Локс Ф. Упаковка и экология

Подождите немного. Документ загружается.

Итого с учетом ре

генерации -

21,436 67,399

7. Мировые источники сырья и потребление материалов в производстве упаковки: истощение мировых

источников сырья определяется, в основном, численностью населения и уровнем жизни. Население мира

насчитывает примерно 4 миллиарда человек и ежегодный прирост составляет около 2%. В 1966 году

мировое производство пищевых продуктов было приблизительно на 33% выше, чем в 1951 году; в течение

того же периода потребление химических удобрений и пестицидов возросло на 146% и 300%,

соответственно [27, 104]. Около 30% населения живет в городах (в США — 70%). Нет сомнений в том, что

рост населения и продолжающаяся тенденция к переселению в города повлекут за собой дальнейший рост

использования упаковочных материалов. Недостаток сырья для производства упаковки, по-видимому,

маловероятен (см. другие главы); конечно, совершенно иное положение с энергоносителями, такими как

уголь (700·10

тонн), сырая нефть (107·10

тонн) и природный газ (90·10

тонн), которые могут иссякнуть

в течение следующих 50 лет, если сохранится теперешнее потребление. Более того, в любом

индустриальном обществе энергопотребление возрастает быстрее, чем население.

5. Экологические параметры

Потенциальный ущерб, наносимый упаковочными материалами окружающей среде, проявляется в

широкой области разнообразных промышленных производств, что обусловлено необходимостью добычи

сырья, его транспортировки, переработки, выработки энергии и обработки отходов. Влияние упаковки на

окружающую среду в общем случае трудно определить и отличить от влияния аналогичных продуктов,

произведенных в исходных процессах. Например, нет большого различия между производством оконного

стекла и стеклянной тары. Кроме того, можно обнаружить много параллелей в загрязнении природной

среды различными отраслями промышленности, следовательно, представляется необходимым дать

достаточно полное описание основных типов негативных воздействий, нарушающих естественный ход

жизни в природе. Всякий раз, когда мы будем изучать какой-либо из основных упаковочных материалов,

будет даваться ссылка на его потенциальный вред для окружающей среды.

Основные факторы, которые мы здесь пытаемся представить в логическом порядке, редко

встречаются в отдельности: например, экологический ущерб залпового сброса стоков с высоким БПК в реку

очень сильно зависит от температуры, — с одной стороны, токсичность продуктов и жизненный ритм

микроорганизмов, принимающих участие в реакциях разложения, увеличивается с ростом температуры; с

другой стороны, высокое значение БПК влечет существенное обеднение воды кислородом. Оно

увеличивается с повышением температуры. Недостаток кислорода в воде вызовет гибель высших

организмов, таких как рыбы, что в свою очередь приведет к дальнейшему росту уровня БПК. В системе с

пониженным содержанием кислорода начинается анаэробная ферментация, генерирующая, например,

зловонный и токсичный газ-сероводород (H

S).

Предвидеть потенциальные негативные последствия такого залпового сброса гораздо труднее, чем

может показаться на первый взгляд. Некоторые из них могут быть вовсе не замеченными или же сочтены

незначительными, особенно если возможна «миграция» или если организмы, поступающие из загрязненного

источника, способны рассеиваться в сообщества. Растения, подверженные воздействию токсичных

продуктов в воздухе или почве, не могут мигрировать для своей защиты. Однако при том следует учитывать

разбавление ядовитых веществ: в воздухе - с помощью ветра, а в почве — в результате дождя.

Представляется необходимым, чтобы любой запрос на отведение участка под строительство какого-

либо промышленного предприятия включал экологическую проработку и заключения по выбросам отходов.

Органы власти Бельгии издали в 1982 году распоряжения, касающиеся порядка лицензирования обработки

отходов. Продажа продуктов, опасных для человека и окружающей среды, регламентируется Королевским

Указом от 24 мая 1982 года.

а) Токсичность продукта

Определения понятий

Представляющая для нас интерес экологическая токсичность характеризуется вредными влияниями

продуктов, присутствующих в воздухе, воде, почве и пище, а также другими факторами, такими как

радиация и температура. Основным параметром, который следует принимать в расчет, является доза (сравни

с высказыванием Парацельса (1493—1541): «Каждый продукт — яд, нет продукта, лишенного какого-либо

ядовитого свойства: токсичность зависит только от дозы»).

Вредные эффекты продуктов определяются следующим образом:

1. Срединная летальная доза (LD 50): статистически определенное количество продукта, которое

при его скармливании экспериментальным животным вызывает смерть 50% популяции (выборки).

2. Срединная эффективная доза (ED 50): количество, вызывающее специфический эффект у 50%

испытуемых животных.

3. Допустимое суточное потребление (ДСП): количество, ежесуточное потребление которого не

вызывает какого-либо эффекта. Фактически, потенциальным риском в данном случае пренебрегают.

Эти количества выражаются в мг/кг живого веса. Токсичность ядовитых газов и продуктов,

присутствующих в воздухе, обычно характеризуется концентрацией (мг/м

, ррт), допускаемой на

определенный период времени (8 час/сутки; 5 дней в неделю).

Классификация продуктов по их токсичности

Продукты классифицируют по их токсичности в зависимости от способа употребления (ингаляция,

пероральный прием, подкожная инъекция) и на основе принятой системы. Некоторые спецификации даны в

табл. 2.2.

Факторы, влияющие на токсичность

На токсичность продуктов оказывают влияние как агрегатное состояние загрязнителя (т.е., твердое,

парообразное или жидкое), так — в случае твердых и жидких веществ — и размер частиц или капелек.

1. Размер частиц продуктов. Чем меньше размер частиц, тем больше удельная площадь

поверхности и, следовательно, сильнее отравляющее действие.

а) Твердые вещества: как правило, твердые материалы, как таковые, не токсичны; их токсичность

зависит от растворимости твердых материалов или каких-либо производных, образующихся на их

поверхности.

Сравнение количеств продукта, отвечающих LD 50, установленных в разных странах

Таблица 2.2

Страна/класс в-ва Кожный контакт,

мг/кг

Пероральное

потребление,

мг/сут-кг

Ингаляция, мг/

л воздуха

ЕЭС/очень ток-

сичное

США/ «

ООН/класс

ЕЭС/токсичное

США/ «

ООН/класс 2

ЕЭС/опасное

ООН/класс 3

200

400

2000

2200

2000

1000

200

5000

2000

2000 (жидк.)

500 (тверд.)

0,5

2(200)

0,5

200 (твердое)

200

В табл. 2.3 приведены данные по токсичности некоторых неорганических компонентов, которые

могут присутствовать в промстоках (производство упаковки) или быть извлечены (путем выщелачивания)

из отвалов отходов. Можно видеть, что ионы натрия, содержащиеся в поваренной соли, не токсичны. Ясно

также, что, даже если токсичность продукта очень мала, его использование, применение или сброс должны

быть регламентированы, чтобы избежать какого-либо вредного воздействия. Стандарты качества для рек и

поверхностных вод суммированы в табл. 2.4. Эти цифры обычно используются для расчета критических

объемов, количества чистой воды для разбавления промстоков, необходимого для удовлетворения

стандартов качества.

Токсичность некоторых ионов, присутствующих в воде [36]

Таблица 2.3

Ион LD 50, мг/кг ED 50, мг/кг Класс токсичности

1 480 000 1 020 000 А

Са

300 000 220 000

190000 125000

97 000 68 000

42000 1500

5900 5200

" 2850 1400 В

2000 600

А1

1400 680

РЬ

300 100 С

158 102

№

130 95

Сu

44 35 D

+<)

13 6,7

5 0,7

*' В водных растворах соединения ртути (I) существуют в виде кластерных комплексов Hg

А: нетоксичный; В: слегка токсичный; С: довольно токсичный; D: очень токсичный.

Стандарты качества поверхностных вод [199]

Таблица 2.4

Параметр Допустимый предел, мг/л

Нерастворимые вещества

рН (кислотность)

Рb

Сl

S-

Растворенные органические соединения

БПК

Масла и жиры (возможно омыление)

Углеводороды

Хлорсодержащие растворители и

органические вещества (липофильные)

Фенолы

4,15-9,3

0,5

0,1

0,2

0,5

0,01

1000

0,1

0,05

b) Пары: пары (газы) могут присутствовать в воздухе в виде свободных молекул. Некоторые из них,

такие как винилхлорид (мономер ПВХ) двуокись серы (образующаяся при сжигании серосодержащего

топлива на транспорте и в энергетике) и окись углерода (продукт неполного сгорания моторного топлива),

очень токсичны. Другие пары, например, пар стирола, могут быть опасными. Соответственно их допустимое

содержание в воздухе весьма мало. В табл. 2.5 приведены предельно допустимые концентрации (ПДК)

загрязняющих веществ в воздухе.

Используя химические методы, опасные пары можно извлечь из воздуха; однако при этом

возникают новые источники загрязнений, например, в виде водных растворов. Из-за разнообразного состава

горючих компонентов бытовых отходов их сжигание при сбоях в работе оборудования может приводить к

образованию опасных газообразных продуктов: присутствие хлорсодержащих соединений (например, NaCl,

ПВХ и т.д.) может вызвать образование Сl

и НС1 — веществ, способных реагировать в газовой фазе с

другими компонентами с образованием опасных продуктов (например, диоксинов); кроме сажи и копоти

(черные облака дыма), при неполном сгорании большинства пластмасс также образуются токсичные

продукты разложения. Это объясняет высокую вероятность несчастных случаев при пожарах в помещениях,

где имеется мебель из пластиков или они использованы для отделки стен и полов. Таким образом, сжигание

бытовых и промышленных отходов должно выполняться очень тщательно, если мы хотим избежать

загрязнения воздуха. В табл. 2.6 приведены ПДК для ряда веществ в воздухе, выделяемых с вентвыбросами

промышленных предприятий; эти цифры обычно используют для расчета необходимой степени разбавления

загрязненных вентвыбросов чистым воздухом. Эти критические объемы необходимы для расчета

экобалансов различных типов упаковки.

c) Жидкости: обычно токсичными считают органические жидкие вещества. За малыми

исключениями (некоторые спирты) они весьма плохо растворимы в воде. С воздухом они легко образуют

аэрозоли. Последние представляют собой дисперсию жидких частиц в газе (например, CS

производстве

целлофана, Н

О в градирнях).

Они также способны образовывать эмульсии в воде — достаточно стабильные в присутствии

поверхностноактивных веществ. Размер частиц дисперсионной фазы может сильно влиять на токсичность

продукта. С жидкими органическими загрязнителями сталкиваются, в основном, при получении и обработке

полимерных материалов для упаковки.

ПДК для ряда веществ в воздухе [источник информации — ЕРА (USA)] в зависимости от

времени контакта

Таблица 2.5

Компоненты ПДК

Твердые частицы (пыли, дыма)

Двуокись серы

Окись углерода

Углеводороды

Окислы азота

Винилхлорид

Стирол

75 мкг/м

— среднесуточное

260 мкг/м

— макс, концентрация для 24

час*

60 мкг/м

— среднесуточное**

150 мкг/м

— для 24 час**

80 мкг/м

(0,02. ..0,03 ррт)

365 мкг/м

(0,14 ррm) — для 24 час*

1 300 мкг/м

(0,50 ррm) — для 3 час*

60 мкг/м

— среднесуточное**

1 50 мкг/м

— для 24 час**

10 мг/м

(9 ррт) — для < 8 час*

40 мг/м

(36 ррm) — для < 1 час*

160 мкг/м

(0,24 ррm) — для < 3 час*

100 мкг/м

(0,05 ррm) — среднесуточное

1,2 ррm (при условии, что общее посту-

пление в организм не превышает 500

мг/кг-год)

100 ррm

* Это значение может быть превышено один раз в год.

** В соответствии с Королевским Указом от 16.03.83.

ррm— частей на миллион (при НТД — 1 см

пара (газа) в 1 м

воздуха)

d) Дым: очень мелкие твердые частицы, взвешенные в воздухе, — микродисперсная система,

устойчивая в течение продолжительного периода времени (например, частицы окислов, попадающие в

воздух при очистке железа, частицы сажи, образующиеся при неполном сгорании отходов пластмасс). Для

очистки воздуха от таких частиц обычно необходимо применять физико-химические процессы, так как

осаждение частиц под действием силы тяжести затруднено.

e) Пыль: твердые частицы (камня, древесины, химических веществ), присутствующие в воздухе в

виде тонкого порошка. Пыль образуется при добыче и обработке полезных ископаемых, переработке

древесины в производстве бумаги и т.д. Частицы пыли обычно легко отделяются под действием гравитации

или под влиянием электростатических сил.

ПДК загрязняющих веществ в воздухе [199]

Таблица 2.6

Компонент ПДК, мг/м

Твердые частицы 0,07

СО 8

N 0,5

Окислы азота 0,03

НС1 0,1

0,03

С1

0,02

Фторосодержащие вещества 0,1

HF 0,05

Меркаптаны 0,01

S 0,015

Углеводороды 15

Альдегиды (в расчете на формальдегид) 0,03

Органические азотсодержащие вещества 0,01

Рb 0,001

Hg 0,0007

Cd 0,00001

2. Температура и физические условия существования людей: Температура оказывает влияние

на растворимость и химическую активность веществ. Эта зависимость является не линейной, а

экспоненциальной: ехр (1/Т), где Т— абсолютная температура. (Здесь допущена существенная ошибка: эта

зависимость на самом деле имеет вид ехр(-в/Т), где, например, в случае элементарных реакций в = E/R

(Е — энергия активации, R — универсальная газовая постоянная).

Поскольку жизнь обычно возможна в интервале от -20°С до +40°С, в пределах этих значений

влияние температуры на токсичность продуктов можно считать слабым. При повышении температуры

отравляющее действие усиливается за счет роста растворимости вещества или ослабления

сопротивляемости организма. Большое значение имеют и предшествующие контакты с токсичными

веществами, а также заболевания, в результате которых понижается опасная концентрация продукта.

3. Возможные взаимодействия между компонентами: Конкретная среда (воздух, почва или вода)

может стать непригодной для жизни, если некоторые продукты с низкой токсичностью за счет вторичных

реакций образуют более токсичные продукты. Наоборот, вторичные реакции могут давать и благоприятный

эффект, например, при образовании нерастворимых веществ. Правда, в последнем случае вредный

компонент заражает дно (ил). Это подчеркивает необходимость всестороннего экологического анализа при

выдаче лицензий на промстоки.

b) Температура

Температура — важный экологический параметр. Многие химические и физические явления

связаны с температурой; жизнеспособность и распространенность растений и животных также зависит от

температуры. Водные биотопы

заслуживают специального внимания, поскольку с развитием

гидроэнергетики существенно увеличился выброс в реки горячей воды с пониженным содержанием

кислорода.

c) БПК-коэффициент

БПК (биологическое потребление кислорода) — количество кислорода, необходимое для

биодеструкции (окисления) органических продуктов в стандартных условиях (5 суток при 20°С). БПК

стоков, выраженное в мг/л, также выражает количество биологически разлагаемых органических

соединений, присутствующих в водных биотопах. Многие продукты являются пищей для быстро растущих

микроорганизмов (бактерий, плесени и др.). Поскольку воспроизводство популяций микроорганизмов

протекает интенсивно (три поколения в час), существенное значение имеет потребление кислорода в данной

среде. Расход кислорода на процессы биоочистки водной среды наносит ущерб развитию высших аэробных

организмов.

На первый взгляд, жизнь в водной среде представляет собой парадоксальную ситуацию: избыток

пищи вызывает сокращение жизненных ожиданий. На самом деле, изменения в популяциях

микроорганизмов спустя некоторое время имеют тенденцию к восстановлению исходного равновесия. Если

после сброса отработанной воды восстановительные механизмы нарушены или могут быть восстановлены

при сильных разбавлениях, мы имеем дело с загрязнением водной среды, которого, конечно, следует

избегать.

Сходные механизмы возможны в почве и воздухе: хотя атмосферный кислород обычно нельзя

рассматривать как «недостающий» элемент, заметное исчезновение некоторых высших животных из-за

ущерба, причинненного низшим (например, птиц, питающихся отравленными мидиями), -- прямое

следствие токсичности продуктов и их накопления в пищевой цепи.

d) Кислотность (рН)

Содержание кислот или оснований является _важным экологическим параметром для жизни в воде

и почве. Газообразные продукты, содержащиеся в воздухе, такие как хлористый водород (НСl) и диоксид

серы (SO2), которые образуют растворы кислот в воде, выделяются из воздуха за счет своей растворимости

или способности взаимодействовать с водой и в конце концов оказываются в реках или почве.

Так же как температурные пределы ограничивают возможности жизни, существуют пределы для

кислотности. В единицах рН они составляют от 4,5 до 9,5. Вода считается нейтральной при рН = 6,5. ..7,0.

За этими рамками жизнь для большинства организмов становится рискованной, поскольку возможно

изменение структуры жизненно важных белков и энзимов.

Следовательно, для защиты окружающей среды очень важен контроль рН отработанной воды: в

различных стадиях производства упаковочных материалов часто используются кислоты (серная, азотная и

др.) и щелочи (гидроксиды натрия, кальция, аммония). В Бельгии, в соответствии с Королевским Указом,

рН промстоков такого типа должно не выходить за пределы 4,5... 9,5.

e) Осмотическое давление

Этот параметр также важен для организмов, находящихся в прямом контакте с водной биосферой,

таких как микробы, рыбы, белые и красные кровяные тельца, растения и т.д.

Вещества, растворенные в воде, вызывают так называемое «осмотическое» давление, которое

может быть рассчитано на основании закона Вант-Гоффа:

где л — осмотическое давление; С — молярная концентрация.

( В случае растворов-электролитов в правую

часть уравнения необходимо ввести изотонический коэффициент, учитывающий увеличение числа

растворенных частиц за счет диссоциации. Закон Вант-Гоффа по форме совпадает с уравнением состояния

идеального газа: равенство С = п/V влечет nV = nRT.)

Осмос — явление направленной диффузии через полупроницаемую мембрану молекул

растворителя (в случае биологических процессов — воды), определяемой концентрацией и природой

растворенного вещества. Значение осмоса велико, потому что стенки клеток бактерий, растений и животных

являются тонкими мембранами, через которые молекулы воды могут проходить легче, чем частицы

(молекулы, ионы) растворенных веществ. Если растворы обладают одинаковым осмотическим давлением по

обе стороны мембраны, осмотический эффект не проявляется. Такие «изотонические» растворы

обеспечивают равные потоки растворителя в обоих направлениях. Клетки в растворе с пониженным

осмотическим давлением (гипотонический раствор) набухают и разрываются. Наоборот, в гипертоническом

растворе клетки сокращаются. Очевидно, что потребность во влаге и связанная с ней жизнеспособность

растений и животных зависят от осмотического давления водной среды, с которой они контактируют.

Слишком часто ограничения на растворенные примеси выражены в г/л, в то время как в действительности

должна учитываться молярная концентрация. Осмотическое давление 0,97% раствора поваренной соли (7 7

бар, изотоничен с плазмой крови) почти эквивалентно осмотическому давлению 10% раствора сахара.

Отсюда следует, что, кроме непосредственной токсичности растворенных продуктов, биосферу может

сделать непригодной для жизни различие в осмотическом давлении.

f) Влияние ионизирующих излучений

С 1950-х гг. угроза подвергнуться ионизирующим облучениям возросла, благодаря развитию

ядерной энергетики. Существуют различные виды излучений, отличающиеся своим воздействием на

материалы. Например, нагревающий эффект солнечной инфракрасной радиации обусловлен изменением

колебательной энергии молекул в материале. Чем выше энергия излучения, тем больше может быть эффект.

Ионизирующие излучения вызывают отрыв электронов от атомов и изменения в природе и строении

молекул.

Фотосинтез использует излучение на минимальном энергетическом уровне, все еще способном

вызвать ионизацию. Все другие излучения имеют большую энергию и могут быть подразделены на

«корпускулярные» и «электромагнитные». Первые состоят из ядер гелия (α-частиц), ядер водорода

(протонов), β-частиц (электронов) и нейтронов, которые с большой скоростью испускаются элементами,

обладающими естественной «радиоактивностью».

Видимый свет, х-лучи (рентгеновское излучение) и γ-лучи — типичные примеры

электромагнитного излучения. Для того, чтобы выразить количество энергии, поглощенной материалом или

организмами, используется единица «рад» (Rad — сокращение от Radiation Absorbed Dose), эквивалентная

0,01 Дж/кг. Согласно Международной системе единиц, рад в настоящее время заменен единицей Gray (Gy):

1 Gy = 100 рад = 1 Дж/кг.

Влияние ионизирующих излучений на живые организмы проявляется в двух направлениях:

1. Эти излучения могут атаковать или разрушить клетки или жизненные функции организма и,

таким образом, прямо сократить пределы вероятности жизни. Для целей стерилизации пищевые продукты

(например, картофель) и упаковочные материалы (например, пластиковые мешки для крови) подвергают

ионизирующему облучению с целью уничтожения микроорганизмов. Оно также может остановить

прорастание хлебных злаков, семян картофеля. Очевидно, в зависимости от дозы сложные органические

молекулы, компоненты пищевых продуктов, также могут измениться под действием облучения.

Разрешенные законом дозы не должны вызывать сколько-нибудь заметного изменения пищевой ценности

продуктов; однако некоторые компоненты, например жиры, легко разрушаются, что приводит к изменению

вкуса вследствие облучения [166].

Процессы стерилизации с использованием ионизирующего излучения при обработке упакованных

продуктов могут вызвать структурные изменения в некоторых упаковочных материалах, например,

пластмассах. Такие изменения были найдены, в частности, в случае пленок из полиэтилена и

поливинилхлорида [75, 113]. Производные, образующиеся при ионизирующем облучении, рассматриваются

как «непреднамеренные добавки». Подобно «преднамеренным добавкам» они могут попасть в пищевой

продукт путем миграции; их токсичность пока точно не известна и не определена.

2. Ионизирующие излучения могут вызвать отклонения от нормы из-за мутаций в генетическом

коде. Природа этих изменений обычно такова, что они нарушают определенные характеристики, свойства и

внешний вид. В этом отношении радиоактивные элементы представляют собой постоянную угрозу; их

невозможно «химически» отделить от аналогичных нерадиоактивных изотопов; например, радиоактивный

фосфор поглощается живым веществом и включается в клеточную структуру совершенно так же, как и

нерадиоактивный фосфор, так что организм — или, по крайней мере, часть его — может оказаться

подверженной постоянному облучению. Должна быть обеспечена защита при работе с радиоактивными

элементами в ходе добычи, обогащения, энергопроизводства (на атомных электростанциях), регенерации

ядерных отходов и обработки отходов, чтобы избежать прямого облучения и попадания радиоактивных

элементов в окружающую среду.

g) Влияние шума

Наконец, обратимся к «загрязнению» окружающей среды шумом и, более конкретно, к специфике

упаковочных материалов, влияющей на шум в упаковочном производстве. Шум обусловлен вызванными

колебаниями давления воздуха. Интенсивность и частота таких колебаний являются параметрами,

определяющими дискомфорт, связанный с шумом. Влияние шума на человека двояко: во-первых, при

длительном воздействии шума может увеличиться порог слышимости; шум высокой энергии может

повредить барабанную перепонку и вызвать глухоту. Во-вторых, шум вызывает быструю утомляемость и

может приводить к стрессам, физиологически проявляющимся в повышении кровяного давления и

нарушении пищеварения. Шум обычно снижает производительность труда из-за уменьшения

внимательности. Работники могут быть защищены законом: согласно Акту по безопасности труда для

здоровья (США, 1970 г.) [104, 106], устанавливаются временные нормы нахождения в условиях шума. Более

того, если имеются ежедневные воздействия шума, сумма отношений периодов воздействия к максимально

допустимым не должна превышать 1:

где t

— действительное время воздействия шума; t

— максимально допустимое время

воздействия шума.

Причинами промышленного шума являются, в основном, удары и трение между предметами,

турбулентное размешивание жидкостей и быстрое расширение газов (например, в двигателях внутреннего

сгорания и реактивных двигателях). Хорошо также известно, что пустая стеклянная и металлическая тара

дребезжит при движении на лентах конвейеров. Яркими примерами могут служить упаковочные секции на

молокоперерабатывающих и пивоваренных заводах. Напротив, пластмассовая тара гораздо мягче и

обеспечивает значительное снижение шума. Это относится также и к упаковке из картона.

Глава III. УПАКОВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1. Введение

Цель этой главы — осветить природу и разнообразие основных rpyпп упаковочных материалов.

Задача заключается в том, чтобы кратко описать, как эти материалы производятся из соответствующего

сырья, и ocобо выделить возможности их кругооборота (рецикла). Где это имеет значение, мы рассмотрим

гигиенические факторы в промышленном производстве упаковки. При этом мы не предполагаем покрыть

все поле возможных упаковочных форм и их размеров для каждого материала. Одна ко мы уделим особое

внимание основным принципам; обзор применяемых процессов выявит потребление энергии и материалов,

равно как и проблемы охраны окружающей среды.

Керамику, плетеные корзины, текстиль и кожу для мешков мы не будем рассматривать: во-первых,

потому что потребление материалов в этих секторах менее важно и, во-вторых, потому что их производство

является скорее ремеслом (искусством), чем индустрией и потому проблемы, относящиеся к защите

окружающей среды и обработке отходов, здесь менее существенны. Принятый нами метод рассмотрения

материалов, в основном, базируется на возможностях их кругооборота. Тот же подход принят и при

изучении энергетических аспектов в следующей главе.

2. Стекло

а) Предыстория вопроса

По общему мнению, использование стекла произошло от развития гончарного дела: сначала стекло

использовалось для глазурования терракотовых бус и амулетов. Зеленые глазурованные бусы из эпохи 12

тыс. лет до новой эры и небесно-голубые амулеты, покрытые стеклом, датируемые 7000 годом до новой

эры, были обнаружены в Египте [146]. Тонкий песок, необходимый для их производства, был найден вблизи

Александрии; необходимые щелочные компоненты поступали из соляных озер в западной части дельты

Нила.

В 1550 году до н.э. производство стекла было уже сильно развито в Египте: бутыли и украшения

изготавливались в различных цветах. Однако еще не было простого стекла. Насколько нам известно, самым

старинным предметом из обыкновенного прозрачного стекла является ваза, найденная в развалинах

Ниневеи; на ней имеется несколько надписей об ассирийском царе Саргоне (8 век до н.э.). Этот бесценный

исторический экспонат хранится в Британском музее.

Использование выдувного устройства для придания формы стеклу, вероятно, было изобретено

финикийцами около 300 лет до н.э. Начиная с создания простого стекла до его промышленного

производства в 18 и 19 столетиях, «стекло» оставалось дорогим продуктом со специфическим применением

(например, цветные стекла в окнах соборов).

Превосходство в изготовлении стекла в Европе в XVIII-XIX вв. перешло от Венеции к Богемии.

Современная техника отражает старое искусство стекловарения: теперешние методы производства

отличаются от старых только степенью автоматизации; по-прежнему используются стеклодувные аппараты,

но сегодня они соединены с системами распределения сжатого воздуха и снабжены автоматическим

управлением. В результате ежедневные выпуски продукции достигают 100 000 изделий.

b) Определение понятия

«Стеклообразное» состояние не ограничивается тем, что мы обычно называем «стеклом»;

фактически, многие природные смолы (например, янтарь) и синтетические материалы (пластмассы)

обнаруживают сходное «стекловидное» состояние: материал находится в некристаллическом замороженном

жидком состоянии, с вязкостью настолько большой при комнатной температуре, что он ведет себя как

«твердое» вещество.

Химически стекло для окон и тары представляет собой гомогенный раствор, получаемый

плавлением силикатов различных металлов с одним или более стеклообразующими оксидами неметаллов.

c) Компоненты и сырье

Используются, в основном, силикаты следующих металлов: калия, кальция, бария, свинца и

алюминия. Обычно эти металлы вводятся не в виде силикатов, а в виде карбонатов, сульфатов или оксидов,

которые реагируют при высокой температуре (примерно 1460°С) с кварцевым песком (диоксидом кремния)

с образованием силикатов. Для прозрачного стекла используются карбонаты натрия и кальция. В отличие от

карбоната кальция (встречающегося в виде мела и мрамора), карбонат натрия приходится получать из

извести и хлорида натрия путем добавления аммиака: поэтому карбонат натрия — самый дорогой

компонент в производстве стекла.

В качестве оксидов неметаллов используются, в основном, диоксид кремния (песок) и сесквиоксид

бора. Кварц — чистый диоксид кремния. В табл. 3.1 приведено относительное содержание различных

компонентов в некоторых стеклянных продуктах. Песок используется всегда, а другие компоненты влияют

на физические и химические свойства стекла: силикаты кальция, натрия и калия снижают температуру

размягчения; присутствие окиси бария увеличивает показатель преломления и химическую инертность.

Добавление соединений свинца в расплав улучшает преломляющую способность и блеск (хрусталь);

соединения бора, даже в ничтожных концентрациях, существенно уменьшают коэффициент линейного

расширения стекла. Среди стеклообразных продуктов, кварц имеет самый низкий коэффициент линейного

расширения (5-10

-7

-1

вместо 33-10

-7

и 9010

-7

К"' в случае йенского и натриевого стекла, соответст венно).

Основные компоненты (в%) стеклянных продуктов [184]

Таблица 3.1

Компоненты Оксиды

неметаллов

Оксиды металлов Другие

SiO

СаО Na

O К

О А1

РbО

Стеклянные

продукты

Кварцевое

стекло

Стекло для

тары

100

__ __ __ __ __ __ __

Натриевое

стекло

(Богемское

стекло)

7 3 14

__ __ __

Желто-

зеленое

стекло

(бутылочное

стекло)

10 12 3 6

2Fe

2ВаО

Голубовато -

зеленое

стекло

(бутылочное

стекло)

65 — 10 12 3 6 — 2FeO

2ВаО

Зеленое

стекло

(бутылочное

стекло)

10 12 6

— 1Сг

ЗВаО

Коричневое

стекло

(пивные

бутылки)

10 12 3 6 —

1FeО

ЗС

Свинцовое

стекло:

хрусталь

65 __ 2 __ 15 __ 18

Плоское

стекло:

оконное

стекло

73 __ 10 13 __ 1 1 2MgO

Стекло для

лабораторно

й посуды

тюрингское

стекло

йенское

стекло

пирекс

4ВаО

Обычно, оксиды железа и хрома нежелательны, так как они окрашивают стекло в желто-

коричневый и зеленый цвет, соответственно. В приготовлении бесцветного стекла следует строго избегать

этих компонентов — как в исходном сырье, так и в стеклянных отходах. Другими компонентами,

изменяющими окраску стекол, являются диоксид марганца (пурпурный цвет), окись меди (бирюзовый) и

сесквиоксид хрома (голубой цвет). Добавка золота сообщает стеклу рубиново-красный цвет (кремлевские

звезды), а черное стекло получается при совместном введении оксидов марганца и кобальта.

d) Производство стеклянной тары

После измельчения исходных компонентов их точно взвешивают и тщательно перемешивают. В

плавильную печь (рис. 3.1) загружают исходное сырье и стеклянный бой. При высокой температуре

карбонаты превращаются в оксиды, которые реагируют с песком с образованием силикатов. Например, в

случае карбоната кальция протекают следующие Реакции:

Разложение карбонатов сопровождается выделением углекислого газа, которое способствует

хорошему перемешиванию расплава. С выделением СО

связана убыль массы по сравнению с исходным

сырьем: в случае карбоната кальция она составляет 44%, а в случае карбоната натрия — 42%. Газообразные

продукты сгорания (Н

О, СО

и др.) удаляются через трубу в атмосферу. Во второй (необогреваемой) части

печи масса стекла охлаждается, но, все еще мягкая, подвергается формованию в бутылки и прочее с

помощью стеклодувного процесса (см. рис. 3.1). При этом используются формы различной конфигурации.

При всем своем разнообразии стеклянная тара имеет всегда круглое отверстие, стандартный диаметр

которого зависит от природы упаковываемого продукта Торцовая часть горлышка выполняется в

соответствии с принятым способом запечатывания пробкой, наряду с которым используются и другие

методы, например, запечатывание молочных бутылок алюминиевой фольгой. Ущерб, причиняемый

окружающей среде, ограничен. Разбитое стекло повторно используется как «сырье». Кругооборот стекла

требует последовательности очистных операций. Стекло из домашних отходов моется, сортируется по

цвету, размельчается и, наконец, отделяется от кусочков металла.

е) Основные характеристики применения

Стеклянная тара, в основном, используется для напитков (включая алкогольные и газированные),

пищевых продуктов, фармацевтических препаратов и химических веществ.

В прозрачной таре содержимое остается видимым (эмоциональный элемент), но, с другой стороны,

любые светочувствительные компоненты (витамины и т.д.) быстрее разлагаются и теряются. УФ и видимый

свет могут проходить через кварцевое стекло, но более обычное прозрачное бутылочное стекло является

фильтром для УФ-лучей, а окрашенное стекло (коричневое или зеленое) задерживает большую часть

видимых лучей. Стекло химически инертно, не имеет запаха и непроницаемо для жидкостей и газов. За

исключением ампул, стеклянная тара может быть вновь закрыта после открывания, что является главным

требованием, предъявляемым к многоразовой упаковке. Стеклянную тару можно также стерилизовать всеми

доступными методами. Ее недостатками являются хрупкость, большой вес и довольно ограниченная

сопротивляемость локальным температурным изменениям. Благодаря низкой теплопроводности стекла,

нагревание вызывает термические напряжения, способные причинить разрушение (термошок). Отходы

стекла жесткие, плотные и несжимаемые, но полностью способны утилизироваться.

3. Металлическая упаковка

а) Историческое введение

Железо, олово и алюминий являются основными металлами, используемыми в упаковке. Некоторые

другие металлы используются в сплавах (например, олова с цинком и медью) или в качестве припоя (олово

и сви-

Рис. 3.1. Схема варки стекла и формования бутылок

нец). Металлическую упаковку обычно делают из листовых полос, из которых можно сформовать

прямоугольную или цилиндрическую тару.

Древние цивилизации использовали благородные металлы (золото и серебро), которые из-за своей

высокой цены применялись для упаковки очень дорогих товаров, таких как ювелирные украшения. Римляне

знали, как раскатать свинцовую полосу до тончайшей фольги. Нет ясного свидетельства, использовался ли

этот «токсичный» материал для упаковки, но, очевидно, опыт, полученный со свинцом, был использован

для других металлов, таких как олово. Оловянная фольга (в действительности сплав, содержащий некоторые

токсичные компоненты, такие как сурьма, свинец и медь) использовалась вплоть до 1930 года для упаковки

сыра [146]. Она имела бытовое название «серебряная» обертка.

Из-за ржавления железо не применялось в прямом контакте с пищевыми продуктами. Защитные

свойства оловянного покрытия на железе были открыты около 1200 года в Богемии: выкованная железная

пластина была опущена в расплавленное олово. Этот метод держался в секрете приблизительно 400 лет.

Промышленный выпуск банок из луженой жести начался около 1810 года, причем использовался ручной

труд с производительностью 20 банок на одного рабочего в день. Сегодня железо заменила сталь;

усовершенствование сплавов и технологии позволяет получать все более тонкие листы стали с более тонким

оловянным слоем. Автоматические установки способны выпускать от 400 до 1600 банок в минуту.

Разработка новых синтетических смол для защиты металлов привело к использованию обыкновенного

стального листа для многих упаковочных целей: таким образом, жесть или сталь без оловянного слоя, с за-

щитным лаковым покрытием или без него служат для упаковки алкогольных, нейтральных и кислых

напитков, пищевых продуктов, смазочных материалов, химических веществ и др.

Получение алюминия, широко используемого в наше время в качестве упаковочного материала,

было открыто Эрстедом в 1825 году. Его извлечение из боксита (алюминиевой руды) было чрезвычайно

дорогостоящим процессом, поэтому алюминий вначале рассматривался как почти благородный металл и его

использование было ограниченным: например, при дворе Наполеона III алюминиевые столовые ножи

резервировались для особенно значительных гостей. Эру и Холл в 1886 открыли электролитический метод

получения алюминия, а в 1888 году Байер изобрел самый «дешевый» метод (использующий окись