ИССЛЕДОВАНИЕ  УТИЛИЗАЦИИ  ПОЛИМЕРНЫХ  МАТЕРИАЛОВ

Николаева  Наталья  Викторовна

студент  2  курса,  Технология  производства  и  переработки  пластических  масс  и  эластомеров,  Сафоновский  филиал  областного  государственного  бюджетного  образовательного  учреждения  среднего  профессионального  образования  «Смоленский  промышленно-экономический  колледж»,  РФ,  г.  Смоленск

E-mail: 

Бовтунова  Татьяна  Николаевна

научный  руководитель,  преподаватель  спец  дисциплин  Сафоновского  филиала  ОГБОУ  СПО  «Смоленский  промышленно-экономический  колледж»,  РФ,  г.  Смоленск

Важными  видимыми  результатами  природной  деятельности  является  образование  отходов,  среди  которых  отходы  полимерных  материалов  и  они  занимают  ведущее  место,  так  как  имеют  специфические  свойства.

Материалы  из  полимеров  —  вид  синтетических  материалов  с  различными  технологическими,  физическими,  и  эксплуатационными,  и  потребительскими  свойствами.  Мировое  производство  полимерных  материалов  в  настоящее  время  составляет  180  млн.  тонн,  при  этом  в  государствах  Западной  Европы,  в  странах  Азии  и  Океании,  а  так  же  Северной  Америки  выпускается  около  50  млн.  тонн.

Прирост  производства  синтеза  пластмасс  за  последние  10—15  лет  в  Китае,  Пакистане,  Малайзии,  Индии  происходит  намного  быстрее,  чем  в  странах  Северной  Америки  и  Европы.  По  потреблению  пластмасс  на  душу  населения  индустриально-развитые  страны  опережают  намного  развивающиеся  страны.  По  прогнозам  кратность  опережения  и  в  2015  году  сохранится.

Для  полимеров  характерен  сложный  состав,  основной  частью  которого  является  синтетический  полимер,  а  так  же  в  него  входят  различные  добавки,  которые  обеспечивают  различные  потребительские  и  технологические  свойства,  а  именно:  пластичность,  плотность,  долговечность,  звукопоглощение,  тепло  -  или  электропропроводность.

Практически  все  добавки  являются  токсичными  веществами.  На  первый  план  выдвигается  создание  новых  добавок,  по  прогнозу  аналитиков  в  2000  г.  выпуск  вырос  до  7500  т.,  а  к  2013  г  —  достиг  до  10200  т.  Эти  вещества  будут  введены  в  пластики,  а  затем  потребляемые  пластики  обязательно  перейдут  в  отходы.

По  данным  Европейской  статистики  более  трети  объема  производства  полимерных  материалов  используется  на  упаковку  и  тару,  иначе  говоря,  на  изготовление  таких  изделий,  у  которых  потребительская  ценность  задолго  теряется  до  того  времени,  когда  свои  исходные  свойства  полимерный  материал  теряет.  Мониторинг  использования  пластмасс  показал,  что  каждый  год  приблизительно  из  45  млн.  тонн  полимерных  материалов,  расходуемых  странами  Европы,  реальным  вторичным  сырьем  являются  около  25  млн.  тонн,  которое  подлежит  возврату  в  технологическую  переработку.  На  упаковку  пищевых  продуктов  расходуется  47  %  из  этого  количества  пластиков.  Использование  пластических  масс  при  изготовлении  упаковки  являются  высокая  эстетика  и  низкая  цена,  удобство  и  безопасность.  Высокую  популярность  пластмасс  объясняет  набор  ценнейших  служебных  свойств,  которые  достигнуты  в  результате  оптимизации  условий  синтеза.  Важным  конкурентом  стеклу,  керамике,  металлу  представляет  упаковка  из  пластиков,  т.  к.  при  изготовлении  стеклянных  бутылей  потребуется  на  21  %  энергии  больше,  чем  на  бутыли  из  полимеров.

Увеличение  областей  применения  пластмасс  во  многих  отраслях  промышленности  и  расширение  развития  производства  тары  и  упаковки  из  полимеров  вместе  с  положительными  результатами  создало  и  проблему  утилизации  отходов  полимерного  сырья.  Решение  проблем  утилизации  отходов  потребовало  совершенствования  и  разработки  новых  научно  и  экологически  обоснованных  технологических  решений.

Вследствие  того,  что  мировое  производство  полимеров  в  начале  3-его  тысячелетия  по  объему  превысило  такие  традиционные  отрасли,  как  цветная  и  черная  металлургия,  появилась  еще  очень  важная  экологическая  проблема,  которая  неразрывно  связана  с  полимерными  технологиями  —  это  защита  окружающей  среды.

Переработка  отходов  полимеров

Для  полимерной  промышленности  важной  проблемой  является  вторичная  переработка  бывших  в  употреблении  полимерных  материалов.  В  связи  с  расширением  ассортимента  возвращаемых  в  технический  оборот  отходов  из  пластиков  и  разновидностями  отработавших  свой  срок  эксплуатации  изделий,  привели  к  необходимости  разработки  новых  технологических  решений,  которые  позволяют  восстановить  свойства  деструктированных  полимеров.  В  итоге  образовалось  перспективное  направление  —  рецеклирование  полимеров,  которое  позволяет  разрабатывать  комбинированные  специфические  технологические  процессы.

Утилизация  полимерных  отходов  с  точки  зрения  воздействия  на  окружающую  среду  может  рассматриваться  как  серьезный  экономический  фактор,  так  как  в  повторное  использование  поступают  материалы  и  энергия.  В  настоящее  время  проблема  переработки  отходов  полимерных  материалов  приобретает  актуальное  значение  не  только  со  стороны  охраны  окружающей  среды,  но  еще  и  с  тем,  что  в  условиях  дефицита  полимерного  сырья  пластмассовые  отходы  становятся  большим  сырьевым  и  энергетическим  ресурсом.  При  использовании  отходов  полимеров  можно  в  большинстве  случаев  экономить  первичное  сырье  и  электроэнергию.  Утилизация  полимерных  отходов  связана  с  рядом  проблем,  которые  имеют  свою  специфику. 

В  настоящее  время  в  мире  разрабатываются  и  предлагаются  разнообразные  методы  вторичной  переработки.  Существенный  прогресс  достигнут  в  химической  и  механической  переработке  и  в  выделении  энергии,  но  эти  методы  отличаются  по  своим  недостаткам  и  достоинствам  и  по  степени  распространенности.

Классификация  вторичных  отходов  пластических  масс:

1.   Вторичные  отходы  производства,  которые  образуются  при  производстве  и  переработке  термопластичных  материалов.  Эти  отходы  делятся  на  устранимые  и  неустранимые  вторичные  отходы.  Обрезки,  литники,  кромки,  облой,  высечки  относятся  к  неустранимым  технологическим  отходам.  При  производстве  и  переработке  неустранимых  отходов  полимеров  образуется  от  5  до  35  %.  Высококачественное  сырье,  относящееся  к  неустранимым  отходам,  не  отличается  от  исходного  первичного  полимера  по  своим  свойствам.  Переработка  такого  сырья  в  изделия  может  изготавливаться  на  том  же  предприятии,  так  как  не  требует  специального  оборудования.  Образование  устранимых  технологических  отходов  производства  (технологический  брак)  происходит,  если  не  соблюдаются  режимы  синтеза  и  переработки  полимерных  материалов.  Из  вторичных  отходов  производства  изготавливаются  различные  изделия,  а  также  их  используют  в  качестве  добавки  к  исходному  сырью.

2.   Отходы,  которые  накапливаются  в  результате  деструкции  изделий  из  полимерных  материалов,  используемых  в  разнообразных  отраслях  народного  хозяйства  (тара  и  упаковка,  детали  машин,  использованные  шины,  мешки  из-под  удобрений,  отходы  сельскохозяйственной  пленки).  Эти  отходы  представляют  собой  более  однородные,  малозагрязненные  массы  и  поэтому  имеют  наибольший  интерес  с  точки  зрения  их  повторной  переработки;

3.   Отходы  в  процессе  бытового  потребления,  которые  попадают  на  городские  свалки;  и  в  последствии  становятся  смешанными  отходами.

Процесс  переработки  смешанных  отходов  связан  с  большими  трудностями.  Основная  причина  заключается  в  несовместимости  термопластичных  материалов,  входящих  в  состав  бытового  мусора,  что  требует  их  фракционного  выделения.  Сбор  утилизированных  изделий  из  пластмасс  у  населения  является  очень  сложным  мероприятием,  т.  к.  это  процесс  трудно  организовать  и  пока  еще  не  налажен  в  нашей  стране.  Огромное  количество  отходов  уничтожают  сжиганием  или  захоронением  в  почву.  Уничтожение  отходов  сложно  технически  и  экономически  невыгодно.  Затопление,  захоронение,  сжигание  отходов  из  полимеров  ведет  к  загрязнению  окружающей  среды,  организации  свалок,  что  приводит  к  сокращению  земельных  угодий.  Но  эти  способы  остаются  достаточно  широко  распространенными  способами  уничтожения  отходов  из  полимерных  материалов.  Для  получения  пара  и  электроэнергии  используют  тепло,  выделяется  при  сжигании  полимерных  материалов.  Однако,  калорийность  сжигаемого  сырья  мала,  и  установки,  в  которых  производят  сжигание,  являются  малоэффективными  с  экономической  точки  зрения.  Кроме  того,  в  результате  процесса  сжигания  происходит  выделение  токсичных  газов,  образуется  сажа,  так  как  идет  неполное  сгорание  полимерных  продуктов,  и  воздушные  и  водные  бассейны  повторно  загрязняются,  а  за  счет  сильной  коррозии  происходит  быстрый  износ  печей.

Работы  по  созданию  био-,  фото-  и  водоразрушаемых  полимеров  интенсивно  начали  развиваться  в  начале  1970-х  годов  прошлого  века.  Синтез  деструктированных  полимерных  материалов  произвел  огромную  сенсацию,  поэтому  способ  переработки,  бывших  в  употреблении  биополимеров,  рассматривался,  как  самый  лучший.  Дальнейшие  исследования  в  этом  направлении  показали,  что  в  таких  изделиях  сочетать  красивый  товарный  внешний  вид,  высокие  физико-механические  характеристики,  низкую  стоимость  и  способность  к  быстрому  разрушению  очень  трудно.

Исследования  в  области  отходов  полимеров  в  последние  годы  значительно  сократились,  материальные  затраты  на  производство  таких  полимеров,  значительно  выше,  чем  при  получении  обычных  пластических  масс,  поэтому  является  экономически  невыгоден  такой  способ  уничтожения.

Важным  способом  использования  отходов  пластмасс  является  их  повторное  использование  —  утилизация.  Затраты  капитальные  и  эксплуатационные  по  основным  способам  утилизации  отходов  меньше,  чем  затраты  на  их  уничтожение.  Положительной  стороной  утилизации  является  получение  дополнительного  количества  полезных  продуктов  для  различных  отраслей  народного  хозяйства  и  экологическая  проблема  минимальна.

К  основным  способам  утилизации  отходов  пластических  масс  относятся:

а.   пиролиз  полимера;

б.  получение  исходных  низкомолекулярных  продуктов  (олигомеров,  мономеров);

в.   вторичная  переработка  отходов.

Процесс  пиролиза  —  это  термическое  разложение  органических  продуктов  в  присутствии  кислорода  или  без  его  участия.  Этот  процесс  переработки  полимерных  отходов  способствует  получить  высококалорийное  топливо,  полуфабрикаты  и  сырье,  используемые  в  различных  технологических  процессах  и  мономеры,  необходимые  для  синтеза  высокомолекулярных  соединений.

Газообразные  продукты  термического  разложения  пластмасс  могут  использоваться  в  качестве  топлива  для  получения  рабочего  водяного  пара.  Жидкие  продукты  используются  для  получения  теплоносителей.  Спектр  применения  твердых  (воскообразных)  продуктов  пиролиза  отходов  пластмасс  очень  разнообразен.  Это  компоненты  различного  рода  защитных  составов,  пропиточных  материалов,  эмульсий,  смазок. 

Разработаны  также  процессы  каталитического  гидрокрекинга  для  превращения  полимерных  отходов  в  бензин  и  топливные  масла.  Многие  полимеры  в  результате  обратимости  реакции  образования  могут  снова  разлагаться  до  исходных  веществ.  Способы  расщепления  полиэтилентерефталата,  вспененных  полиуретанов  и  полиамидов  имеют  значение  и  для  практического  использования.  Продукты  расщепления  используют  снова  в  качестве  сырья  для  проведения  процесса  поликонденсации  или  как  добавки  к  первичному  материалу.  Имеющиеся  в  этих  продуктах  примеси,  часто  не  позволяют  получать  высококачественные  полимерные  изделия,  такие  как,  волокна,  но  чистота  их  достаточна  для  изготовления  легкоплавких  и  растворимых  клеев,  литьевых  масс.

Процесс  гидролиза  является  реакцией,  обратной  поликонденсации.  Продукты  поликонденсации  разрушаются  до  исходных  соединений  с  помощью  гидролиза  при  направленном  действии  воды  к  местам  соединения  компонентов.  Используемые  катализаторы  и  pH  среды  влияют  на  глубину  протекания  реакции.

Энергетически  более  выгоден  гидролиз  использования  отходов,  чем  пиролиз,  так  как  в  оборот  возвращаются  высококачественные  химические  компоненты.  Для  расщепления  отходов  полиэтилентерефталата  по  сравнению  с  гидролизом  более  экономичен  другой  способ  —  гликолиз.  При  высоких  температурах  и  давлении  в  присутствии  двухатомного  спирта-этиленгликоля  и  с  участием  катализаторов  происходит  разрушение  до  получения  чистого  дигликольтерефталата.  Самым  распространенным  термическим  методом  переработки  отходов  полиэтилентерефталата  является  их  расщепление  с  помощью  одноатомного  метилового  спирта  —  метанолиз.  Этот  процесс  протекает  при  определенных  условиях:  температуре  выше  150⁰С  и  давлении  1,5  МПа,  и  ускоряется  катализаторами  реакции  переэтерификации.  Данный  метод  достаточно  экономичен.  В  производственной  практике  применяют  и  комбинацию  методов  гликолиза  и  метанолиза.

Наиболее  приемлемым  для  отечественной  практики  является  вторичная  переработка  отходов  полимерных  материалов  механическим  рециклингом.  Этот  способ  переработки  не  требует  дорогого  специального  оборудования  и  может  быть  использован  в  любом  месте  накопления  отходов.

Список  литературы:

1. Клинков  А.С.,  Беляев  П.С.,  Соколов  М.В.  Утилизация  и  вторичная  переработка  полимерных  материалов.  Из-воТГТУ,  Тамбов,  2005.
2. Крыжановский  В.К.  Технология  полимерных  материалов.  СПб:  Профессия,  2008.
3. Ф.  Ла  Мантия  (ред.);  пер.с  англ.  под  ред.  Заикова  Г.Е.  Вторичная  переработка  пластмасс.  СПб:  Профессия,  2007.