Переработка полимерных отходов

В современных условиях в связи с резким усилением техногенного воздействия человека на окружающую среду во многих странах мира разрабатываются комплексные программы, включающие необходимые мероприятия для охраны и научно обоснованного рационального использования земли, водных ресурсов и пр. Одной из основных задач является снижение количества полимерных отходов[1].

В последнее время во всем мире наблюдается рост производства полимеров. Например, ежегодно различными отраслями промышленности потребляется более 150 млн т пластических масс, из них -85% термопластов и 15% термореактивных полимеров. По некоторым данным, в последнее время в развитых странах потребление пластиков возросло до 1 т/год на человека. В этих условиях с каждым годом обостряется проблема утилизации и повторного использования отходов полимеров [2].

Промышленные синтетические полимеры являются весьма устойчивыми химическими соединениями. Многие из них, такие, как полиэтилен, способны выдерживать воздействие солнечного излучения и кислорода воздуха в совокупности с воздействием тепла и влаги в природных условиях в течение десятков лет без заметного химического разрушения. Другие, например полипропилен, подвергаются разрушению. Тем не менее фрагменты изделий из этого полимера также сохраняются в окружающей среде и загрязняют ее в течение многих лет [3].

Твердые отходы полимеров обычно разделяют на отходы производства и отходы потребления.

Производство полимерного сырья сопровождается образованием твердых технологических отходов в виде различных слитков, глыб, бракованных волокон и др. Использование технологических отходов целесообразно, прежде всего, на обрабатывающих предприятиях, так как они обычно не требуют облагораживания и специального оборудования для переработки в изделия. Такие отходы перерабатывают преимущественно по двум направлениям: 1) с целью производства того же продукта, в процессе изготовления которого образовался данный вид отходов, или продукта аналогичной рецептуры и 2) для изготовления изделий менее ответственного назначения. Большую проблему представляют обезвреживание и использование отходов массового

потребления полимеров, увеличивающихся из года в год [4]. Если в 80-х годах прошлого столетия их в основном утилизировали на свалках и сжигали вместе с твердыми бытовыми отходами (ТБО) и другими отходами, то в последние десятилетия наблюдается увеличение доли рециклинга.

Мощными стимуляторами развития системы рециклинга пластмасс стали законодательные акты и экономические механизмы, принятые в развитых странах. Во многом этому способствовали данные научных исследований, в соответствии с которыми при сжигании пластмасс в окружающую среду выделяются высокотоксичные соединения, в т. ч. тяжелые металлы. При захоронениях отходов пластмасс на полигонах ТБО (свалках) также не исключено выщелачивание токсичных компонентов из них в водные среды [2].

Целью данной работы является разработка технологии переработки полимерных отходов.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

- рассмотрение технологий изготовления полимерных отходов;

- анализ направлений утилизации твердых отходов;

-разработка технологической схемы;

-расчет и подбор оборудования.

Можно выделить следующие направления утилизации твердых отходов пластмасс:

— вторичная переработка, состоящая в превращении отходов во вторичные продукты (изделия) без изменения химического состава исходных полимеров или путем химической или термической деструкции, а также химической модификации;

— ликвидация твердых полимерных отходов путем их сжигания и саморазложения под действием микроорганизмов (биодеградация), ультрафиолетового излучения (фотодеградация), воды (гидродеградация).

Представлялось целесообразным обобщить сведения о различных современных методах переработки твердых отходов пластмасс по данным научно-технической литературы и выявить их преимущества и недостатки.

Вторичная переработка полимеров (рециклинг) — одно из направлений утилизации отходов, образующихся при производстве, переработке и применении различных полимерных материалов[5]. 

В целом можно выделить 2 способа нового применения вторичного полимерного сырья:

— недеструктивная утилизация — непосредственная переработка уже использованных ранее полимеров после их очистки и гранулирования (механическая переработка) или повторное использование полимера после его химической модификации;

— деструктивная утилизация — деградация (деление) макрочастиц на фракции с меньшей массой частиц или на мономеры [7].

Особенность механических методов — переработка без существенных изменений химической структуры полимера. Конечный продукт механической переработки отходов пластмасс — получение гранул (или измельченного до определенного размера частиц) [8, 9]. Процесс получения гранулированного материала, как правило, сопровождается введением добавок: модификаторов, стабилизаторов, пигментов и красителей [2, 10].

Перспективные технологические процессы для подготовки и переработки вторичных полимерных материалов предусматривают в основном переработку материалов в поле механических напряжений в расплаве и твердой фазе. Упругодеформационное (экструзионное) измельчение полимерных материалов основано на воздействии комплекса явлений при пластическом течении полимеров в сложнонапряженном состоянии (при сочетании давления со сдвигом). Технология измельчения вторичного сырья использует два физических принципа: ударное воздействие и резание. Новый физический принцип дробления заключается в «накачивании» упругой энергии в материал под действием высокого давления. При деформации сдвига эта энергия расходуется на образование новых поверхностей. Процесс сравнительно легко реализуется в экструдерах. В определенном температурно-силовом режиме исходное сырье, загружаемое в шнековую машину в виде кусков, крошки, гранул и лент, выходит из головки в виде высокодисперсного порошка («муки») с частицами размером 10−600 мкм. Охлаждение узкой зоны измельчения до температуры на 5−10 °С ниже температуры перехода полимера (особенно полиэтилена высокого давления) в вязкотекучее состояние обеспечивает хрупкое разрушение материала при сравнительно низких энергозатратах (в 8−10 раз ниже, чем на обычных измельчителях). В настоящее время на экструзионных агрегатах получены резиновая мука, порошкообразные термопласты, каучуки, целлюлоза и другие ценные продукты. Метод измельчения универсален, технологически прост, пригоден для переработки сшитых материалов, характеризуется низкой энергоемкостью [11].

Весьма перспективно, с экономической точки зрения, использование вторичных полимеров для получения твердофазных смесей. Твердофазное смешение и совмещение полимеров осуществляется в твердом состоянии при одновременном воздействии высокого давления и деформации сдвига. После такой обработки смесь полимеров приобретает одну общую температуру стеклования и представляет собой твердый раствор, который при нормальной температуре устойчив в течение неограниченного времени, но распадается при переходе в расплавленное состояние. Стабильность гомогенной смеси, полученной при таком твердофазном смешении, повышается при введении в нее третьего компонента — твердого мономера, который полимеризуется при деформации сдвига и препятствует гетерогенизации системы. Типичным примером является тройная смесь полиэтилен + полипропилен + акриламид [12].

Технологический процесс переработки включает контроль качества исходного материала или его компонентов, подготовительных операции, в ряде случаев формирование заготовки изделия, собственно формование изделия, последующие механические и различного рода обработки, обеспечивающие улучшение или стабилизацию свойств материала или изделия, нанесение покрытий на изделие, контроль качества готового изделия и его упаковку. Основные параметры процессов переработки - температура, давление и время. Нагревание полимерных материалов приводит к увеличению податливости материала при формовании путем перевода его в вязкотекучее или эластическое состояние, к ускорению диффузионных и релаксационных процессов, а для реактопластов - к последующему отверждению материала. Давление обеспечивает уплотнение материала и создание изделий требуемой конфигурации, оказывает сопротивление внутренним силам, возникающим в материале при формовании вследствие температурных градиентов и градиентов фазовых переходов, способствует выделению летучих продуктов. Временные параметры процесса переработки выбираются с учетом протекающих в материале физических  и химических процессов. Оптимальные параметры рассчитывают или выбирают по результатам анализа технологических свойств полуфабрикатов и изделий, физические модели формования с учетом накопленного статистического опыта. Переработка термопластов основана на их способности при нагревании выше температуры стеклования переходить в эластическое, а выше температуры текучести и температуры плавления - в вязкотекучее состояние и затвердевать при охлаждении ниже температуры стеклования и температуры плавления. При переработке резиновых смесей происходит химическое взаимодействие между молекулами (соответственно отверждение и вулканизация) с образованием нового, высокомолекулярного материала, находящегося в термостабильном состоянии и практически не обладающего растворимостью и плавкостью. В некоторых случаях (главным образом при переработке резиновых смесей) для облегчения смешения с ингредиентами и дальнейшего формования изделий проводят предварительную пластикацию полимеров. Деформирование полимерных материалов в эластическом состоянии и при течении расплава сопровождается ориентацией макромолекул и надмолекулярных образований, а после прекращения деформирования полимерных материалов и течения расплава идет обратный процесс-дезориентация. Степень сохранения ориентации в материале изделия зависит от скоростей протекания обоих процессов. В направлении ориентации некоторые физико-механические характеристики материала (прочность, теплопроводность) возрастают; при этом структура материала оказывается неравновесной и напряженной, что приводит к снижению формоустойчивости изделия, особенно при повышенной температуре. Длительное воздействие повышенной температуры, а в случае реактопластов и значительное выделение теплоты, сопровождающее отверждение, может приводить к термоокислительной деструкции материала, а большие скорости течения материала – к его механодеструкции. Отверждение ряда реактопластов по реакции поликонденсации сопровождается выделением низкомолекулярных продуктов, вызывающих образование вздутий и трещин в изготовляемых деталях. Охлаждение кристаллизующихся полимерных материалов сопровождается образованием кристаллов. Скорость роста, размеры и структура которых зависят от интенсивности охлаждения материала. Регулируя степень кристалличности и морфологию кристаллов, можно направленно изменять эксплуатационные характеристики изделия. 

Вся невероятность и уникальность технологии переработки полимерных материалов в полимерпесчаную черепицу в том, что сырьё, используемое при производстве полимерпесчаной черепицы - это полимерные отходы в различных видах: упаковка, пластиковая тара, пришедшие в негодность изделия быта. Недостатка в сырье не предвидится, а наоборот, объёмы полимерных отходов будут только расти, а потребность в строительных материалах только увеличится. Конечно, существуют эффективные технологии их переработки, позволяющие использовать полимеры повторно. Как правило, требуется тщательная сортировка отходов пластмасс, их отмывка, сушка. Это дорогие и трудоёмкие процессы. Да и качество переработанного сырья низкое, и не позволяет использовать его на 100% взамен исходного.

Предлагаемая технология производства полимернопесчаной черепицы из полимерных отходов не предполагает очистку и глубокую сортировку сырья. Предлагается лишь придерживаться соотношения 40-50/60-50 так называемых мягких (полиэтилены) и жёстких (полипропилены, полистиролы, АБС пластики, ПЭТ и пр.) полимеров. В таком примерно соотношении отходы и находятся на свалках. не подходят тугоплавкие полимеры (поликарбонаты, фторопласты) и резины. Легкоплавкие, типа ПВХ, могут частично выгорать, но на качество полимерпесчаной черепицы это не влияет. Также выгорают примеси (бумага, пищевые отходы), испаряется влага.

Кроме отходов полимеров в производстве черепицы требуется песок. Он используется как наполнитель и должен быть сухим, просеянным без глинистых и пылевидных включений. Не имеет значения, какого цвета песок и происхождения. Допустимая фракция песка до 3х мм. Может и использоваться другой наполнитель, более доступный в выбранной местности, но прежде промышленного его использования необходимо исследовать его влияние на качество продукции. Таким образом, эта невероятная новая технология получения стройматериалов из бесплатного сырья.

Широкое применение полимерного сырья в различных отраслях народного хозяйства явилось причиной появления большого количества отходов, представляющих угрозу экологической обстановке. В рамках решения этой проблемы предпринимаются попытки их переработки в строительные звукоизоляционные композиты. Сочетание различных полимеров и вспенивающих добавок приводит к созданию вспененного материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого отдельного компонента.

Преимущества вспененного полимерного композита - пористого материала, заключается в уникальном сочетании звукоизоляционных и конструктивных свойств, и ставят его в ряд с долговечными строительными звукоизоляционными материалами. Причинами того, что промышленное производство пеноматериалов из вторичных полимеров до сих пор недооценено и не получило широкого применения в практике строительства, являются не эксплуатационные его характеристики, а технологические особенности переработки вторичных полимеров. Технология переработки полимерных отходов всегда была и остается достаточно сложной и дорогостоящей задачей по сравнению с другими материалами.

Полимеры – это материалы, которые состоят из молекул с высокой молекулярной массой. Уникальные свойства полимерных материалов и многообразие методов их переработки объясняется их молекулярной структурой.

Легкость с которой пластмассы перерабатываются и с которой отдельные части единым целым, а также большая прочность при малом весе, делают этот материал наиболее привлекательным.

При создании новых химических производств и реконструкции действующих предприятий серьезное значение имеет охрана окружающей среды и создание замкнутых энерготехнологических процессов.

Целью данной работы являлось рассмотрение технологий и методов переработки полимерных отходов. Для достижения данной цели были рассмотрены технологии изготовления полимерных отходов и методы направлений утилизации твердых отходов.

В курсовой работе рассмотрены различные приемы и методы переработки полимерных отходов.  Методов в настоящее время большое количество. Комплексный подход предполагает комплексную переработку сырьевых ресурсов и анализ химического производства как большой системы. Комплексная переработка сырья определяется спецификой сырьевых ресурсов, возможностью направленной их переработки и создания по существу замкнутых технологических циклов с использованием вторичных материальных ресурсов.

Особое внимание в работе заслужили саморазлагающиеся полимеры. В настоящее время уже существует их большое количество и постоянно ведется работа по их усовершенствовании.

Перспективным, но пока еще не нашедшим значительного применения методом утилизации полимерных материалов является их химическая модификация

Химическое производство рассматривается как большая система, которая декомпозируется на подсистемы вплоть до рассмотрения с системных позиций отдельных типовых процессов химической технологии. При рассмотрении отдельных типовых процессов в аспекте создания безотходных производств, определяющим параметром является время завершения процесса, необходимое для достижения заданных характеристик.

Переработка полимерных отходов в  настоящее время представляет пути создания технологических схем, исключающих вредные выбросы в окружающую среду и приводящие к экономии энергии. В настоящее время при любых производствах должны быть схемы, предусматривающие защиту окружающей среды. Это же выполняется и при переработке полимерных отходов.