Утилизация полимерных отходов

Производство полимеров  представляет собой одну из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности. Мировое производство полимеров в 2010 г. составило 250 млн. т. и возрастает в среднем на 5-6 % ежегодно. Их удельное потребление  в развитых странах достигло 85-90 кг/чел. в год и продолжает увеличиваться. Такой интерес производителей полимеров, прежде всего, связан с возможностью получения разнообразных технически ценных материалов на их основе.

Благодаря уникальным физико-химическим, конструкционным и технологическим  свойствам полимерные материалы (ПМ) на основе различных пластмасс и  эластомеров находят широкое  применение в различных областях народного хозяйства и медицине.

Жизнедеятельность общества неизбежно связана с образованием отходов на всех стадиях производства и переработки полимерных материалов. Поэтому актуальность проблемы их утилизации, а так же вреда приносимого  здоровью людей и окружающей среде, по-прежнему остается острой.

Полимеры —  неорганические  и  органические,  аморфные  и  кристаллические  вещества,  состоящие  из  «мономерных  звеньев»,  соединённых  в  длинные  макромолекулы  химическими  или  координационными  связями .

Особенности полимеров:

а) Особые механические свойства:

• эластичность — способность к высоким обратимым деформациям при относительно небольшой нагрузке (каучуки);
• малая хрупкость стеклообразных и кристаллических полимеров (пластмассы, органическое стекло);
• способность макромолекул к ориентации под действием направленного механического поля (используется при изготовлении волокон и плёнок).

б) Особенности растворов  полимеров:

• высокая вязкость раствора при малой концентрации полимера;
• растворение полимера происходит через стадию набухания.

в)Особые химические свойства:

• способность резко изменять свои физико-механические свойства под действием малых количеств реагента (вулканизация каучука, дубление кож и т. п.).

Особые свойства полимеров  объясняются не только большой молекулярной массой, но и тем, что макромолекулы  имеют цепное строение и обладают гибкостью.

По  химическому составу все полимеры подразделяют на:

- органически;

- элементоорганические;

- неорганические.

Классификация полимерных отходов

По источникам образования  все полимерные отходы делят на три  группы:

- технологические отходы производства;

- отходы производственного потребления;

- отходы общественного потребления.

Технологические отходы полимерных материалов возникают при их синтезе  и переработке. Они делятся на неустранимые и устранимые технологические  отходы. К неустранимым относят кромки, обрезки, литники, обломки, грат и т. д. Таких отходов образуется от 5 до 35 %. Неустранимые отходы представляют собой высококачественное сырье, по свойствам не отличающееся от исходного первичного полимера. Переработка его в изделия не требует специального оборудования и производится на том же предприятии. Устранимые технологические отходы производства образуются при несоблюдении технологических режимов в процессах синтеза и переработки, т. е. это - технологический брак, который может быть сведен к минимуму или совсем устранен. Технологические отходы производства перерабатываются в различные изделия, используются в качестве добавки к исходному сырью и т. д.

Отходы производственного  потребления накапливаются в  результате выхода из строя изделий  из полимерных материалов, не используемых в различных отраслях промышленности (шины, тара и упаковка, отходы сельскохозяйственных пленок, мешки из под удобрений и т. д.). Эти отходы являются наиболее однородными, малозагрязненными и поэтому представляют наибольший интерес с точки зрения их повторной переработки.

Отходы общественного  потребления накапливаются у  нас дома, на предприятиях питания  и т. д., а затем попадают на городские  свалки. В конечном итоге они переходят  в новую категорию отходов - смешанные  отходы. Отходы эти составляют более 50 % от отходов общественного потребления. Количество таких отходов непрерывно растет и составляет в России около 80 кг на душу населения. Наибольшие трудности  связаны с переработкой и использованием смешанных отходов. Причина этого  заключается в несовместимости  термопластов, входящих в состав бытового мусора, что требует постадийного выделения материалов.

Объемы промышленных и  бытовых отходов в виде вышедших из употребления изделий из полимеров  значительны и постепенно увеличиваются, с учетом прогрессивных материалов упаковки предметов технического и бытового назначения: пищевых продуктов, освежительных напитков, лекарственных средств; выхода из эксплуатации полиэтиленовой пленки, парниковых хозяйств, кормопроизводства; мешков из-под минеральных удобрений, бытовой химии, капроновых сетей, предметов домашнего обихода, соцкультбыта, детских игрушек, спортинвентаря, ковровых напольных покрытий, линолеума, транспортной тары, емкостей; отходов производства и эксплуатации кабеля, полимерных труб и др.; ПЭТ-тары и упаковки и других изделий на основе ПЭТФ.

Кроме этого, массовый импорт промышленных, продовольственных товаров, медицинских средств, косметики  и др. в полимерной упаковке увеличивают  объемы образования этих отходов.

Указанные отходы специфичны, так как не поддаются гниению, саморазрушению, аккумулируются, занимая  земельные площади, загрязняя населенные пункты, водоемы, лесонасаждения. При  сжигании выделяют ядовитые газы, на свалках  являются благоприятной средой для  жизнедеятельности грызунов, насекомых.

Способы утилизации полимеров

В настоящее время существуют следующие пути утилизации полимеров:

- захоронение на полигонах и свалках с другими отходами;

- сжигание с целью получения  энергии;

- термическое разложение (пиролиз, деструкция, разложение  до исходных мономеров и др.);

- рециклинг полимеров;

- вторичная переработка.

 

Сжигание  полимеров

Сжигание отходов в  мусоросжигательных печах не является рентабельным способом утилизации, поскольку  предполагает предварительную сортировку мусора. При сжигании происходит безвозвратная  потеря ценного химического сырья  и загрязнение окружающей среды  вредными веществами дымовых газов.

Сжигать целесообразно только некоторые типы пластмасс, потерявших свои свойства, для получения тепловой энергии. Например, тепловая электростанция в г. Вульвергемтоне (Великобритания) первая в мире работает не на газе и не на мазуте, а на старых автомобильных покрышках. Осуществить этот уникальный проект, позволяющий обеспечить электроэнергией 25 тыс. жилых домов, помогло английское Управление по утилизации неископаемых видов топлива .

Сжигание полимеров сопровождается образованием токсичных газов: хлорида водорода, оксидов азота, аммиака, цианистых соединений и других, что вызывает необходимость мероприятий по защите атмосферного воздуха. Кроме того, экономическая эффективность этого процесса является наименьшей по сравнению с другими процессами утилизации пластмассовых отходов. Тем не менее, сравнительная простота организации сжигания определяет довольно широкое его распространение на практике.

Технологическая схема сжигания полимерных отходов с использованием трубчатой печи представлена на рис. 1.          

                                                    Рис.1

Отходы из бункера-накопителя 1 грейферным захватом 2 через

воронку 3 и загрузочный бункер 4 попадают во вращающуюся печь 6, пуск в работу которой осуществляется при помощи запального устройства 5. Золошлаковые продукты сжигания из печи поступают в сборник шлака 7, где гасятся и далее эвакуируются транспортёром 8. Печные газы поступают в камеру дожигания 9, где обезвреживаются при температуре выше 800°С в пламени горелки 10. Дымососом 12 их затем через охладительные устройства 11, котел-утилизатор, водоподогреватсль и т.п. и выхлопную трубу 13 выбрасывают в атмосферу. Образующуюся золу 14 в количестве 4 ... 6% от массы отходов можно использовать в качестве наполнителя при производстве строительных материалов.

Термическое разложение полимеров

К термическому разложению полимеров относят такие процессы :

- пиролиз;

- крекинг; 

- деструкция;

- деполимеризация.

Пиролиз полимеров. Этот метод считается намного безопаснее сжигания. Пиролиз представляет собой процесс разложения органических соединений под действием высоких температур при отсутствии или недостатке кислорода. Пиролиз полимеров - это сжигание полимерных отходов, содержащих углеводороды, в бескислородной среде при температуре около 600 С. 

Во время процесса пиролиза происходит необратимое химическое изменение составляющих полимерных отходов, в результате чего образуются различные химические соединения. По сравнению с сжиганием отходов во время пиролиза значительно сокращаются выбросы в атмосферу, а следовательно и уменьшается ее загрязнение.

При термическом разложении полимерных от ходовпроисходят следующие процессы:

– сушка;

– сухая перегонка;

– газификация;

– горение остатков.

Количество образовавшихся газообразных, твердых и жидких веществ зависит  от начального состава отходов и  от условий, при которых происходит процесс пиролиза.

На рисунку 2,представлена пиролизная установка по утилизации полимеров.

Рис.2

Оборудование для пиролиза: 1 –  приемная воронка; 2 – затвор; 3 –  конденсатор жидких продуктов; 4 –  заслонки; 5 – вентилятор; 6 – газоанализатор; 7 – дымосос; 8 – система газоочистки; 9 – сопло подогретого воздуха; 10 – воздухоподогреватель; 11 – водяная  ванна; 12 – швельшахта.

Весьма перспективна переработка отходов полимеров пиролизом, в результате которого из полимерных отходов при 425 °С и давлении 20 МПа получают топливо, на 95 % состоящее из жидких углеводородов и на 5 % из горючего газа.

Применение этой технологии для переработки полимерных отходов экономически выгодно. Установка, перерабатывающий 11,3 тыс. т/год отходов окупается за три года. Использование этих установок целесообразно лишь в районах с ресурсами отходов не менее 465 тыс. т/год.

Процесс пиролиза может протекать  с различным температурным уровнем:

– низкотемпературный пиролиз (450–500 °C). Выход газа при таком пиролизе минимален, а количество смол, масел и твердого остатка максимально;

– среднетемпературный пиролиз (500–800 °C). Количество получаемого газа увеличивается, а количество смол и масел уменьшается;

– высокотемпературный пиролиз (свыше 900 °C). Выход газа максимален, выход смол минимален.

 При пиролизе полимеров могут образовываться такие продукты:

- газообразные продукты (горячий пиролизный газ), газ можно использовать для получения тепловой энергии и в жидкость – мазут;

- жидкие продукты (пиролизное масло), из этой жидкости, полученной в результате пиролиза полимеров в настоящий момент времени научились добывать синтетическое топливо, которое после дополнительной очистки может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Однако, технология очистки в данном случае настолько сложна, что о какой бы то ни было рентабельности данного способа пока не может быть и речи.

- твердые продукты (зола), оставшуюся после пиролиза золу можно брикетировать и использовать в качестве печного топлива. 

Однако данный метод не лишен  и недостатков, главным из которых  является то, что в процессе пиролиза образуется множество вредных химических соединений. Для того чтобы они  не попадали в атмосферу необходимо использование достаточно сложных  систем фильтрации и очистки.

Это достаточно дорогостоящее оборудование, что не самым лучшим образом сказывается  на рентабельности данного метода утилизации полимеров. 

Рециклинг полимеров

Рециклинг полимерных отходов включает в себя следующие основные этапы:

            - сбор пластиковых отходов;

- сортировка отходов (по цвету, качеству, степени загрязнения);

- прессование отходов;

- переработка отходов, которая включает в себя резку сырья, его промывку, сушку и процедуру изготовления регранулята;

- производство нового изделия из вторичного пластика.

Вторичная переработка полимерных отходов

Основной путь утилизации отходов полимеров это их повторное использование по прямому назначению. Капитальные затраты при таком способе утилизации невелики. При этом не только достигается ресурсосберегающий эффект от повторного вовлечения материальных ресурсов в производственный цикл, но и существенно снижаются нагрузки на окружающую среду.

Несмотря на значительные преимущества повторного использования полимерных материалов, таким способом утилизируется лишь незначительное их количество, что связано с трудоемкостью сбора, разделения, сортировки, очистки отходом (прежде всего отходов бытового потребления).

Рис.3

В зависимости от качества и чистоты  отходов такая схема может  быть реализована в полном или  сокращенном объеме. Как правило, промышленные отходы не требуют выполнения всех стадий технологического процесса. Бытовые полимерные отходы, наоборот, нуждаются в тщательной подготовке.

Производственная схема переработки полимеров приведена на рисунку 4.

Рис.4

Оборудование:1 — конвейер; 2 — дробилка; 3 — воздушный классификатор; 4 - магнитный сепаратор; 5 — промыватель; 6 — конвейер; 7 — центробежные сушилки; 8 — дробилка; 9 — бункер; 10 — экструдер; 11 — бункер для гранул.