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Physik | Technik
Ricarda Klein, 2004 | Engelberg, OW
Plastik ist weit verbreitet und bietet viele Vorteile, aber die nicht ordnungsgemässe Entsorgung führt zu einer enormen Verschmutzung der Umwelt. In der vorliegenden Arbeit wurde der Abbau von drei verschiedenen, weit verbreiteten Plastikarten (Polypropylen PP, Polyethylenterephthalat PET, Polylactide PLA) bei Bestrahlung mit UV-Licht verschiedener Intensität untersucht, um so festzustellen, mit welcher Geschwindigkeit diese Materialien unter Sonnenbestrahlung zersetzt werden. Dazu wurden Proben dieser Plastikarten über mehr als drei Monate in unterschiedlichen Milieus (Luft, destilliertes Wasser, Salzwasser) bestrahlt und anschliessend bezüglich verschiedener Parameter (Gewicht, Optik, Haptik, gelöster Mikroplastik) analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass eine höhere Strahlungsintensität zu einer grösseren Menge Mikroplastik führt. Ausserdem haben das gewählte Milieu und die Kunststoffart einen entscheidenden Einfluss auf den Abbau.
Fragestellung
Im Rahmen dieser Arbeit wurden folgende Leitfragen gestellt: (I) Welche Rolle spielt die UV-Strahlung bei der Zersetzung verschiedener Kunststoffe in unterschiedlichen Umgebungen?, (II) Sind Zerfallsprozesse mit einfachen Mitteln nachweisbar? (III) Wie kann das erworbene Wissen im Kampf gegen die Umweltverschmutzung nützlich sein? (IV) Welche Plastikart sollte basierend auf den Resultaten dieser Arbeit favorisiert gebraucht werden ?
Methodik
Zur Beantwortung dieser Fragen kamen unterschiedliche Methoden zur Anwendung. So wurden die Proben in einer ersten Versuchsreihe nach der Bestrahlung mit einfachen Mitteln, welche Gymnasiasten zugänglich sind, auf Oberflächenveränderungen und Mikroplastikpartikel untersucht. Im Zuge von Schweizer Jugend forscht, eröffnete sich auch die Möglichkeit, am Adolphe Merkle Institut (AMI) einen zweiten, ähnlichen Versuchsdurchlauf durchzuführen. Hierbei wurde im Vergleich zu den selbstgebauten UV-Bestrahlungsboxen, welche bei der ersten Versuchsreihe eingesetzt wurden, professionelle UV-Bestrahlung eingesetzt. Ausserdem kamen zusätzliche, komplexere Analysemethoden (DSC, TGA, UV-Vis-Spektroskopie) zum Einsatz, um einen vertieften Einblick in die Materie zu entwickeln.
Ergebnisse
Aus den Resultaten geht klar hervor, dass eine höhere UV-Lichtintensität zu stärkeren Oberflächenveränderungen und zu einer grösseren Menge an Mikroplastik führt. Darüber hinaus verliefen die Degradationsprozesse im Medium Luft am schnellsten. Des Weiteren kann festgehalten werden, dass Polypropylen die grössten Degradationsspuren aufweist, gefolgt von Polyethylenterephthalat und schliesslich Polylactide. Die Erkenntnisse wurden durch vertiefte Analysen der Proben am Adolphe Merkle Institut bestätigt.
Diskussion
Meine Arbeit zeigt auf, dass der Abbau von Polymeren in der Tat mit einfachsten Mitteln untersucht werden kann. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass die Intensität des UV-Lichts für die Geschwindigkeit des Abbaus entscheidend ist. Ein wichtiger Faktor, welcher beachtet werden muss, ist, dass Plastik oftmals sogenannte Additive enthält. Diese Zusatzstoffe dienen beispielsweise als UV-Absorber und ermöglichen eine grössere Lichtbeständigkeit des Materials. Anhand der erweiterten Analysen am AMI konnten mittels thermogravimetrischer Analyse bei den PET Proben Rückstände erkannt werden, welche vermutlich auf ebensolche Additive zurückzuführen sind. Bei PP und PLA konnten keine derartigen Beobachtungen gemacht werden. Insgesamt stehen die Resultate dieser Arbeit im Einklang mit den Ergebnissen verschiedener anderer Arbeiten zu diesem Thema.
Schlussfolgerungen
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die UV-Strahlung eine wichtige Rolle bei der Kunststoffdegradation spielt. Spannend wäre es, weitere Plastikarten zu untersuchen, um einen vertieften Einblick zu erhalten und sich so schliesslich ein Bild darüber machen zu können, welche Plastikarten wie mit dem UV-Licht interagieren. Dieses Wissen könnte gerade im Hinblick auf die weltweite Plastikverschmutzung von grosser Relevanz sein, schliesslich kommt UV-Strahlung aufgrund der Sonneneinstrahlung überall vor. Aus diesem Grund sollte auf diesem vielversprechenden Gebiet weiter geforscht werden.
Würdigung durch den Experten
Dr. Stephen Schrettl
Die Langlebigkeit von Plastik stellt die Gesellschaft vor große Herausforderungen. Um zu ergründen, ob bestimmte Plastiksorten bevorzugt abgebaut werden, hat Ricarda Klein in der vorliegenden Arbeit die Wirkung des UV-Lichts auf drei weit verbreitete Polymere untersucht. In ihrer kreativen und detaillierten Studie wurden Proben bestrahlt und durch Einsatz von verschiedenen Methoden charakterisiert. Mit großer Eigeninitiative zeigte Ricarda Klein, dass einfache gravimetrische Messungen erlauben, den Abbau unterschiedlicher Plastiksorten zu untersuchen und Empfehlungen zu erarbeiten.
Prädikat:
hervorragend
Sonderpreis Gamil Stiftung – Sail & Explore
Kollegium St. Fidelis, Stans
Lehrer: Urs Zellweger