Plasty tvoří neoddělitelnou součást našeho každodenního života, zároveň ale představují jednu z největších environmentálních výzev současnosti. Přestože je třídíme, velká část plastového odpadu končí ve spalovnách nebo na skládkách.
Na tento problém reaguje výzkum Fakulty chemické VUT v Brně a projekt Systém značení polymerů pro digitalizovaný systém třídění odpadů. Ten má za cíl zefektivnit třídění plastů, zvýšit kvalitu recyklátu a umožnit plastům další život. Projekt je součástí Národního centra kompetence polymerních materiálů a technologií pro 21. století a propojuje akademickou sféru s průmyslovými partnery, včetně spolků a klastrů.
Proč je recyklace plastů složitější, než se zdá
Na rozdíl od skla nebo kovů se plasty nedají recyklovat donekonečna. Každým dalším zpracováním se jejich vlastnosti zhoršují - zkracují se polymerní řetězce, materiál křehne, mění se jeho pevnost i chemická stabilita. Po několika cyklech už plast nelze použít ke stejnému účelu a musí se využít jinak, nebo zcela vyřadit. „Recyklační cyklus plastů je mnohem složitější, než si většina lidí uvědomuje. Je důležité vědět, kolikrát už byl plast recyklován a k čemu ho ještě můžeme použít," říká docent Petr Dzik z Laboratoře fotochemie, která se tomuto tématu dlouhodobě věnuje.
„V Evropě dnes 42 % polymerních odpadů končí v energetickém využití, 35 % na skládkách a jen 23 % se recykluje. Prostor pro zlepšení je tedy značný," doplňuje doktorandka Denisa Filipi, která se problematice věnuje ve své dizertační práci pod vedením profesora Michala Veselého.
Dalším problémem je, že plasty, které končí ve žlutém kontejneru, jsou často směsí různých polymerů. Aby byla recyklace efektivní, musí být vstupní materiál co nejčistší - oddělený například na polyethylen, polypropylen nebo polyester. „Jednou z hlavních výzev současné recyklace plastů není to, že bychom nechtěli třídit, ale že materiály často neumíme dostatečně přesně rozlišit. Pokud se do recyklátu dostanou různé polymery, jeho kvalita výrazně klesá," vysvětluje profesor Veselý.
Řešení, na kterém výzkumníci z FCH VUT spolu s partnery pracují, je překvapivě elegantní: označit polymery neviditelnými značkami, které lze snadno a rychle rozpoznat stroji. Tyto značky nejsou lidským okem viditelné, takže nemění vzhled výrobků. Jsou čitelné pomocí světla v blízké infračervené oblasti a umožňují automatické třídění kamerami a strojovým viděním. „Cílem našeho výzkumu je, aby plast sám nesl informaci o tom, čím je. Neviditelná značka umožní strojům rychle rozpoznat typ polymeru a správně ho zařadit," shrnuje docent Dzik.
Značení polymerů jako klíč k lepšímu třídění
Dnes se plastový odpad často třídí kombinací ručního a automatického přístupu. Operátoři na linkách nejprve ručně odstraňují kontaminanty a větší kusy, které by mohly zkomplikovat automatické třídění, a následně se materiál zpracovává strojově. Moderní třídicí linky využívají blízkou infračervenou spektroskopii (NIR) a další optické senzory, které dokážou rozpoznat různé druhy plastů. Tato metoda však má své limity - některé polymery mají velmi podobná spektra, tmavé a černé plasty jsou pro NIR prakticky neviditelné a směsné materiály či textilie se třídí jen obtížně.
Zatímco současné linky využívají NIR ke snaze rozpoznat typ polymeru podle jeho přirozených vlastností, navrhované řešení pracuje se stejnými optickými technologiemi jiným způsobem - ke čtení jednoznačné informace uložené přímo v materiálu pomocí fluorescenčních značek. Tím rozšiřuje možnosti třídění, umožňuje přesnější separaci materiálů, zvyšuje čistotu recyklátu, a tak i jeho hodnotu. „Pokud se podaří propojit značení polymerů s moderními třídicími technologiemi, může to zásadně změnit způsob, jakým s plasty nakládáme," shodují se výzkumníci FCH VUT.
V Brně už dnes existují třídicí linky, které by bylo možné na tento systém technicky připravit. „Snažíme se navrhnout systém, který lze relativně jednoduše integrovat do stávajících zařízení pouze jejich rozšířením - například o další kamery nebo filtry," popisuje docent Dzik. Existují i jiné systémy značení, ale často využívají anorganické materiály, které vyžadují velmi energeticky náročné nebo dokonce nebezpečné záření (např. rentgenové nebo UV). „To s sebou nese rizika pro obsluhu i vyšší náklady. Naše řešení je z hlediska bezpečnosti i udržitelnosti výrazně výhodnější," doplňuje doktorandka Filipi.
Zvláštní pozornost věnuje projekt textilnímu odpadu, zejména polyesteru. Polyester tvoří přibližně 70 % všech syntetických vláken a často se kombinuje s bavlnou. Značení polymerních vláken by mohlo usnadnit třídění směsných textilií, prokázat podíl recyklovaného materiálu ve výrobcích i pomoci řešit dopady tzv. fast fashion. „Značení polymerních vláken by mohlo pomoci nejen s jejich separací, ale i s prokazováním původu - tedy zda byl materiál vyroben z recyklátu," popisuje profesor Veselý.
Plastový a textilní odpad nejsou dva oddělené světy, ale jeden materiálový tok. Příkladem může být nákupní taška, která je velmi často vyrobena z PET lahví. Začíná jako plastová láhev, projde mechanickou recyklací, stane se textilním vláknem a skončí jako taška.
Proč na tom záleží všem
Cílem projektu je jeho reálné uplatnění v praxi - od obalů přes textilie až po další polymerní výrobky. Proto je realizován ve spolupráci s partnery z akademického i průmyslového prostředí, včetně spolků a klastrových organizací. Hlavním řešitelem je Centrum organické chemie. Mezi akademické partnery patří kromě FCH VUT také Vysoká škola chemicko-technologická v Praze a Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně. Průmysloví partneři zahrnují společnosti Inotex, ZODPA, Simple Engineering a Fortemix produkce. Zapojeny jsou také spolky NANOPROGRESS, Svaz chemického průmyslu ČR a Plastikářský klastr.
FCH VUT se soustředí na aplikaci fluorescenčních značek do polymerů, jejich testování a vyhodnocování, zatímco průmysloví partneři dodávají špičkové molekuly a potvrzují, že technologie je připravena pro praktické využití. „Velkou motivací je, aby výsledky výzkumu nekončily v šuplíku. Nechceme jen publikovat články, ale hledáme reálné aplikace a cestu do praxe. Vidět, že se laboratorní výzkum může přetavit v něco, co má skutečný dopad, je pro nás zásadní," shrnuje profesor Veselý. Projekt má také silný vzdělávací rozměr - do výzkumu jsou zapojeni doktorandi, kteří získávají zkušenosti s aplikovaným výzkumem a navazují přímé kontakty s firmami, které mohou využít na trhu práce.
Cesta k cirkulární ekonomice
Přesnější třídění má významné environmentální dopady - méně odpadu na skládkách, efektivnější využití surovin, nižší uhlíkovou stopu a v konečném důsledku i úsporu peněz. Recyklovaný plast je dnes paradoxně často dražší než nový. Pokud se ale podaří zvýšit jeho kvalitu a výtěžnost, může se to změnit. V kontextu evropských regulací a důrazu na udržitelnost se podobná řešení stávají klíčovým nástrojem pro cirkulární ekonomiku. „Technologicky jsme uplatnění v praxi poměrně blízko. Největší výzvou není samotný vývoj značek, ale jejich integrace do třídicích systémů a ekonomická návratnost," dodává profesor Veselý. Další vývoj tedy bude záviset nejen na technologiích, ale i na ekonomických a legislativních podmínkách.
Chemický výzkum hraje zásadní roli. „Chemie je často vnímána jako součást problému, ale ve skutečnosti je klíčovou součástí řešení. Bez znalosti polymerů a jejich chování bychom žádnou smysluplnou recyklaci neměli," uzavírají výzkumníci FCH VUT. Navrhované inovace nemusí znamenat revoluci, ale chytré vylepšení toho, co již existuje. Budoucnost recyklace tak možná nezačne v kontejnerech, ale na molekulární úrovni - ve struktuře samotného materiálu.