ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА

Способы утилизации и обезвреживания отходов пластмасс

В промышленности применяют следующие основные направле­ния утилизации и ликвидации отходов пластмасс:

* переработка отходов в полимерное сырье и повторное его использование для получения изделий;

* сжигание вместе с бытовыми отходами;

* пиролиз и получение жидкого и газообразного топлива;

* захоронение на полигонах и свалках.

Несмотря на значительные преимущества повторного использо­вания полимерных материалов, таким способом утилизируется лишь незначительное их количество, что связано с трудоемкостью сбора, разделения, сортировки, очистки отходов (прежде всего от­ходов бытового потребления). Поэтому наряду с вторичной перера­боткой отходов пластмасс в изделия в промышленности использу­ются и другие способы утилизации.

Сжигание отходов пластмасс - наименее эффективный способ их удаления и обезвреживания, так как при этом полностью раз­рушается дорогостоящий полимер и другие компоненты пластика. Оно применяется при переработке отходов пластмасс только в тех случаях, когда другие способы по техническим или экономическим причинам не могут быть использованы. В частности, сжигание от­ходов пластмасс используют, когда их выделение из смеси других отходов невозможно или слишком дорого.

Конструкции печей, используемых для сжигания отходов пла­стмасс, могут быть самыми разными, но должны учитывать особен­ности горения этих материалов. Во время горения отходов пласт­масс в печи создается высокая температура, что требует специаль­ных мер защиты. Кроме того, необходимо оснащение печей систе­мами дожигания, очистки и обработки дымовых газов, так как при горении пластмасс образуются такие токсичные газы, как аммиак, оксиды азота, хлористый водород, диоксины и др.

Весьма перспективна переработка отходов пластмасс пироли­зом, в результате которой из пластмассовых отходов при 425 °С получают топливо, на 95% состоящее из жидких углеводородов и на 5% из горючего газа. Применение этой технологии для перара- ботки пластмассовых отходов экономически выгодно. Установка, перерабатывающая 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.

Захоронение отходов пластмасс - наименее целесообразный способ их удаления, так как наносит прямой ущерб окружающей среде и приводит к нерациональному использованию природных ресурсов. В отличие от сжигания захоронение отходов пластмасс не позволяет использовать потенциальные энергетические ресурсы, содержащиеся в полимерах.

Наиболее рациональный способ утилизации отходов пласт­масс - 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.

В случае если имеется рынок сбыта продуктов переработки, осуществлены непрерывность и регулярность поступления отходов, разработана экономичная технология их переработки, а поступаю­щие отходы стандартизованы, имеет смысл создавать специализи­рованные предприятия по переработке отходов. Если количество полимерных отходов невелико, то целесообразно передавать их на переработку предприятию - изготовителю первичной продукции.

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 процесса, показанного на этой схеме. Бытовые полимерные от­ходы, наоборот, нуждаются в тщательной подготовке.

Переработка технологических отходов термопластов должна начинаться с определения степени изменения их свойств и выбора наиболее эффективной технологии их использования.

Высокое качество готовых изделий и стабильность технологиче­ского процесса могут быть обеспечены лишь при равномерном до­зировании измельченных или гранулированных отходов и хорошем смешении их с исходным сырьем.

При переработке отходов на предприятиях, производящих из­делия из термопластов, они возвращаются в основной технологиче­ский процесс.

В процессе вторичного использования пластмасс необходимо предотвратить или уменьшить ухудшение их физико-механических и реологических свойств вследствие старения, вызываемого напря­жением сдвига и нагреванием - термомеханическим воздействием, которому подвергаются полимеры при размоле, расплавлении и формовании. С этой целью в композиции на основе вторичных полимерных материалов вводят дополнительные стабилизаторы, которые позволяют без изменения технологических свойств поли­меров сохранить их эксплуатационные характеристики. Для раз­личных видов полимеров разработаны и известны такие стабилизи­рующие вещества.

Сбор и сортировка отходов пластмасс являются наиболее слабым звеном в процессе организации переработки как технологиче­ских отходов, так и в еще большей степени отходов потребления.

Идеальная сортировка отходов должна обеспечить разделение их не только по видам, маркам, цвету, но и по форме, степени за­грязненности, содержанию инородных материалов, физико-механи­ческим свойствам и т. п., что требует больших затрат и делает ути­лизацию отходов неэффективной.

Наиболее простой и в то же время удовлетворяющей основным требованиям является сортировка, осуществляемая в процессе сбо­ра отходов непосредственно на рабочем месте, т. е. на стадии их об­разования (так называемый околомашинный сбор отходов).

Околомашинная переработка отходов позволяет добавлять к первичному сырью наиболее близкие по свойствам вторичные ма­териалы. При этом устраняется необходимость их сортировки по цвету, снижается возможность их загрязнения, отпадает необходи­мость в складских помещениях, проверке качества вторичных ма­териалов, их сушке и т. п.

Наиболее эффективны сбор и сортировка промышленных отхо­дов при полностью замкнутом цикле переработки пластмасс. Кон­структивное оформление таких схем предусматривает автоматиче­ский сбор отходов, их измельчение и добавление в определенной пропорции к исходному сырью.

Если предприятие не перерабатывает отходы, а поставляет их на сторону, их следует сортировать на местах образования, так как переработка нерассортированных отходов у потребителя связана со значительно более высокими затратами на сортировку и дополни­тельную очистку отходов от загрязнений. Для упрощения сбора и сортировки отходов возможно изготовление некоторых изделий из смесей отходов различных пластмасс.

Идентификация пластмасс имеет важное значение. Среди проблем, возникающих при утилизации пластмасс, главная - опре­деление природы материала, т. е. его идентификация. Если отсут­ствует специальное оборудование для проведения химического, физико-химического и других видов специального анализа, то можно воспользоваться простыми, но достаточно точными способа­ми идентификации, с помощью метода исключения или сравнения с точно известными образцами или путем анализа сведений о воз­можности применения тех или иных видов пластмасс для опреде­ленных целей.

Чтобы отличить термопластичный материал от термореактив­ного, следует приложить к образцу раскаленный металлический предмет. Если при этом образец плавится, то это термопластичный материал.

Если образец пластмассы (непористый) плавает на поверхности воды, в которую добавлены несколько капель моющего вещества (для снижения поверхностного натяжения), то этот образец, веро­ятнее всего, из неполярного полимера - полиэтилена или полипро­пилена. Продукты горения таких материалов пахнут горящей стеа­риновой свечой.

Сжигание образцов пластика - достаточно надежный способ его идентификации. Для этого кусок или полоску пластика берут щип­цами, пинцетом, клещами или другим аналогичным инструментом (порошкообразный материал насыпают на лезвие ножа или другой удобный инструмент) и подносят к пламени. Полученные резуль­таты сравнивают с известным поведением пластмасс при горении. Во внимание принимаются следующие характеристики: легкость воспламенения, характер плавления, продолжительность горения после вынесения из пламени, наличие копоти, цвет пламени, за­пах. При этом необходимо помнить о мерах безопасности при оп­ределении запаха и при поджигании образцов. Поведение различ­ных полимеров в пламени горелки видно из данных табл. 11.1.

Полимерные материалы, содержащие хлор (например, поливи - нилхлорид), можно распознать, приложив к их поверхности раска­ленную медную проволоку. Если после внесения ее в пламя спич­ки или горелки оно окрашивается в зеленый цвет, то это свиде­тельствует о присутствии в полимере хлора.

Помимо сжигания идентифицировать материал могут помочь эксперименты с растворением пластмассы. Поведение пластмасс в различных растворителях описано в химических справочниках и другой специальной литературе.

Повторному использованию отходов термопластов, как прави­ло, предшествуют измельчение и гранулирование. С этой целью разработаны специальные машины и установки для получения вто­ричного сырья, которое по форме и размерам соответствует пер­вичному сырью.

Первичное сырье, используемое при переработке пластмасс, представляет собой главным образом гранулы со стандартной вели­чиной зерен, с постоянной объемной массой и хорошей сыпуче­стью.

Механизм разрушения полимерных материалов принципиально отличается от процессов, протекающих при измельчении низкомо­лекулярных соединений, так как энергия разрушения полимеров расходуется главным образом на механические потери. Это отно­сится как к пластмассам, так и в еще большей степени к резинам, т. е. материалам, способным к значительным обратным деформа­циям. Поэтому оптимальные условия для измельчения отходов полимерных материалов возникают при высоких скоростях дефор­мирования. Разрушению способствует также снижение температу­ры, при которой материал становится стеклообразным, хрупким, или повышение температуры до значений, когда его прочностные свойства резко падают.

Крупногабаритные отходы пластмасс предварительно нарезают­ся на циркулярных пилах или ленточнопильных станках.

Для измельчения широко используются режущие грануляторы, переработка отходов в которых происходит между роторными и статорными ножами, а сито, расположенное в нижней части ма­шин, определяет заданную величину зерен. В табл. 11.2 приведены характеристики роторных измельчителей, выпускаемых отечест­венной промышленностью. Конструкция роторно-ножевого измель­чителя изображена на рис. 11.2.

Производительность измельчителя определяется видом отходов, а также конструктивными особенностями установки: числом и дли­ной ножей, а также частотой вращения ротора. В процессе работы производительность роторных измельчителей падает вследствие из­носа ножей. Поэтому при падении производительности измельчи­теля на 20 - 30% от первоначального значения при работе на од­ном материале необходимо затачивать ножи.

Степень измельчения отходов определяется размером ячеек си­та, ограждающего камеру помола со стороны выхода измельченно­го материала. Размер частиц измельченных отходов колеблется от 3 - 5 до 25 - 30 мм. Роторные измельчители при работе издают сильный шум. С целью его уменьшения измельчитель вместе с двигателем и вентилятором заключают в шумозащитный кожух, что позволяет снизить уровень шума на 10 - 15 дБ.

При измельчении отходов вязких термопластов основное коли­чество энергии превращается в тепло и лишь ничтожно малое ко­личество расходуется на разрушение материала. Это снижает про­изводительность оборудования, приводит к налипанию расплавлен­ного в результате разогрева пластика на части оборудования. Так, производительность роторных дробилок по сравнению с паспортны­ми данными составляет всего 20 - 30% для полиэтилена и 35 - 55% для полиамида. Поэтому в ножевых измельчителях часто ис­пользуют охлаждение отходов и деталей дробилок водой. Более перспективно использование криогенного измельчения. После глу­бокого охлаждения таких отходов в среде жидкого азота (темпера­тура испарения - минус 195,8 °С) полимер переходит в стеклооб­разное состояние и становится хрупким, что значительно упрощает его измельчение.

Рис. 11.2. Конструкция роторно-но - жевого измельчителя с водяным ох­лаждением: 1 - поворотная плита; 2 — электро­двигатель; 3 - лоток; 4 - съемная ка­либрующая решетка; 5 - ротор; 6 - статор; 7 - маслоотражатели; 8 - но­жи ротора; 9 - загрузочный бункер; 10 - маховик; 11 — упорные подшип­ники; 12 - маслодробители; 13 - регу­лируемые ножи статора; 14 - штуцер для подачи воды

Некоторые виды отходов можно измельчать после ох­лаждения в среде сжиженно­го углекислого газа (темпе­ратура испарения - минус 78,5 °С). Хладагенты вводят непосредственно в дробилку или используют специальный конвейер, на котором пласт­массовые отходы предвари­тельно охлаждаются, а затем в охлажденном виде подают­ся на измельчение.

Криогенная техника измельчения полимерных, отходов по срав­нению с измельчением при комнатной температуре имеет ряд пре­имуществ. В частности, расход энергии на измельчение полимер­ных отходов на одной из таких установок, созданных и используе­мых в Японии для утилизации полимерных деталей выпускаемой фирмой "Хитачи" электробытовой аппаратуры, составляет 6 Вт-ч/кг отходов по сравнению с 24 на обычной установке.

При измельчении тонких и легких отходов (обрезков пленки, волокон, переплетов, остатков тканей и ковров из синтетических полимеров, искусственных кож и т. д.) с помощью роторных из­мельчителей получают обрезки с незначительной объемной массой и плохой сыпучестью, дальнейшая переработка которых на суще­ствующем технологическом оборудовании практически невозмож­на. Отходы такого типа, имеющие насыпную массу менее 0,25 г/см3, превращают в гранулят с помощью экструдеров (плав­ления).

Гранулирование в экструдерах имеет ряд преимуществ, связан­ных с возможностью использования практически любых отходов, в том числе отходов, образующихся при получении волокон, ткани,
трикотажа, отходов, полученных при нанесении покрытий и при каландровании, отходов вакуум-формования и т. д. При гранули­ровании в экструдере можно осуществить направленную модифи­кацию отходов с получением продуктов с улучшенными свойства­ми, что позволяет использовать их в различных отраслях промыш­ленности.

Червячные экструдеры для гранулирования отходов термопла­стов имеют узел дегазации. В зависимости от последовательности двух процессов, проходящих во время гранулирования, - резки и охлаждения - измельчение осуществляют двумя способами: грану­ляцией на экструзионной головке и подводным гранулированием. Выбор способа гранулирования зависит от свойств полимера: вяз­кости и адгезии расплава термопласта к металлу.

При грануляции на экструзионной головке расплав выдавлива­ется через отверстия решетки (количество которых достигает 300) в виде жгутов (стренг) и тут же срезается скользящими вдоль ре­шетки ножами. Полученные при резке гранулы охлаждаются воз­духом или водой. При гранулировании полиолефинов срезанные гранулы попадают в ванну с водой, где и происходит их охлажде­ние.

При подводном гранулировании жгуты расплава полимера сра­зу поступают в ванну с водой и уже там нарезаются на гранулы. Температура воды поддерживается в пределах 50 - 70 °С, что по­зволяет ей интенсивно испаряться с поверхности гранул во время их сушки. Расход воды составляет 40 м3 на 1 т гранулята. Размер получаемых гранул зависит от размера и формы отверстий, скоро­сти вращения шнека и числа срезающих ножей.

При гранулировании в экструдере материал постоянно нахо­дится под воздействием механических сил и высокой температуры, что способствует процессу термомеханодеструкции полимерных це­пей.

Для подготовки к переработке объемных отходов пластмасс, например пленки, используют агломерацию. Агломераторы обеспе­чивают непрерывное приготовление сыпучего гранулята из пленоч­ных, волокнистых и пористых отходов термопластов всех видов: полиэфирных, полипропиленовых, полистирольных, полиамидных, поливинилхлоридных и др.

Разработан агломератор для гранулирования отходов термопла­стов с низкой насыпной плотностью, минуя подготовительные ста­дии. Он представляет собой вращающийся цилиндр с электрообог­ревом. При работе температура в цилиндре поддерживается выше температуры плавления термопласта. Цилиндр размещен внутри нагреваемого цилиндрического кожуха, смещенного по отношению к оси цилиндра. Кожух и цилиндр агломератора образуют камеру с уменьшающимся поперечным сечением и заканчивающуюся с противоположной стороны раклей, за которой расположена головка с отверстиями или прорезями.

Попадая на горячую поверхность вращающегося цилиндра, ма­териал, вводимый в бункер, плавится и прилипает к его поверхно­сти. Так как поперечное сечение камеры при вращении цилиндра уменьшается, расплавленный материал прижимается к наиболее ограниченной зоне камеры и, наконец, к ракле, а затем выдавли­вается наружу через головку. Из материала, проходящего последо­вательно устройство охлаждения и режущие элементы, получают гранулят. Размер частиц 2-15 мм, насыпная плотность 400 кг/м. В процессе агломерации возможно введение в композицию каких - либо добавок (наполнителей, красителей и др.).

Разделение смесей отходов полимеров осуществляют различ­ными методами. Смешанные отходы термопластов содержат, как правило, вешества, различающиеся механическими и химическими свойствами, что позволяет для их разделения применять физиче­ские и химические способы.

Разделять смеси термопластов можно, сочетая процессы грохо­чения и воздушной сепарации, основу которой составляет различие в скоростях осаждения, размерах твердых частиц и их плотности. Полная сортировка достигается, когда скорость оседания самых крупных частиц легкого компонента равна скорости оседания са­мых малых частиц тяжелого компонента. С помощью этого метода можно разделить до пяти-шести видов материалов.

Для разделения отходов пластмасс по видам можно использо­вать флотационный метод, основанный на различии в смачиваемо­сти полимеров водой. С целью увеличения эффективности разделе­ния используют ПАВ, изменяющие смачиваемость полимеров и по­верхностное натяжение на границе раздела воздух - полимер — во­да. В частности, для выделения из смеси отходов частиц ПВХ ис­пользуют водные растворы сульфоната двухосновного алифатиче­ского спирта, полиоксиэтиленсульфата и других ПАВ.

Хорошие результаты получаются при последовательном разде­лении отходов различных пластмасс в солевых растворах с различ­ной плотностью (способ тяжелосредной сепарации).