Современная экологическая обстановка в отдельных странах и регионах оставляет желать лучшего. Миссия нашего сайте — обеспечить русскоязычных жителей планеты Земля актуальной информацией о защите окружающей среды, экологической безопасности и экологии в целом.

Полезные ресурсы и публикации:
-

О.А. Федяева
Промышленная экология
Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. - 145 c.

Предыдущая

Глава 5. Экологическая характеристика производств

5.2. Обработка и утилизация отходов пластмасс

Рост добычи природного газа и нефти, а также большой спрос на них в сферах промышленности и бытовых услуг привели к резкому повышению производства изделий из пластмасс и, соответственно, к увеличению отходов.

Пластмассы - это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формоваться в изделия сложной конфигурации и затем устойчиво сохранять приданную форму.

В зависимости от технологического процесса производства, применяемого наполнителя и связующего (смолы) различают пластмассы композиционные, слоистые и литые, а по природе применяемой смолы - термореактивные и термопластичные. Последнее имеет большое значение для утилизации пластмассовых отходов.

Пластмассы ещё относительно мало используются как вторичное сырье. Это объясняется, прежде всего, многообразием типов пластмасс и выпускаемых из них изделий, а также сложностью состава, что затрудняет сортировку и переработку пластмассовых отходов, особенно бытовых. Между тем выпуск всевозможных изделий из пластмасс постоянно увеличивается. Пластмассы в первую очередь используются в промышленности для изготовления различного рода полуфабрикатов, изделий и деталей. В ряде случаев ими заменяют дорогостоящие и более тяжелые металлы. Из пластмасс изготовляют различные пленочные материалы для упаковки, а также поддоны, трубы, клеевые составы и т.д. В то же время пластмассовая упаковка вызывает значительное загрязнение окружающей среды, поскольку сразу после использования идёт в отходы. Другие пластмассовые изделия переходят в отходы по мере износа.

Основные направления утилизации и ликвидации пластмассовых отходов следующие: захоронение на полигонах и свалках; переработка пластмассовых отходов по заводской технологии; совместное сжигание отходов пластмасс с городским мусором; пиролиз и раздельное сжигание в специальных печах; использование отходов пластмасс как готового материала для других технологических процессов.

Захоронение отходов пластмасс на полигонах и свалках, которое пока наиболее широко распространено у нас в стране, может рассматриваться лишь как временная мера их утилизации, так как пластмассы подвергаются разложению чрезвычайно медленно. При этом методе из сферы возможного полезного использования изымаются тысячи тонн ценного вторичного сырья.

Переработка пластмассовых отходов по заводской технологии - наиболее оптимальный метод их использования. При всем разнообразии способов переработки общая схема процесса и применяемого при этом оборудования может быть представлена следующим образом (рис. 4).

Рис. 4. Схема переработки отходов пластмасс

Первая стадия обычно включает сортировку отходов по внешнему виду, отделение непластмассовых компонентов, таких как ветошь, остатки бумажной или деревянной тары, металлических предметов и т.д. Вторая стадия - одна из наиболее ответственных в процессе. В результате одно- или двустадийного измельчения материал приобретает размеры, достаточные для того, чтобы можно было осуществлять его дальнейшую переработку.

На третьем этапе дробленый материал подвергают отмывке от загрязнений органического и неорганического характера различными растворами, моющими средствами и водой, а также отделяют его от неметаллических примесей.

Четвертая стадия зависит от выбранного способа разделения отходов по видам пластмасс. В случае, если предпочтение отдается мокрому способу, сначала производят разделение отходов, а затем их сушку. При использовании сухих способов вначале дробленые отходы сушат, а затем классифицируют.

Пятая и шестая стадии состоят в том, что высушенные дробленые отходы смешивают при необходимости со стабилизаторами, красителями, наполнителями и другими ингредиентами и гранулируют. Часто на этой же стадии отходы смешивают с товарным продуктом. Седьмой, заключительной стадией процесса является переработка гранулянта в изделия. Эта стадия практически мало чем отличается от процессов переработки товарного продукта с точки зрения применяемого оборудования, но часто требует специфического подхода к выбору режимов переработки.

Полная реализация описанной схемы на практике является дорогостоящим и трудоемким процессом, поэтому внедрение её довольно ограничено. Тем не менее известны установки, работающие по данной схеме в г. Фунабаси (Япония) мощностью 1000 т/год и в Англии - мощностью 2000 т/год.

Если удается добиться достаточно высокой степени очистки и выделения индивидуальных отходов из смесей, а также если отходы предварительно рассортированы по видам пластмасс, их переработка во многом сходна с переработкой первичных пластмасс. Одним из существенных моментов при этом является способность полимеров сохранять или изменять свойства в процессе многократной переработки, поскольку от этого во многом зависит целесообразность самой переработки отходов. Изучение влияния кратности переработки большинства полимеров на их физико-механические свойства показало, что изменение последних связано, как правило, со снижением молекулярной массы пластмасс, разветвленностью их структуры и рядом других показателей. Снижение молекулярной массы пластмасс при многократной переработке приводит к определенным изменениям их прочностных показателей, хотя в качественном отношении они невелики.

Обычно содержание отходов в смеси с товарным продуктом не должно превышать 20 %, так как в противном случае резко ухудшается глянец изделий, получаемых при переработке гранулянта, появляется шероховатость на их поверхности. Гранулянт наиболее распространенного полимера - полиэтилена, как правило, перерабатывают в пленку, которая используется в сельском хозяйстве для неответственных целей, или идет на изготовление мешков для мусора.

Для переработки отходов методом литья под давлением, как правило, применяют машины, работающие по типу экструзии с постоянно вращающимся шнеком. Его конструкция такова, что обеспечивает самопроизвольный захват и гомогенизацию отходов.

Особенностью повторной переработки поливинилхлорида (ПВХ) является необходимость его дополнительной стабилизации. Отходы мягкого ПВХ используют главным образом для получения бытовых пленочных изделий (пленок, скатертей, накидок, фартуков и пр.). Для этого 20 % отходов измельчают на смесительных вальцах, смешивают с товарным ПВХ, стабилизаторами, красителями и смазками, после чего пропускают через систему подогревательных и отделочных вальцов.

Стабильность качества материалов из отходов позволяет систематически использовать их для получения определённых пластмассовых изделий. Так, из отходов полиэтилена высокого давления (ПЭВД) изготовляют мешки для мусора, трубы для защиты кабеля, хозяйственные ведра, прокладки и угольники, уплотнительные профили, пленки, применяемые в сельском хозяйстве и строительстве. Отходы литьевого полиэтилена низкого давления (ПЭНД) перерабатывают в элементы строительных опалубочных конструкций, прокладки, ведра, каркасы светильников, а полипропиленовые отходы - в текстильные шпули, детали сантехники, дверные ручки, ручки чемоданов, ящики для растений.

Другая тенденция утилизации сводится к разработке способов и соответствующего технологического оборудования для переработки смеси отходов без предварительного разделения. Это делает процесс утилизации более дешевым, однако физико-механические свойства изделий, полученных таким образом, гораздо ниже.

Все более широкое распространение для использования отходов пластмасс получает многокомпонентное литье, при котором изделие имеет наружный и внутренний слои из различных материалов. Наружный слой - это, как правило, товарные пластмассы высокого качества, стабилизированные, окрашенные, имеющие хороший внешний вид.

К внутреннему слою не предъявляют высоких требований ни по физико-механическим показателям, ни по внешнему виду. Материал может быть не стабилизировал и не окрашен. В состав этого слоя часто включают такие дешевые наполнители как тальк, сульфат бария, стеклянные и керамические шарики, вспенивающий агент.

Совместное сжигание отходов пластмасс с бытовым мусором. Одним из наиболее простых способов ликвидации пластмассовых отходов является их сжигание с бытовым мусором. Разработаны и продолжают совершенствоваться различные конструкции печей сжигания: подовых, ротационных, форсуночных, с кипящим слоем и др. Предварительное тонкое измельчение и распыление отходов обеспечивают при достаточно высокой температуре практически полное их превращение в СО2 и Н2О. Однако сжигание некоторых видов полимеров сопровождается образованием токсичных газов: хлорида водорода, оксидов азота, аммиака, цианистых соединений и др., что вызывает необходимость мероприятий по защите атмосферного воздуха. Кроме того, несмотря на значительную тепловую энергию сжигания пластмасс, экономическая эффективность этого процесса является наименьшей по сравнению с другими процессами утилизации пластмассовых отходов. Тем не менее, сравнительная простота организации сжигания определяет довольно широкое распространение этого процесса на практике.

Пиролиз. В последнее время при утилизации и обработке отходов пластмасс все большее применение находят термические методы. Они особенно распространены в тех случаях, когда отходы не находят практического использования и не могут быть утилизированы путем переработки в изделия или различные композиции. Помимо описанного выше способа сжигания пластмасс совместно с городским мусором, в промышленно развитых странах Западной Европы, Японии и США всё большее распространение получает пиролиз. С этой целью разрабатываются разные системы непосредственного нагревания пластмасс: например, в США исследуются вращающиеся печи, вертикальные реакторы шахтного типа, системы с псевдоожиженным слоем, подвижные топочные решётки и др.

Раздельное сжигание пластмассовых отходов. Пластмассовые отходы можно сжигать в промышленных печах различных конструкций: барабанных, многоподовых, с кипящим слоем и др.

С целью улучшения условий горения пластмассовых отходов и снижения теплоты сгорания иногда их предварительно обрабатывают. В США и Канаде перед сжиганием проводят брикетирование отходов пластмасс с текстильными и бумажными отходами. Эти брикеты с теплотой сгорания 14,3-1,7,8 МДж/кг сжигают на городских ТЭЦ вместе с углем (соотношение «уголь: брикеты» - 7:1), не внося никаких изменений в конструкции топок и технологический режим горения.

Термическое обезвреживание пластмасс методом сжигания целесообразно использовать только в тех случаях, когда не могут быть применены более рациональные методы регенерации - путем повторной переработки или в композициях и пиролизе.

Использование отходов пластмасс как готового материала для других технологических процессов. Отходы синтетических материалов легкой и др. отраслей промышленности, не находящие применения, могут использоваться как ценные исходные материалы для других технологических процессов, например для очистки промышленных сточных вод.

На многих предприятиях страны образуются отходы в виде синтетических волокон, пряжи, обрезков и т.п. Известно, что для тонкой очистки сточных вод от нефтепродуктов наиболее пригодны синтетические материалы и активированные угли. Однако последние дороги и дефицитны. При контакте синтетических волокон с нефтепродуктами происходит не только молекулярная адсорбция нефтепродуктов, но и ярко выраженная адгезия за счет электрических нескомпенсированных положительных зарядов, которые имеет синтетическое волокно. Частицы нефтепродуктов, обладающие в сточных водах отрицательным зарядом, хорошо притягиваются к полипропилену.

Специалистами Харьковского филиала Московского института ВНИИВОДГЕО были исследованы свойства, фильтрующая и сорбционная способности пенополиуретана и его от ходов для очистки нефтесодержащих сточных вод. Отходы пенополиуретана образуются во многих отраслях промышленности. Их широко используют для очистки нефтесодержащих сточных вод.

Кроме утилизации и обезвреживания пластмассовых отходов, следует отметить их использование в строительстве. В большинстве асфальтовых дорожных покрытий основными связующими являются битумы различной природы. Обладая рядом достоинств в качестве связующего каменной основы и имея невысокую стоимость, битумы, в состав которых входят полярные соединения, отличаются недостаточной водостойкостью. Их прочностные показатели также сравнительно невысоки. Все это в значительной степени ухудшает свойства асфальтовых покрытий на основе битумов и сокращает сроки их эксплуатации. Использование отходов полиолефинов в композиции с битумом является одним из традиционных направлений, позволяющих модифицировать свойства покрытий.

В строительстве отходы пластмасс применяют в композициях с традиционными строительными материалами с целью модификации их свойств, для получения звукоизоляционных плит и панелей, а также герметиков, используемых при возведении зданий и гидротехнических сооружений и т.д.

Создание полимеров с регулируемым сроком службы. В странах с развитой промышленностью отходы полимерных материалов, чрезвычайно медленно разлагающиеся в естественных условиях, являются серьёзным источником загрязнения окружающей среды. Особую опасность представляет пластмассовая тара разового пользования, пленка и упаковочные материалы, которые, как правило, не попадают в общую систему сбора, составляя так называемый пластмассовый мусор.

Для сокращения времени утилизации отходов пластмасс в последнее время разрабатываются и выпускаются специальные типы полимеров с регулируемым сроком службы. Как правило, это фото- и (или) биоразрушаемые полимеры, которые под действием света, тепла, воздуха и микроорганизмов, содержащихся в почве, разлагаются до низкомолекулярных продуктов и ассимилируются в почве, включаясь таким образом в замкнутый биологический цикл. Отличительной особенностью этих полимеров является способность сохранять потребительские свойства в течение всего необходимого периода эксплуатации и лишь после истечения этого периода претерпевать физико-химические и биологические превращения, приводящие к деструкции и разрушению.

Фоторазрушаемые полимеры. Большая часть разработанных в настоящее время полимеров с регулируемым сроком службы представляет собой фоторазрушаемые полимеры, которые благодаря присутствию в них специальных групп или соединений способны разлагаться в естественных условиях до низкомолекулярных полимеров (молекулярная масса 1000 и меньше), поглощаемых в дальнейшем микроорганизмами атмосферы и почвы. Как правило, для придания полимерам способности разрушаться под действием света используют специальные добавки или вводят в состав полимера молекулярные светочувствительные группы. Для того чтобы такие полимеры нашли практическое применение, они должны удовлетворять определенным требованиям:

в результате модификации полимера не должны существенно изменяться его эксплуатационные характеристики;

добавки, вводимые в полимер, не должны быть токсичными, поскольку полимеры предназначаются в первую очередь для изготовления тары и упаковки;

полимеры должны перерабатываться обычными методами, не подвергаясь при этом разложению;

необходимо, чтобы изделия, полученные из таких полимеров, могли храниться и эксплуатироваться длительное время при отсутствии прямых ультрафиолетовых лучей;

время от изготовления полимера до его разрушения должно быть известно; необходимо его варьирование в широких пределах;

продукты разложения полимеров не должны быть токсичными.

С точки зрения фотохимии возможность создания фоторазрушающихся полимеров обусловливается тем, что энергия диссоциации основной связи С - С большинства полимеров составляет 350 кДж/моль, в то время как энергия естественных ультрафиолетовых лучей находится в пределах 400-600 кДж/моль. Однако эта энергия будет направлена на разрушение полимера лишь в том случае, если, во-первых, полимер способен поглощать свет с длиной волны 400-100 нм и если, во-вторых, поглощенная энергия передается другим молекулам таким образом, чтобы они претерпели химические превращения, в результате которых происходит деструкция.

Упаковочные полимеры с регулируемыми сроками службы стабильны внутри помещения, так как оконное стекло абсорбирует ультрафиолетовое излучение, способное вызывать деструкцию. Стойкость материала к действию солнечного света за стеклом толщиной 7 мм в 10 раз выше, чем на открытом воздухе.

Одним из наиболее известных способов создания фоторазрушаемых полимеров является введение в полимерную цепь группировок, содержащих карбонильные группы.

Разработанные в Канаде фоторазрушаемые полимеры с торговым названием «Эколиты» предусматривают введение светочувствительных кетонных группировок в полимер в процессе сополимеризации. Это обеспечивает абсорбцию полимером ультрафиолетовых лучей с длиной волны около 335 нм и последующую деструкцию по реакции Норриша.

Описание: материалов%20чрезвычайно%20медленно

Скорость фотодеструкции, как правило, пропорциональна концентрации кетонных групп в полимере. Таким образом, изменяя состав сополимера, можно направленно регулировать время разрушения полимеров (до достижения хрупкости) от 3 до 200 сут. Этот факт был использован голландской фирмой «Ван Леер» при разработке товарных марок эколитов на основе полистирола («Эколит ПС»), полиэтилена («Эколит ПЭ») и полипропилена («Эколит ПП»). Определенным удобством эколитов является возможность использования их в качестве концентратов, которые смешивают в различных соотношениях с немодифицированным полимером, регулируя таким образом скорость фоторазрушения полученных материалов.

При практически одинаковых исходных физико-механических показателях фоторазрушаемых и немодифицированных полимеров скорость изменения прочностных свойств эколитов в процессе фотостарения значительно выше, что определяется резким снижением молекулярной массы этих материалов. Под действием ультрафиолетового облучения в искусственных или естественных условиях фоторазрушаемые материалы сначала растрескиваются, затем рассыпаются на кусочки различных размеров, в дальнейшем превращаясь в порошок.

Биоразрушаемые полимеры. Большинство полимерных материалов, выпускаемых в настоящее время промышленностью, отличается исключительно высокой стойкостью к воздействию микроорганизмов. Это является одной из основных причин, обусловивших широкое применение таких материалов в народном хозяйстве. Однако, если рассматривать отработанные полимеры как источник загрязнения окружающей среды, то это их достоинство - биостойкость - превращается в серьезный недостаток. Полимерные отходы в естественных условиях разлагаются чрезвычайно медленно и практически не подвержены действию микроорганизмов воздуха и почвы.

Один из путей создания биоразлагаемых полимеров уже описан выше: фоторазрушаемые композиции после выдержки в атмосферных условиях настолько сильно деструктируют, что легко усваиваются микроорганизмами, содержащимися в почве. По этой причине фоторазрушаемые полимеры часто называют биоразрушаемыми.

Другой способ создания полимеров, разлагающихся под влиянием микроорганизмов, заключается в добавке в полимерную матрицу веществ, которые сами легко разрушаются и усваиваются микроорганизмами.

Биоразрушаемые материалы могут быть получены модификацией природных полимеров, которые по прочностным показателям часто приближаются к пластмассам. Так, в Японии практическое применение нашли привитые сополимеры крахмала и метилакрилата, пленки которых используются в сельском хозяйстве для мульчирования почвы. Пленки из сополимера определенное время обладают высокими физико-механическими показателями, однако в естественных условиях быстро подвергаются деструкции.

Существует и другой способ сделать полимеры биоразлагаемыми - с помощью специальных штамов микроорганизмов, способных разрушать полимеры. Так, японскими учеными выведены из почвы бактерии, которые вырабатывают фермент, расщепляющий поливиниловый спирт. После разложения фрагменты полимера полностью усваиваются бактериями. Используя это, японская фирма «Кураре» применила этот фермент в качестве добавок к активному илу на водоочистных сооружениях для более полной очистки сточных вод от поливинилового спирта.

Предыдущая