Утилизация отходов пластмасс

Утилизация отходов пластмасс ввиду быстрого роста объемом их применения приобрела важное экономическое и экологическое значение. Использование отходов полимерных материалов помогает решить сырьевые проблемы, позволяя сократить потребление первичных материальных ресурсов.

Вторичные полимерные материалы должны играть в про­мышленности по переработке пластмасс такую же роль, какую играет металлолом в металлургии.

Отходы термопластичных пластмасс можно классифицировать следующим образом:

• технологические отходы производства, образующиеся при синтезе и переработке пластмасс и составляющие от 5 до 35 % (по массе). По свойствам они мало отличаются от исходного сырья и могут повторно перерабатываться в смеси с исходным мате риалом;
• отходы производственного потребления, накапливающиеся в результате выхода из строя изделий из полимерных материалов, используемых в различных отраслях экономики. Эти отходы достаточно однородны и также могут быть повторно переработаны в изделия. К ним относятся детали машин, тара, отходы пленочных материалов сельскохозяйственного назначения и др.;
• отходы общественного потребления, накапливающиеся на свалках в результате морального или физического износа полимерных деталей или изделий, в которых они использовались (пластмассовая посуда, мебель, детали автомобилей и другой бытовой техники). Хотя они и представляют ценное вторичное сырье, но вследствие перемешивания с другими видами отходов их переработка в изделия затруднена. Доля отходов общественного потребления составляет 50 % всех полимерных отходов.

Для облегчения разделения пластмассовых отходов по­требления во многих странах изделия при их производстве маркируют, что позволяет идентифицировать вид полимера, из которого оно изготовлено.

Раздельный сбор отходов потребления пластмассовых деталей с учетом вида полимера (а еще лучше цвета) у нас в стране пока не производится. Поэтому значительная часть отходов пластмасс не перерабатывается.

Захоронение отходов ведет к загрязнению окружающей среды и нерациональному использованию ресурсов. Сжигание также наносит ущерб природе, но при этом хотя бы возможно использовать выделяющееся при горении тепло.

Создание био-, фото- и воздухоразрушаемых полимеров хотя и возможно, но во многих случаях нерационально, так как такие материалы не обладают необходимыми эксплуатационными свойствами. Они могут найти применение для изготовления упаковочных пленочных материалов, одноразовой посуды и тары, гак как эти изделия имеют ограниченный срок эксплуатации. Однако издержки при изготовлении таких полимерных материалов выше, чем при производстве обычных пластиков, и поэтому создание полимеров, способных к быстрому разложению под воздействием факторов окружающей среды, имеет ограничен­ное значение.

В промышленности применяются 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.

Основной путь 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.

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).

Поэтому наряду с вторичной переработкой отходов пластмасс в изделия в промышленности используются и другие способы утилизации.

Весьма перспективна переработка отходов пластмасс пиролизом, в результате которого из пластмассовых 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 пластмассовых 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.

К технологическим отходам относятся остатки исходного сырья, образовавшиеся в процессе производства и частично или полностью утратившие показатели качества. Часть из них (возвратные отходы) — литники, отходы при выходе на режим, бракованные детали — используются после предварительной подготовки в том же или другом процессе. Технологические отходы, безвозвратно утратившие свои основные свойства, не могут быть переработаны в изделия и подлежат сжиганию либо захоронению.

Сокращению технологических отходов, образующихся при изготовлении деталей из пластмасс, способствуют следующие мероприятия:

1. Правильное распределение имеющейся номенклатуры изделий по оборудованию таким образом, чтобы суммарные отходы были минимальны, учитывая, что потери сырья при переходах с одного изделия на другое на машинах с большой производительностью максимальны.
2. Усовершенствование конструкции оснастки, выбор оптимального формующего инструмента (пресс-форм, дорнов, матриц и т. д.),
3. Оптимизация режимов переработки полимера с целью исключения его термодеструкции и получения бракованных изделий.
4. Уменьшение числа переходов с одного цвета на другой как при изготовлении деталей, так и при переработке отходом.
5. Установка на вентиляционных отсосах дробильных отде­лений циклонов для улавливания полимерной пыли, образующейся При дроблении отходов.
6. Организация безостановочного цикла работы оборудования, уменьшение количества остановок оборудования на ремонт или замену формующей оснастки.

В общем виде последовательность операций при переработке отходов пластмасс с целью их повторного использования пред­ставлена на рис. 9.7.

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, показанного на этой схеме. Бытовые полимерные отходы, наоборот, нуждаются в тщательной подготовке. Производственная схема переработки таких отходов пластмасс приведена на рис. 9.8.

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

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 нитровании измельченных или гранулированных отходов и хорошем смешении их с исходным сырьем.

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.

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), которым подвергают полимер 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, физико­механическим свойствам и т. п., что требует настолько больших затрат, что 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 цветам, 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 сортировка должна производиться на местах образования, так как переработка нерассортированных отходов у потребителя связана со значительно более высокими затратами на сортировку и дополнительную очистку отходов от загрязнений.

С целью 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. 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 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 поверхность контакта с ним 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. 9.1.

Полимер	Поведение при горении	Запах при горении
Полиэтилен, полипропилен	Горит голубым пламенем с желтой верхушкой, мало дыма, капли расп­лава	Горящего парафина
Поливинилацетат	Горит желтым с искрами пламенем, коптит	Уксуса
Полистирол	Горит оранжево-желтым светящим­ся пламенем, сильно коптит	Цветочный
АБС	Горит оранжево-желтым пламенем, сильно коптит	Цветочный, горящей резины
Полиметилметакрилат	Горите потрескиванием синим пламенем, коптит	Цветочно-плодовый
Полиамид	Горит голубым пламенем с белой вер­хушкой	Жженой кости
Целлюлоза	Горит желтым пламенем, слабо коп­тит	Жженой бумаги
Полиэтилентерефталат	Горит желтым светящимся пламенем, слабо коптит	Сладковатый
Поликарбонат	Горит желтым светящимся дрожащим пламенем, слабо коптит, при выно­се из пламени медленно затухает	Слабый запах фенола
Полиформальдегид	Горит синеватым пламенем, капли расплава	Резкий запах формальдегида
Поливинилхлорид	Горит зеленым с голубой верхушкой пламенем, при выносе из пламени затухает	Резкий

Полимерные материалы, содержащие хлор (например, поливинилхлорид), 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, предшествует переработка, связанная с их измельчением и гранулированием. С этой целью разработаны специальные машины и установки для переработки отходов самых разно­образных форм и размеров для получения вторичного сырья, которое по форме и размерам в значительной мере соответ­ствовало бы первичному сырью.

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

Отходы термопластов должны иметь аналогичный грануло­метрический состав.

Крупногабаритные отходы пластмасс предварительно нарезаются на циркулярных пилах или ленточно-пильных станках.

Для гранулирования широко используются режущие грануляторы, переработка отходов в которых происходит между роторными и статорными ножами, а сито, расположенное и нижней части машин, определяет заданную величину зерен. В табл. 9.2 приведены характеристики роторных измельчителей, выпускаемых отечественной промышленностью. Конструкция роторно-ножевого измельчителя изображена на рис. 9.9.

Техническая характеристика	Марка гранулятора
	ИПР-100	ИПР-150	ИПР-300	ИПР-450
Производительность, кг/ч	25-60	50-150	150-350	200-1500
Диаметр ротора, мм	100	150	300	450
Скорость вращения ротора, об/мин	1500	1300	700	700
Количество ножей ротора, шт.	3	3	9	15
Количество неподвижных ножей, шт.	2	2	2	3
Зазоры между ножами, мм	0,1	0,1	0,1-0,2	0,2-0,4
Мощность электропривода,	1,0	1,6	18,5	27,5

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 необходимо при падении производительности измельчителя на 20—30 % от первоначального значения при работе на одном материале проводить перио­дическую заточку ножей.

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

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 вязких термопластов, в том числе—полиамида, полиэтилена, пластифицированного поливинилхлорида и др., производительность роторных дробилок сильно падает по сравнению с паспортными данными и составляет всего 20—30 % (для полиэтилена) и 35—55 % (для полиамида) от паспортного значения. Для их измельчения перспективно использование криогенной техники. После глубокого охлаждения таких отходов и среде жидкого азота (температура испарения —195,8 °С) полимер переходит в стеклообразное состояние и становится хрупким, что значительно упрощает его измельчение.

Некоторые виды отходов можно измельчать после охлаждения и среде сжиженного углекислого газа (температура испарения 78,5 °С). Хладагенты вводят или 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 Вт • ч/кг 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. Поэтому отходы такого типа, имеющие насыпную массу менее 0,25 г/см³, превращают в гранулят с помощью экструдеров, т. е. с помощью 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 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 количества срезающих ножей.

При гранулировании в экструдере материал постоянно на­ходится под воздействием механических сил и 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 отходов термопластов всех видов: полиэфирных, полипропиленовых, полистирольных, полиа­мидных, поливинилхлоридных и других.

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, ш которой расположена головка, оснащенная 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 поставленные устройство охлаждения и режущие элементы, получают гранулят. Размер частиц 2—15 мм, насыпная плотность 400 кг/м³. 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, вещества, различающиеся механическими и химическими свойствами, что позволяет для их разделения применять физические и химические способы.

Разделение смесей термопластов можно осуществить со­четанием процесса 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 из легкого компонента равна скорости оседания самых малых частиц тяжелого компонента. С помощью этого метода можно разделить до пяти-шести видов материалов.

Хорошие результаты получаются при последовательном разделении отходов различных пластмасс методом флотации в солевых растворах с различной плотностью.

Рассмотрим для примера последовательность технологических операций при разделении смеси следующего состава: 54 % — поливинилхлорида (ПВХ) (плотность 1,38 г/см³); 22,7% — полистирола (ПС) (плотность 1,05 г/см³); 22,3% — полиэтилена (ПЭ) (плотность 0,95 г/см³). Отходы измельчают до частиц размером не менее 4 мм и подают в бункер, куда заливают разделительную жидкость с плотностью 1,08 г/см³ в таком количестве, чтобы на 1 объемную часть полимеров приходилось 60 частей жидкости. В качестве разделительной жидкости используют воду с добавлением поваренной соли. Суспензия, получаемая в смесительном бункере, подается центробежным насосом в гидроциклон. Коническая часть гидроциклона для отделения ПВХ имеет угол 9°, а отношение длины верхней цилиндрической части к диаметру равно 4.

В гидроциклоне часть несущей жидкости сливается через край вместе с ПС и ПЭ, а другая часть выводится через нижнее отверстие вместе с фракцией ПВХ, частицы которого потонули. Перелившаяся через край смесь состоит из 49,5 % ПС и 50,5 % ПЭ. Жидкость, слившаяся через сито, возвращается по трубам п бункер. ПС и ПЭ от остатков соли промывают водой. Из нижнего сливного отверстия на сито подается фракция, содержащая 98,9 % ПВХ, который также промывают водой от соли. ПС и ПЭ направляют в другой бункер, где они суспендируются в несущей жидкости с плотностью 0,97 г/см³, например состоящей из спирта и воды, для проведения следующей ступени разделения в гидроциклоне с почти плоским дном, угол конуса которого составляет 170°.

Отношение высоты верхней цилиндрической части гидроциклона к его диаметру равно 8. Перелившаяся из гидроциклона фракция попадает на сито и содержит 90,8 % ПЭ, ныход его составляет 94,4 %. Фракция, выведенная через нижнее отверстие и собранная на другое сито, содержит 94,4 % ПС, ныход которого составляет 90,3 %.