei polimeri di scarto talvolta si diffondono nell'ambiente, inquinando il suolo, l'acqua e l'aria circostanti.
Incenerimento
Un altro modo per sbarazzarsi dei rifiuti è bruciarli: l'incenerimento. L'incenerimento è veloce, fa risparmiare spazio e rilascia anche energia utile, ma ha anche i suoi svantaggi. Per esempio, la combustione dei polialcheni rilascia anidride carbonica, un gas a effetto serra, mentre la combustione di altri polimeri può rilasciare sostanze chimiche tossiche come i vapori di stirene o l'acido cloridrico.
Cracking
Nell'articolo Cracking (Chimica), esploriamo il modo in cui gli alcani a catena lunga possono essere scomposti in alcani e alcheni più corti e più utili in un processo chiamato cracking. Questo è uno degli usi dei polialcheni, che in fondo sono solo catene di alcani molto lunghe!
Il cracking ha i suoi vantaggi. Secondo gli scienziati, il processo è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto all'incenerimento e, a differenza del riciclaggio, può essere utilizzato per miscele di polimeri sporchi o impuri.
Riciclaggio
Infine, esaminiamo il riciclaggio. Si tratta di fondere e rimodellare i polimeri, trasformandoli in un nuovo prodotto.
Il riciclaggio è vantaggioso perché permette di produrre meno polimeri ex novo, che in genere provengono da una risorsa finita, il petrolio greggio. In questo modo si risparmiano materie prime. Inoltre, rilascia meno anidride carbonica rispetto all'incenerimento. Tuttavia, la maggior parte dei polimeri può essere riciclata solo poche volte, poiché le loro catene polimeriche si rompono ad ogni successiva fusione e rimodellazione. Inoltre, lo smistamento e il trattamento dei rifiuti da riciclare è un processo costoso e lungo.
Figura 5. Il famoso simbolo del riciclaggio. Fonte: commons.wikimedia.org
Biodegradabilità - Punti chiave
- Le sostanze biodegradabili sono sostanze che possono essere scomposte naturalmente dagli organismi viventi.
- I polimeri di condensazione, come le poliammidi e i poliesteri, sono biodegradabili. Ciò comporta una reazione di idrolisi. È un processo lento, ma può essere accelerato con l'aggiunta di un catalizzatore acido o alcalino.
- I polimeri di addizione, come i polialcheni, non sono biodegradabili a causa dei loro forti legami C-C non polari.
- I metodi alternativi di smaltimento dei polimeri includono lo smaltimento in discarica, l'incenerimento, il cracking e il riciclaggio.
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