Переработка отходов пластмасс

Переработка и утилизация отходов пластмасс возможны в следую­щих основных направлениях:

• обогащение (очистка, разделение по видам), регрануляция и повторное использование в производстве новых изделий;
• переработка смеси отходов (без разделения по видам) в изделия, к механическим свойствам которых не предъявляется высоких требований;
• сжигание с целью рекуперации энергии;
• химическое разложение с получением низкомолекулярных продуктов:
  • гидрирование в среде водорода (при температуре 450-480°С и давлении водорода до 400 бар);
  • крекинг (при температуре 400-600°С и повышенном давлении, с раз­рушением полимеров, испарением образующихся продуктов, охлаждением паров и получением исходного сырья для производства новых продуктов);
  • газификация в атмосфере кислорода и водяного пара (при тем­пературе 1350-1600°С и давлении до 400 бар, с получением син­тез-газа с высокой теплотворной способностью);
  • пиролиз (при температуре 500-900°С в бескислородной среде);
  • гидролиз (переработка полиуретана, полиамида, полиэстера, поликарбонатов).

Выбор технологии, оптимальной с экономических и экологических позиций, достаточно сложен.

Повторное использование отходов пластмасс по прямому назначе­нию - получение вторичного гранулированного продукта и производ­ство новых изделий - представляет наибольший интерес. Особенно это относится к наиболее распространенным видам отходов термопластов - полиэтилену, полипропилену и полиэтилентерефталату. Ресурсы этих отходов как техногенного сырья весьма велики - ежегодно образуются миллионы тонн подобных отходов, и именно они вовлекаются в перера­ботку в первую очередь.

Следует иметь в виду, что в процессе многократной переработки свойства пластмасс изменяются. Так, вторичные полимеры, получен­ные из отходов потребления пластмасс, по физико-химическим и физико-механическим свойствам отличаются от первичного материала. На­пример, вторичный полиэтилен низкой плотности содержит 6,2% низ­комолекулярной фракции, в то время как исходный полиэтилен - 0,1%; прочность при растяжении вторичного полиэтилена составляет 10 МПа, исходного - 15,5 МПа.

Для улучшения свойств вторичного полимера при переработке от­ходов термопластов (и получения материалов с новыми свойствами) ча­сто используют их модифицирование, например, введением в состав композиций минеральных и органических наполнителей (мела, сажи, графита, талька, древесной муки, резиновой крошки, отходов реактоп- ластов и др.). Вводят наполнители обычно на стадии дробления и гранулирования. В итоге физико-химические свойства готовых изделий улучшаются и могут быть получены материалы с новыми свойствами.

Отходы термопластов часто перерабатывают в строительные изде­лия (кровельные покрытия, черепица, строительные бруски и т.п.). При переработке используют метода плавления, прессования, экструзии, литья под давлением (при 150-200°С).

Отходы термопластов могут использоваться как добавки к дорож­но-строительным материалам, повышая их водо- и морозостойкость, прочность при сжатии, а также могут входить в состав невысыхающих антикоррозийных покрытий оборудования и строительных конструк­ций, герметизирующих мастик бетонных сооружений. Современные герметизирующие материалы отличаются высокой адгезией, химичес­кой стойкостью, непроницаемостью, сохраняют свои защитные свой­ства в широком интервале температур (от + 90° до -50°С).

Из отходов полиэтилена и резиновой крошки в нашей стране произ­водят массивные блоки для переездов железнодорожных (в том числе трамвайных) путей. Основная масса изделия изготавливается прессова­нием смеси крупной резиновой крошки и отходов пластмассы, а по­кровный слой небольшой толщины - из износостойкой протекторной резины. Такие изделия уменьшают шум, повышают долговечность пе­реездов, улучшают условия эксплуатации автотранспорта.

В Научно-исследовательском центре по проблемам управления ре­сурсосбережением и отходами (бывший ВИВР) на основе использова­ния полимерной пленки, выделенной из ТБО, и отходов древесины раз­работана технология получения новых композиционных материалов. Сущность технологии заключается в сухом измельчении компонентов, их смешивании (содержание пленки в смеси - 30-70%), термопрессова­нии (температура - 150-160°С, давление - 15-20 кПа) и холодном прес­совании полученного материала. Этот материал может использоваться для строительных целей и изготовления прессованной тары и упаковки.

Отходы полиэтилентерефталата и полипропилена перерабатывают в нетканое полотно раздувом расплава в нити. Полотно получают из тонких волокон. Основное условие — тщательная сушка пластмассы пе­ред переработкой. В качестве оборудования используют экструдер с ше­стеренчатым насосом перед соплом; к соплу подводят воздух под дав­лением и распыляют расплав на вращающийся коллектор, на котором нити склеиваются в полотно. Полотно охлаждают и наматывают на ба­рабан. Качество нетканого полотна сопоставимо с его получением из первичного сырья, но при высоком содержании отходов прочность тка­ни снижается.

В бывшем СССР разработана технология переработки отходов сельскохозяйственной полиэтиленовой пленки - в трубы для сельского хозяйства, а также во вторичную полиэтиленовую пленку (рис. 8.11). Производительность одной технологической линии - 2000 т/год.

На стадии сортировки вышедшей из употребления полиэтиленовой пленки удаляют случайные инородные включения и сильно загрязнен­ные куски (допустимое содержание посторонних примесей не более 5%). Дробление отсортированной пленки осуществляют в ножевых дробилках; продукт дробления (см. рис; 8.11) подвергается промывке (в стиральной машине или шнековом промывателе). Отжатая масса влаж­ностью 10-15% подвергается сушке с помощью горячего воздуха (65- 75°С) на движущихся перфорированных ковшах; продолжительность сушки - 30-60 минут. Высушенная масса подается с помощью питателя в экструзионный пресс, где полиэтилен уплотняется, пластифицирует­ся и плавится. Расплавленный материал, продавливаясь через фильтро­вальные сетки и отверстия фильер, превращается в жгуты, охлаждает­ся, разрезается на гранулы длиной 3-6 мм, подсушивается с помощью горячего воздуха на виброситах (содержание влаги не более 0,2%) и смешивается с первичным гранулированным полиэтиленом (при необ­ходимости добавляются красители). Полученную смесь перерабатыва­ют методом экструзии в пленочных агрегатах с получением готовой продукции - рулонной полиэтиленовой пленки.

Смеси термопластов можно перерабатывать на стандартных литьевых машинах при соблюдении следующих условий:

1. вторичное сырье должно иметь хорошую сыпучесть, чтобы га­рантировать равномерное, без сбоев, питание перерабатывающей ма­шины;
2. формующие сопла, разделители, щелевые головки должны иметь размеры большие, чем размеры сит, применяемых в ножевых дробилках (снижение вероятности засорения их нерасплавленными частицами);
3. смесь термопластов не должна содержать металлических вклю­чений и жестких посторонних тел;
4. если смесь термопластов содержит поливинилхлорид, то пе­рерабатывающее оборудование должно быть в коррозионностойком ис­полнении.

При переработке смешанных отходов пластмасс предпочтение мо­жет быть отдано таким методам переработки, как пиролиз, гидролиз, а также гидрирование, крекинг и газификация.

При пиролизе пластмасс образуются газообразные (пиролизный газ), жидкие (пиролизное масло) и твердые (кокс и др.) продукты. Вы­ход того или иного продукта зависит от температуры процесса (чем вы­ше температура, тем выше выход газообразных продуктов). Различают низкотемпературный (до 450-500°С) и среднетемпературный (до 900°С) пиролиз.

При переработке отходов пластмасс методом низкотемпературного жидкофазного пиролиза сырье в реактор загружают в расплавленном состоянии или в качестве реакционной среды используют расплав поли­этилена или полипропилена; иногда применяют реакторы с кипящим слоем (теплоноситель — песок).

Среднетемпературный пиролиз проводят при температурах от 600 до 900°С. При высоких температурах пиролиза снижается выход алифатических соединений и возрастает выход ароматических. Как правило, среднетемпературный пиролиз осуществляется в реакторах с псевдоожиженным слоем или во вращающихся барабанных реактоpax. Обычно псевдоожиженный слой состоит из чистого кварцевого песка или пиролизного технического углерода. Вращающиеся бара­банные печи имеют внутренние обогревательные трубы; загружают в барабанные печи исключительно тонкоизмельченный материал (увеличение эффективности теплоотдачи). Экономическая эффек­тивность среднетемпературного пиролиза в значительной степени определяется направлениями использования его продуктов (многие действующие в настоящее время установки находятся на грани рентабельности).

Получаемые в результате переработки отходов пластмасс пиролиз­ные масла используются главным образом в качестве топлива (разделе­ние масел на компоненты весьма энергоемко). Из пиролизных газов, ес­ли их предполагается использовать как топливо, необходимо предвари­тельно удалить хлористый водород и соединения серы. Пиролизный технический углерод может быть использован в качестве фильтрующе­го элемента и наполнителя.

В качестве примера можно рассмотреть промышленную пиролиз­ную установку мощностью 5-10 тыс. т/год (переработка в псевдоожиженном слое полимерных материалов и автопокрышек), построенную в Германии. Используемый на установке чистый кварцевый песок под­держивается во взвешенном состоянии нагретым до 400°С пирогазом. Необходимая для пиролиза температура 600-900°С создается при помо­щи трубчатых излучателей, нагреваемых природным или пиролизным газом (разогрев сырья и реактора). Выходящий из реактора пирогаз от­деляется от угольных частиц в циклоне и конденсируется. Полученные нефтепродукты подвергают перегонке, выделяя высококипящую смолу и две фракции: обогащенную толуолом и бензолом. Далее пирогаз на­гнетается в газгольдеры, из которых затем частично расходуется для пи­ролиза. Экономичность процесса достигается за счет энергетического самообеспечения.

Гидролиз (реакция, обратная поликонденсации) используют для расщепления ПЭТФ, полиамидов и вспененных полиуретанов. Измель­ченные отходы обрабатывают перегретым до 300°С водяным паром; глубина протекания реакции зависит от pH среды и используемых ката­лизаторов.

Полученные при гидролизе отходов пластмасс продукты расщепле­ния (многоатомный спирт, диамин, диоксид углерода) могут использо­ваться в качестве сырья для проведения процесса поликонденсации или как добавки к первичному материалу. Примеси, содержащиеся в этих продуктах, не позволяют получать высококачественные полимерные изделия (возможно изготовление литьевых масс, легкоплавких и рас­творимых клеев).

В случаях, когда отходы пластмасс по тем или иным причинам не мо­гут быть переработаны, возможно их энергетическое использование - сжигание с утилизацией образующегося при этом тепла.

Сжигание полимерного топлива осуществляется при температурах не ниже 800 - 900°С.

Возможно сжигание отходов пластмасс в смеси с другими твердыми горючими отходами, в том числе с ТБО (содержание пластмасс в смеси - до 20%).

В Японии разрабатываются технологии производства твердого топлива из смешанных отходов пластмасс (полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.). Сущность технологии заключается в тонком измельчении отходов, их перемешивании, расплавлении и формовании топливных брикетов. Топливо помещают на поддон в камеру сгорания и сжигают его, продувая через камеру воздух.

Необходимо учитывать, что хлорсодержащие пластмассы, напри­мер, ПВХ, при сжигании образуют весьма опасные побочные продукты (полихлордибензодиоксины, полихлордибензофураны, НСl и др.). По­этому необходимо соблюдать соответствующие режимные параметры (подробно рассмотрены выше) и применять эффективную газоочистку.