วัสดุพอลิเมอร์ขั้นสูง? โจทย์ใหม่นักวิจัย ทดแทนพลาสติก เพื่อความยั่งยืน-สิ่งแวดล้อม

ปัญหาสิ่งแวดล้อมสำคัญที่น่ากังวลอย่างยิ่งในปัจจุบัน คือปัญหาขยะจากวัสดุพอลิเมอร์ (Polymer) หรือผลิตภัณฑ์พลาสติก ที่มีการใช้งานในปริมาณมากและกว้างขวางในชีวิตประจำวัน และยังมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดการสะสมตกค้าง อยู่ในสภาพแวดล้อมเป็นเวลานาน ส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศ ยิ่งปัจจุบันมีเทคโนโลยีหรือนวัตกรรมใหม่ๆ ที่สามารถผลิตพลาสติกให้มีคุณสมบัติตามความต้องการได้อย่างหลากหลาย รวมถึงการขาดความตระหนักและการไม่ให้ความสำคัญในการคัดแยกขยะ ทำให้ปริมาณขยะพลาสติกมีเพิ่มมากขึ้น

ข้อมูลจาก Plastic Pollution in the World's Oceans: More than 5 Trillion Plastic Pieces Weighing over 250,000 Tons Afloat at Sea ตีพิมพ์ในวารสาร Plos One โดย Eriksen ในปี 2014 พบว่ามีการใช้ประโยชน์วัสดุพอลิเมอร์สูงถึง 270 ล้านตันต่อปี และถูกทิ้งเป็นขยะที่สลายตัวได้ยากปริมาณมากกว่า 275 ล้านตันในแต่ละปี ซึ่งถูกจัดการด้วยการนำกลับมาใช้ใหม่ การรีไซเคิล เป็นต้น ในจำนวนนี้ขยะพอลิเมอร์ที่ไม่ได้ผ่านการจัดการอย่างถูกต้อง โดยประมาณ 131 ล้านตันเกิดการสะสมในพื้นที่ใกล้ชายฝั่งทะเล และถูกทิ้งลงสู่ทะเลจากทั่วโลกสูงถึง 8 ล้านตันต่อปี จึงทำให้เกิดปัญหาต่อระบบนิเวศทางทะเลอย่างรุนแรง

โดยเฉพาะเมื่อขยะเหล่านี้แตกตัวเป็นเม็ดเล็กๆ ที่เรียกว่า ไมโครพลาสติก (microplastics) จะเกิดการดูดซับสารพิษเข้าไว้ที่พื้นผิว เมื่อถูกกินโดยสัตว์ทะเลก็ส่งผลต่อสุขภาพของสัตว์ในห่วงโซ่อาหาร และสร้างผลร้ายต่อมนุษย์ผู้บริโภคในที่สุด

แนวทางในการแก้ปัญหาขยะจากวัสดุพอลิเมอร์ในปัจจุบัน คือการรีไซเคิล (recycle) และการนำกลับมาใช้เป็นเชื้อเพลิง โดยประเทศในเขตยุโรป สามารถจัดการขยะโดยใช้ 2 แนวทางนี้ได้เกือบ 100% อย่างไรก็ตาม กระบวนการรีไซเคิลสามารถทำได้จำกัดจำนวนครั้ง เนื่องจากสมบัติของผลิตภัณฑ์จะด้อยลงตามจำนวนรอบในการรีไซเคิล นอกจากนี้ในกระบวนการรีไซเคิลจะมีการเพิ่มสารเติมแต่งบางชนิดลงไป เช่น สารเสริมสภาพพลาสติก สารคงสภาพพลาสติก ซึ่งสารประกอบในพลาสติกบางชนิดก่อให้เกิดอันตรายต่อสุขภาพและสิ่งแวดล้อม จึงไม่เหมาะกับการใช้ประโยชน์ในผลิตภัณฑ์มูลค่าสูง

ส่วนแนวทางในการนำไปเผาเพื่อเปลี่ยนเป็นพลังงานยังปล่อยมลพิษจากส่วนประกอบของพลาสติกกลับเข้าสู่สิ่งแวดล้อม ทำให้เกิดสารพิษในชั้นบรรยากาศ อาจนำไปสู่การปนเปื้อนของแหล่งน้ำ แหล่งดิน รวมไปถึงอาหารได้ และมูลค่าที่ได้ก็ด้อยลง แต่เนื่องจากพอลิเมอร์ มีสมบัติทางกายภาพ และสมบัติเชิงกลดี สามารถปรับแต่งได้หลากหลาย ขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ได้ง่าย จึงประยุกต์ใช้ประโยชน์ได้กว้างขวาง และทนทานต่อสภาวะแวดล้อม เช่น ความชื้นและจุลชีพได้ดี แต่สมบัตินี้ก็ส่งผลเสียทำให้เกิดการสะสมของ ขยะพลาสติก หลังการใช้งานที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก เนื่องจากต้องใช้ระยะเวลานานกว่า 400-500 ปี ในการแตกสลาย หรือบางชนิดไม่สลายตัวเลย

นอกจากนี้วัตถุดิบในการสังเคราะห์พอลิเมอร์ทั่วไป ได้มาจากแหล่งฟอสซิล (fossil resources) ที่เกิดขึ้นจากการทับถมของซากพืช ซากสัตว์ ภายใต้สภาวะความดันและอุณหภูมิสูง เป็นเวลานานกว่าหลายพันปี เกิดการสลายตัวเป็นสารประกอบไฮโดรคาร์บอน (hydrocarbon) ที่มีขนาดโมเลกุล และโครงสร้างเคมีแตกต่างกัน สามารถจำแนกได้เป็น แก๊สธรรมชาติ น้ำมันดิบ ไปจนถึงถ่านหิน ซึ่งแตกต่างกันตามอัตราส่วนปริมาณ C/H (C/H contents) ในโครงสร้าง

ในการนำสารประกอบไฮโดรคาร์บอนมาใช้ประโยชน์ ใช้กระบวนการกลั่นแยก นำส่วนที่เป็นสารประกอบอิ่มตัว (ประกอบด้วยพันธะ C-C เท่านั้น) มาใช้เป็นเชื้อเพลิง (Petroleum) เช่น แก๊สธรรมชาติ น้ำมัน หรือดีเซล เป็นต้น สำหรับสารประกอบที่มีหมู่พันธะไม่อิ่มตัว เช่น มีหมู่ C=C ในโครงสร้าง สามารถนำมาใช้เป็นสารตั้งต้นมอนอเมอร์ในการสังเคราะห์วัสดุพอลิเมอร์ได้ เช่น ethylene หรือ vinyl chloride ใช้สังเคราะห์ polyethylene (PE) และ polyvinyl chloride (PVC) เป็นต้น และสารประกอบจากแหล่งฟอสซิลที่มีปริมาณ C/H ในโครงสร้างสูงมากๆ จะเกิดเป็นกราไฟต์ (Graphite) และเพชร (Diamond) ในที่สุด ซึ่งสามารถนำมาใช้ประโยชน์เป็นวัสดุคาร์บอน (Carbon Materials)

แต่เนื่องจาก สารประกอบจากแหล่งฟอสซิลมีปริมาณเหลืออยู่น้อยมากในปัจจุบัน และมีผลการศึกษาพบว่า อีกไม่เกิน 100 ปี อาจจะถูกใช้หมดไป จึงมีความพยายามแสวงหาแหล่งวัตถุดิบทางเลือกอื่น โดยเฉพาะจากฐานชีวภาพ (Bio-based Resources) เช่น ซากพืช วัสดุเหลือทิ้งจากภาคการเกษตร เป็นต้น โดยเทคโนโลยีปัจจุบันสามารถนำมาใช้สังเคราะห์เป็นเชื้อเพลิง (Bio-fuels) เช่น แอลกอฮอล์ หรือ biodiesel หรือผลิตเป็นสารตั้งต้นมอนอเมอร์สำหรับผลิต พอลิเมอร์ฐานชีวภาพ (Bio-based polymers) โดยใช้กระบวนการหมักบ่ม (Fermentation) หรือการย่อยสลายด้วยเอ็นไซม์ (Enzyme) หรือตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalyst) เป็นต้น และผลิตเป็นวัสดุคาร์บอนได้เช่นเดียวกัน

เพื่อโลกที่น่าอยู่และยั่งยืน ประเทศไทยเราต้องช่วยกันเร่งพัฒนาพอลิเมอร์ขั้นสูง เพื่อนำมาทดแทนพลาสติกที่เราใช้กันทุกวันนี้โดยเร็ว

*บทความโดย ดร.อดิสร เตือนตรานนท์ ศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ สวทช., เมธีวิจัยอาวุโส สกว. และสมาคมวิจัยวัสดุประเทศไทย