/nginx/o/2021/08/27/14023499t1h3990.jpg)
- Polümeeritehnoloogia on läbi ajaloo liikunud üha stabiilsemate molekulide suunas.
- Stabiilse molekuli lõhkumiseks läheb vaja palju energiat.
- Polümeeri lõhkumisel tekkivad tükid on pahatihti väga mürgised.
Kuigi plastide käitlemiseks uuritakse ja katsetatakse mitmeid uudseid tehnoloogiaid, pole meil ei aega ega ruumigi neid ära oodata. Samuti vajab iga ringmajandus korralikku energiasisendit, tuletab akadeemik Jaak Järv meelde vestluses Fookuse toimetaja Mihkel Kunnusega.
Teel oma töökabinetti näitab akadeemik ja orgaanilise keemia professor Jaak Järv uhkusega Tartu Ülikooli moodsat keemiahoonet, mis on nii ehituselt kui sisustuselt igati maailmatasemel, lausa võrratu töökeskkond. Mul on temaga sama võrdlusalus. Mitte kuigi ammu pidid ju keemikud ja keemiatudengid – mina nende hulgas – läbi ajama sõjavangide ehitatud hoonega ülikooli peahoone kõrval (Jakobi 4), mille sisustus oli kohati sõna otseses mõttes museaalne.
Kuid on ka tõrvatilk meepotis. Nüüdse Chemicumi aknad on Järve sõnul nii suured ja õhukesed, et talvel on meeletud küttearved ja suvel jahutamisarved. «See ajab meid veel pankrotti,» ohkab ta.
Inimkonna suhe plastikutega on kummati sarnane – ühelt poolt lausa täiuslik (odavus, skaleeritavus, töödeldavus, omaduste ampluaa), teisalt on sellel väike, justkui kõrvaline nüanss (jäätmed), mis ähvardab lõpuks kogu kupatusele saatuslikuks saada.
Mul on alustuseks üks konkreetne küsimus plastide jäätmekäitluse kohta. Panin tähele, et viimasel ajal nügitakse põletamisest eemale, et põletamist tuleb maksustada jne. Aga mulle jäi tudengipõlvest meelde see, et kui polümeere üritada ringlusesse võtta, siis iga kuumutamisega lähevad ahelad lühemaks, polümeeri kvaliteet langeb. Kas siin on vahepeal, 20 aasta jooksul olnud läbimurdeid?
Kui polümeeri lähemalt vaadata, siis see on pikk molekul, nagu pärlikee. See koosneb lülidest. Kuid need lülid on erinevate polümeeride korral erinevad.
Kee näite korral on lülid eri värvi, eri kujuga, eri struktuuriga. Ja kui tavaliselt on polümeer ahela kujuline molekul, siis sageli on need ahelad omavahel seotud, moodustades hiiglasliku võrgutaolise või ruumilise molekuli. Nii võime öelda, et auto rehv, mis koosneb omavahel ristseotud polümeeri ahelatest, on üks hiiglaslik molekul. Seda struktuuri peab arvestama plasti lagundamisel. Polümeeri ehitusest sõltub, mis juhtub näiteks kuumutamisel.
Eriti segaseks läheb olukord siis, kui meil on erinevate plastide segu. Selline segu on tavaliselt pakendikonteineris. Ideaalne oleks, kui jäätmekonteineris oleks ainult ühte tüüpi plastik, näiteks polüeteen (tehnoloogid nimetavad seda polüetüleeniks). Seda saaks lihtsamalt taaskasutada, sest kuumutamisel see muutub vedelaks ja sellest massist saaksime valmistada uue topsiku või pudeli. Seega saaksime polümeeri uuesti ringlusesse võtta. Muidugi tuleb kontrollida protsessil toimuvaid muid muutusi.
Ideaalne oleks, kui jäätmekonteineris oleks ainult ühte tüüpi plastik, näiteks polüeteen. Seda saaks lihtsamalt taaskasutada, sest kuumutamisel see muutub vedelaks ja sellest massist saaksime valmistada uue topsiku või pudeli..
Need plastid, mis meil on igapäevases kasutuses, on oma keemilise koostise poolest väga mitmekesised materjalid. See tähendab, et «pärlikee» lülid on keemilises mõttes väga erinevad ning nende koos töötlemine ja segamine on küsitav.
Sünteetilised polümeerid on stabiilsed. Kas see on keemiline stabiilsus või füüsikalise materjali stabiilsus?
Need mõisted suuresti kattuvad. Kui molekul on stabiilne, siis on püsiv ka materjal, mis nendest molekulidest koosneb. Ja nii ongi meil ookeanides tekkinud sadade kilomeetrite läbimõõduga plastisaared, sest plast laguneb vees ja õhus väga aeglaselt. Stabiilsete polümeeride loomine on olnud kaua aega nende materjalide loomise eesmärgiks.
Pärlite lükkimine keesse ehk polümeeri moodustumise reaktsioon on võrreldav vee voolamisega mäest alla, sest reaktsiooni saadus on stabiilsem kui lähteained. Kui vesi on mäest alla voolanud, siis see iseenesest mäkke tagasi ei voola. Vett tuleb mäe otsa pumbata, ning selleks kulub energiat ja see maksab.
Nii võtab ka polümeeri ahela tagasi tükkideks lammutamine ehk plastijääkide lammutamine algosadeks energiat. Pealegi ei ole seejuures tekkivad polümeeriahela tükid enamasti kasutatavad uute polümeeride saamiseks ning vajalik on täiendav töötlemine.
/nginx/o/2024/11/13/16481701t1h2cc3.jpg)
Omaette teema on plasti füüsikalised omadused, näiteks elastsus ja värvus. Värvained lisatakse tavaliselt plastile täiendavalt. Samuti lisatakse nn plastifikaatorid, mis reguleerivad materjali elastsust. Täiesti mõistetavalt on kogu polümeeritehnoloogia arenenud selliselt, et polümeer saaks võimalikult odav ja stabiilne.
Ja sellevõrra on siis ka selle ümbertöötlemine keerulisem ja kallim?
Kindlasti kallim, sest materjali ümbertöötlemine vajab energiat.
Paljud polümeeride lähteained on ikka naftast toodetud.
Jah, sageli polegi vaja neid eraldi toota, need tekivad nafta töötlemisel ja on kaasproduktid.
Omaette teema on plasti füüsikalised omadused, näiteks elastsus ja värvus. Täiesti mõistetavalt on kogu polümeeritehnoloogia arenenud selliselt, et polümeer saaks võimalikult odav ja stabiilne.
Olgu, tagasi. Niisiis, viimase 20 aasta jooksul pole leiutatud mingit head ja odavat viisi, kuidas plaste ümber töödelda.
Plastid on, jah, tehtud selliselt, et need oleksid võimalikult stabiilsed. Tõsi, viimasel ajal on hakatud uurima, kuidas polümeeri ahelaid siiski tükkideks teha ja neid tükke taaskasutada.
Füüsiliselt või keemiliselt?
Polümeerimolekul tuleb tükkideks teha ja see on keemiline protsess, mille toimumiseks on vaja energiat. Molekulide tükeldamise meetodeid on nüüd tõesti uurima hakatud. Aga jäätmekäitluse probleemiks on see, et kokku kogutav plast ei ole sama liiki materjal, vaid segu erinevatest materjalidest, ja see raskendab ümbertöötlemist.
Lisaks veel see, et palju kasutatakse nn komposiitmaterjale, kus on koos mitu erinevat polümeeri või on plast kombineeritud mingi teise materjaliga.
/nginx/o/2024/11/13/16481703t1h70d2.jpg)
Tetrapakk on selle kohta hea näide. Seal on kombineeritud plastik ja papp. Mõnikord ka metall.
Jah, sellest segamaterjalist on veelgi raskem midagi kätte saada. Praegu läheb pakendikonteinerisse nii plastpakend kui ka piimapakk. Aga mahlapudel ja jogurtitops on keemiliselt erinevad materjalid.
Aga siis on ju ikka kõige mõistlikum plasti jäägid ära põletada?
See on kõige lihtsam ja odavam viis neist jääkidest lahti saada. Tekib aga süsihappegaas. Samuti lämmastiku- ja väävliühendid, sest mõned polümeerid sisaldavad neid elemente. Lisaks ka halogeeniühendid.
Neid gaasilisi saadusi saab muidugi ka eraldada, et need ei satuks atmosfääri. Aga see muudab põletamise tehnoloogia kallimaks. Süsihappegaasi kasutavad taimed fotosünteesiks. Aga selline looduslik sidumine on aeglasem kui süsihappegaasi tekitamine igapäevases elus. See ongi kogu probleemi juur.
Praegu läheb pakendikonteinerisse nii plastpakend kui ka piimapakk. Aga mahlapudel ja jogurtitops on keemiliselt erinevad materjalid.
Looduses on fotosüntees ülimalt levinud protsess, kus veest ja süsihappegaasist ning päikese energiat kasutades tekivad orgaanilised ained. Vahest saame siin midagi looduselt õppida. Seni see ei ole olnud edukas.
/nginx/o/2024/11/13/16481698t1h1ffa.jpg)
Süsihappegaasi kasutamisel orgaaniliste molekulide saamiseks võiks kasutada ka vesinikku, mille saamisest on viimasel ajal palju juttu olnud. Vesiniku tootmine päikese- või tuuleenergiast on igati võimalik, kuid energiasalvestina on vesiniku kasutamine kulukas. Kui aga vesinikust ja süsihappegaasist teha orgaanilisi molekule, siis saaks näiteks sünteesida mootorikütuse, mille kasutamiseks on kogu taristu olemas. Olemas on ka sisepõlemismootorid, mida ei ole vaja uuesti leiutada. Samas on selle tehnoloogia kulud ka suured, sest igal etapil on oma kasutegur ja suur osa energiast läheb kaotsi.
Siin on veel ökoloogiline mõõde, mida ma ei pea sugugi vähetähtsaks. Nimelt on süsihappegaas ainus tee, kuidas sünteetiliste polümeeride süsinik taas looduslikku aineringetesse integreerida. Süsihappegaasiga saavad taimed hakkama, aga mis tahes muud molekulid jääks muidu lihtsalt reostuseks.
See on õige. Või siis luua reaktor, kus on vajalikud katalüsaatorid, mille abil saaks süsihappegaasist otse metanooli või midagi muud säärast. Selle võimaluse kohta on viimasel ajal päris palju teaduslikke artikleid ilmunud. Ees seisab aga väga suur uurimistöö.
Kui aga vesinikust ja süsihappegaasist teha orgaanilisi molekule, siis saaks näiteks sünteesida mootorikütuse, mille kasutamiseks on kogu taristu olemas.
Praegu tahetakse Pärnusse metanoolitehast teha. Kui see muidugi üldse tuleb.
Seal tahetakse puidust metanooli teha. Puidus on aga juba orgaaniline aine olemas, nii tselluloos kui ka ligniin. Seega on süsinik juba seotus orgaanilisse ainesse. Tselluloos on väga oluline materjal, millel on juba kaua aega olnud lai kasutusala. Ligniiniga on olukord keerukam tänu selle molekuli vähesele lahustuvusele ja ebaregulaarsele struktuurile. Aga ka selle puidu komponendi saab eraldada ja kasutusele võtta.
Selleks vajalikud tehnoloogiad arenevad kiiresti. Meie õppetoolis tegeleb selle temaatikaga kaasprofessor Siim Salmar, kelle uurimislaborid asuvad samas koridoris (vestlus toimus Chemicumis – M. K.).
/nginx/o/2024/11/13/16481697t1hb582.jpg)
Ligniini kasutamine ei olnud lahendatud omal ajal Tartusse planeeritud tselluloositehases, sest seal kavandati kasutada tehnoloogiat, mille põhimõtted töötati välja enam kui 100 aastat tagasi. Selles tehnoloogias läheb ligniin jääkaineks ja põletatakse. Lisaks veel reostus, mida tekitavad tehnoloogias kasutatavad kemikaalid ning puidust vabanevad lämmastik ja fosfor. See projekt õnneks ei realiseerunud. Seda suures osas ka emotsioonidel põhineva protesti tõttu.
Omal ajal Tartusse planeeritud tselluloositehases kavandati kasutada tehnoloogiat, mille põhimõtted töötati välja enam kui 100 aastat tagasi.
/nginx/o/2024/11/13/16481704t1hb325.jpg)
Jah, mäletan, reostusteema lahenduseks pakuti «The solution to pollution is dilution» («reostuse lahenduseks on lahjendamine»): et saasteaineid võib keskkonda uhada küll, kui seda lahjendada piisava koguse puhta veega. Kehtivad saastenormid arvestavad saasteainete kontsentratsiooni reovees.
Muide, oodata võib täiesti uue tehnoloogia teket. See on «puubiotehnoloogia», mille kohta lugesin just teadusartiklit. Selle tehnoloogia kohaselt täiendatakse puu genoomi selliselt, et puu hakkab tootma mingit vajalikku ainet. Praegu saame korjata männilt ja kuuselt vaiku. Ja mõnda muud produkti.
Väga huvitav. Seega siis umbes nii, et transgeensed lehmad pannakse insuliini lüpsma.
Kui aga uuesti polümeeride ringlusesse suunamisest rääkida, siis pole meil palju aega uusi tehnoloogiaid oodata, sest jäätmekogused on suured ja kasvavad. Vaja on uusi efektiivseid tehnoloogilisi lahendusi. Eks peame mõistma, et ilma energiata ei saa seda probleemi lahendada. See on kallis ja sellest ei saada sageli aru.
Probleem on veel selles, et kui me hakkame polümeeri ahelat lõhkuma, siis võime saada ka vahepealse suurusega tükke, mis võivad olla vees lahustuvad ja seetõttu ka mürgised. Nende osalise lagunemise produktide struktuuri ennustamine on keerikas, sest plastijäätmed koosnevad ju paljudest erinevatest polümeeridest. Seda keskkonnamõju ei ole eriti sageli arutatud.
Selleks, et anda polümeermaterjalile vajalikud omadused, lisatakse neile mitmesuguseid aineid, nagu näiteks plastifikaatoreid, värvaineid ja täiteaineid. Need lisandid «lekivad» aja jooksul ja satuvad keskkonda.
Oluline on veel see, et enamus asju ei ole tänapäeval tehtud puhtast polümeerist. Selleks, et anda polümeermaterjalile vajalikud omadused, lisatakse neile mitmesuguseid aineid, nagu näiteks plastifikaatoreid, värvaineid ja täiteaineid. Need lisandid «lekivad» aja jooksul polümeerist ja satuvad keskkonda. Plastifikaatorite kättesaamine plastist ei ole võimalik.
No jaa, looduslikel polümeeridel on puha söödikud olemas.
Mitte ainult seda. Looduses on mägi, kust vesi alla voolab, palju väiksem. Ja vahel viiakse metabolismiga vesi mäkke üles tagasi ka ja siis see lagunemine toimub iseenesest, selliselt on see termodünaamiliselt võimalik. Päikeselt võtavad energiat taimed ka ise.
Mul on tunne, et plastide ringlusesse võtmisega venitatakse kallist ja pöördumatus suunas kulgevat ahelat ainult pikemaks, sest ümbertöödeldud plastist tehakse sageli sellised robustseid asju nagu puuviljakastid või terrassilauad. Protsessi lõpptulemuseks on siis ikkagi põletamine. Või tekib neist looduses hajuv mikroplast. Seepärast ma mõtlen, et põletamine oleks kõigist variantidest kõige mõistlikum, saaks jäätmetest lahti ja energia kätte.
Pudelitega on veel näiteks see häda, et need pole tehtud ju puhtast polümeerist. Selleks et anda polümeerile vajalikud omadused, pannakse sinna igasuguseid aineid juurde, täiteaineid, plastifikaatoreid. Ja ka need vaikselt lekivad.
Lugesin hiljuti ühte hollandlaste tehtud uuringut selle kohta, kuidas plastpudelitest, eriti pesemisega ained lekivad. Meil on ka kraanid igal pool ja soovitatakse täita oma joogipudeleid, aga need joogipudelid peaks olema metallist, klaasist või keraamilised. Plastpudelitest jood neid aineid endale sisse. Pealegi plasti puhul ei tea kunagi, millised molekulitükid sealt parasjagu vette tulevad.
Joogipudelid peaks olema metallist, klaasist või keraamilised. Plastpudelitest jood neid aineid endale sisse. Pealegi plasti puhul ei tea kunagi, millised molekulitükid sealt parasjagu vette tulevad.
/nginx/o/2024/11/13/16481699t1h2f06.jpg)
Ja need plastifikaatorid, näiteks ftalaadid, matkivad oma struktuuri poolest kehas leiduvaid hormoone, mõjutavad endokriinsüsteemi. Kirjutasin sellest mõne aja eest väikese loo («Tuumasiga ja kväärideoloogia ehk mehed surevad esimesena ja aeglaselt», PM 21.09.2022). Ometi on mul on tunne, et plastide ringlusesse võtmisega venitatakse kallist ja pöördumatus suunas kulgevat ahelat ainult pikemaks, sest ümbertöödeldud plastist tehakse sageli sellised robustseid asju nagu puuviljakastid või terrassilauad. Protsessi lõpptulemuseks on siis ikkagi põletamine. Või tekib neist looduses hajuv mikroplast. Seepärast ma mõtlen, et põletamine oleks kõigist variantidest kõige mõistlikum, saaks jäätmetest lahti ja energia kätte. Ehk saaks vähendada ka selle arvel metsa pelletiteks pressimist.
Siis aga eraldub süsihappegaas, mille hulka tahetakse vähendada. Pealegi on plasti põletamiseks vaja spetsiaalseid seadmeid, et vältida polümeeride ebatäielikku põlemist, mille tulemusena eralduvad saasteained ja mikroosakesed. See on looduse saastamine seisukohast eriti ohtlik. Tavalises ahjus ei ole põletamise täielikkus tagatud ja lõppkokkuvõtteks on hästi teada selle kahjulik mõju ahjule ja korstnale.
Võimalik on konstrueerida mõni mikroorganism, mis neid polümeere toiduks tarvitaks, kuid ega sealtki siis ju muud tuleks kui ikka süsihappegaas. Ja teiselt poolt oleks see päris hirmus, sest vaata (Jaak Järv koputab tooli plastist käetugedele ja osutab esemetele kabinetis – M. K.), kõik asjad meie ümber on ju puha plastidest. Nii riskiksime sellega, et süüakse ära kogu meid ümbritsev plastidest koosnev maailm ja oleksime vupsti kiviajas tagasi. See on aga juba ulme valdkonda jääv mõttefragment.
/nginx/o/2024/11/13/16481700t1h9ef7.jpg)
Tunnustatud teadusemees
/nginx/o/2024/11/13/16481714t1hf28f.jpg)
Jaak Järv (snd 1948) on Tartu Ülikooli keemia instituudi orgaanilise keemia õppetooli juhataja ning orgaanilise keemia professor.
Tema teadustöö peamised uurimisvaldkonnad on olnud bioaktiivsete ühendite konstrueerimine ja süntees, biomimeetikumid, retseptorligandide süntees, struktuur-aktiivsus sõltuvused ja bioaktiivsuse kvantitatiivne iseloomustamine, ligandide toimemehhanismid G-valkudega seotud retseptoritega, ensüümkatalüüsi kineetika ja mehhanismid ning molekulaarne äratundmine ensüümkatalüüsil ja retseptorite sidumisel.
Ta on juhendanud 30 doktoritööd ja kümneid magistritöid ning avaldanud üle 250 teadusartikli. Andmebaas ScholarGPS paigutas ta 2022. aastal 0,5 protsendi mõjukaima teadlase hulka oma erialal (bioorgaaniline keemia).
Ta on Euroopa Neurokeemia Seltsi (1988), Ameerika Keemiaseltsi (1997), Kuningliku Biokeemia Seltsi (2000), Academia Europaea (2020) ja Eesti Biokeemia Seltsi liige (president 2004–2011) ning alates 2016. aastast Eesti Keemiaseltsi asepresident.