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.

В общем виде последовательность операций при переработке отходов пластмасс с целью их повторного использования представ­лена на рис. 11.1.

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.

Таблица 11.1

Полимер Поведение при горении Запах при горении
Полиэтилен, полипропилен Горит голубым пламенем с желтой вер­хушкой, мало дыма, капли расплава Горящего парафина
Поливинил — ацетат 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
Полиметил — метакрилат Горит с потрескиванием синим пламе­нем, коптит Цветочно-плодовый
Полиамид Горит голубым пламенем с белой вер­хушкой Жженой кости
Целлюлоза Горит желтым пламенем, слабо коптит Жженой бумаги
Полиэтилен — терефталат 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 формальде­гида
Поливинил — хлорид Горит зеленым с голубой верхушкой пла­менем, при выносе из пламени затухает Резкий

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.
Особенности горения полимеров
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.

Таблица 11.2

Характеристики роторных измельчителей пластмасс

Показатели Марка гранулятора
ИПР-100 ИПР-150 ИПР-300 ИПР-450
Производительность, кг/ч 25-60 50- 150 150 — 300 200 — 1500
Диаметр ротора, мм 100 150 300 450
Скорость вращения ротора, мин»‘ 1500 1300 700 700
Число ножей ротора, шт. 3 3 9 15
Число неподвижных ножей. 2 2 2 3
Зазоры между ножами, мм 0,1 0,1 0,1 — 0,2 0,2 — 0,4
Мощность электропривода, кВт 1.0 1.6 18,5 27,5
Размеры загрузочного уст­ройства, мм 100×50 150*75 300×150 400*200
Габариты, мм 520×460* х1015 740*600* х1388 1380×1100* х1940 1885х1600х х2285
Масса, кг 80 353 1215 2800

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).

Содержимое главной страницы