Пластмассы
Пластмассовые отходы возникают в промышленности при получении материалов, их переработке, изготовлении полуфабрикатов и изделий, а также в сфере потребления в виде отслуживших свой срок изделий.
Отходы производства: а) применяют в том же самом производственном процессе (это замкнутый оборот материала); б) в другом производственном процессе после соответствующей подготовки; в) вообще не применяют.
Многоразовая переработка ведет к изменению структуры и свойств материала, причем ухудшение свойств является неконтролируемым. Это связано со снижением средней молекулярной массы за счет переработки (при переработке термопласта подвергают воздействию высоких температур, сдвиговых напряжений и окислению; эти условия вызывают механодеструкцию материала). Наряду с молекулярной массой снижаются: прочность при растяжении и изгибе, сопротивление раздиру, относительное удлинение при разрыве, модуль эластичности, ползучести, жесткость, ударная вязкость, теплостойкость, возрастает проницаемость для жидкостей, газов и паров, а стойкость в тех же средах снижается. Поэтому регенераты, как правило, используют для производства изделий с более низкими потребительскими свойствами.
Повторное использование термопластов включает в себя: 1) сбор вторичного пластмассового сырья; 2) переработку термопластичного вторичного сырья; 3) преобразование пластмассового вторичного сырья в химическое сырье.
Основные требования при заготовке отходов из термопластов в сфере производства - обеспечение однотипности и чистоты. Особо важно, чтобы в отходы не попадали металлические включения.
При сборе отходов из термопластов в сфере бытового потребления выделяют два основных способа заготовки: а) выборочный сбор отходов пластмасс; б) выделение отходов пластмасс из бытового мусора. Второй способ заготовки подразумевает дополнительную сепарацию пластмассовых отходов.
Перечень основных операций подготовки отходов термопластов к переработке приведен в табл.4.
Таблица 4. - Операции и методы подготовки термопластов к переработке
|
Цель операции |
Операция |
Метод |
|
Изменение формы и размеров |
Грубое измельчение |
Распиловка (ленточные, дисковые, цепные пилы) |
|
Резание (рычажные, ударные и гидравлические ножницы) |
||
|
Дробление (валковая дробилка) |
||
|
Резание при низких и высоких температурах (ножевые дробилки) |
||
|
Тонкое измельчение |
Тонкое размалывание (ударно-отражательная или дисковая мельницы) |
|
|
Уплотнение |
Спрессовывание (пакетировочные прессы, питательные вальцы), спекание |
|
|
Агломерация (скоростные смесители, дисковые смесители, агломерация горячим паром) |
||
|
Грануляция |
Стренговая |
|
|
Ленточная |
||
|
Горячая обрубка |
||
|
Изменение |
Предварительная очистка |
Промывка (моечные машины) |
|
качества |
||
|
Тонкая очистка |
Промывка ( душевые установки, разбрызгивательные ванны, моечные шнековые машины, гидроциклоны) |
|
|
Сушка |
Центрифугование. Сушка горячим воздухом |
|
|
Отделение металлов |
Магнитное отделение. Индуктивное отделение. Осаждение. Флотация |
|
|
Дегазация |
Вакуумная дегазация |
|
|
Фильтрование |
Фильтрование расплава через сито |
|
|
Смешение Пластикация |
Сухое смешение (силосный смеситель, мешалки) Дозирование Смешение в расплаве (экструдеры, вальцы) Механический разогрев и дополнительный подвод теплоты (вальцы, экструдеры, закрытые смесители) |
|
Преобразование пластмассового вторичного сырья в низкомолекулярное химическое сырье включает в себя пиролиз полимеров, их гидролиз, гликолиз и метанолиз.
Пиролиз - это термическое разложение органических продуктов в присутствии кислорода или без него с целью получения низкомолекулярного химического сырья. При этом могут образовываться газообразные (пиролизный газ), жидкие (пиролизное масло) или твердые (кокс и др.) продукты пиролиза.
Область рабочих температур определяется перерабатываемым продуктом. Например, отходы ПХВ и побочные продукты выше 200 °С отщепляют хлороводород, а выше 400 °С разлагаются на технический углерод и углеводороды. Жидкофазный пиролиз полистирола при температурах выше 350 °С ведет к образованию стирола с большим выходом. Низкомолекулярный полиэтилен пиролизуется при 400 - 450 °С, при этом получают алифатические богатые олефинами масла, и алифатические воски. В табл. 5 приведены примеры низко- и высокотемпературного пиролиза отходов термопластов.
Таблица 5.- Примеры низко- и высокотемпературного пиролиза отходов термопластов
|
Перерабатываемое сырье |
Характеристика технологии и оборудования |
|
Низкомолекулярный полиэтилен, полистирол Бутылки из полистирола Измельченные старые шины Бытовой мусор Старые шины, смеси пластмассовых отходов, отработанный кабель Резиновые отходы, смешанные пластмассовые отходы |
Непрерывнодействующий реактор; 400-500 °С; продукт - горючее масло Реактор с псевдоожиженным слоем; ожиженный слой-песок, поток воздуха; 350-600 °С; продукты - частично окисленные масла Реактор с прямым обогревом и с псевдоожиженным слоем; ожиженный слой - пиролизный технический углерод, горячий воздух; 400-550 °С. продукты - горючее масло, сильно окисленное Барабанный реактор с косвенным обогревом, 400 °С, продукты - чистый пиролизный газ для коммунального газоснабжения, кокс Вращающийся барабанный реактор с косвенным обогревом; 700 °С; атмосфера азота, продукты - пиролизные масла, газ, технический углерод, ZпО Шахтные печи с прямым обогревом и ограниченный подачей кислорода; продукт - пиролизный газ |
Широкое распространение при переработке отходов пластмасс пиролиз нашел в Германии (фирма Ruhrcyemie AG), США (фирмы Procedyne Corp. Hydrocarbon Res. Inc.), Японии ( фирмы Japan Gasoline Co., Kawasaki Heavy Ind. и др.). Например, в городах Гифу и Кусатсу (Япония) в 1972 году внедрен метод двухступенчатого пиролиза. Он позволяет получать высококачественное химическое сырье из отходов. На первой стадии применяют микроволновый реактор-нагреватель, который работает при частоте 2,450 МГц. Диэлектрический разогрев отходов проводят, добавляя твердый NаОН и несколько капель воды к неполярным полимерам или опрыскивая поливинилхлорид и старые шины водным раствором NаОН. На первой стадии происходит дегидрохлорирование и образование соляной кислоты. Вторую стадию расщепления проводят в обогреваемом до 400 - 500 °С в червячном реакторе.
Гидролиз является реакцией, обратной поликонденсации. С его помощью при направленном действии воды по местам соединения компонентов поликонденсаты разрушаются до исходных соединений. Гидролиз происходит под действием экстремальных температур и давлений.
Фирмой Вауеr (Германия) разработан непрерывный способ гидролиза, при котором измельченный пористый материал с помощью дозирующего шнека подается в двухчервячный экструдер. В первой зоне экструдера пористый материал уплотняется, затем из него удаляется по возможности весь воздух. Уплотненный пористый материал в твердом состоянии доуплотняется в реакционной зоне. Температура цилиндра может достигать 300 °С. В реакционную зону под высоким давлением вводится вода, и материал, хорошо смешиваясь с нею, быстро превращается в пасту. Полностью гидролизованный материал при температуре около 200 °С выводится через систему понижения давления. При этом происходит удаление остатков воды. Продолжительность процесса составляет от 5 до 30 мин., производительность установки 150 кг/ч.
По сравнению с гидролизом для расщепления отходов ПЭТФ более экономичен другой способ - гликолиз. Деструкция происходит при высоких температурах и давлении в присутствии этиленгликоля и с участием катализаторов до получения чистого дигликольтерефталата.
В настоящее время все же самым распространенным методом переработки отходов ПЭТФ является их расщепление с помощью метанола – метанолиз. Процесс протекает при температуре выше 150 °С и давлении 1,5 МПа, ускоряется катализаторами. На практике применяют и комбинацию методов гликолиза и метанолиза.
В Японии разработан способ преобразования вспененного полистирола. Полистирол в присутствии никелевого катализатора гидрируется при 350 °С, получается этилбензол, который можно снова использовать для получения стирола.
Отходы реактопластов после измельчения можно в определенных количествах добавлять в формовочные массы без значительного изменения свойств последних.
Для подготовки и смешения отходов реактопластов хорошо себя зарекомендовали установки разработанные фирмами Hull (США) и Meiki (Япония). Бракованные и отслужившие свой срок изделия, облой, литники измельчают в двухмолотковых мельницах. Размолотый материал просеивают, отделяя частицы более 0,5 мм, и в смесительной емкости смешивают со свежим сырьем. Пыль отсасывают. Производительность установок около 50 кг/ч.
При введении в бетон - основной строительный материал - производственных отходов реактопластов получают бетон с повышенными теплоизоляционными свойствами. Добавки в бетон измельченных отходов резины в количестве от 0,5 до 1 % мас. улучшают экплуатационно-технические свойства пустотелых бетонных блоков.
В дорожном строительстве отходы термопластов применяют для модификации битумов. Целесообразно вводить измельченные отходы ПВХ в асфальтовую смесь при ремонте дорожного покрытия, так как это способствует повышению его морозо- и теплостойкости.
В сельском хозяйстве отходы вспененного полистирола применяют для улучшения почвы. Таким образом, на длительное время повышается воздухо- и водопроницаемость тяжелых глинистых почв. При этом также облегчается обработка земли, ускоряется прогрев почвы, улучшается ее структура.
Пластмассы и эластомеры являются высококачественными горючими материалами, которые дают высокую температуру горения.
При сжигании они позволяют сберечь приблизительно равное по массе количество мазута (теплота сгорания обычного бытового мусора составляет 2900 - 8400 кДж/кг; теплота сгорания пластмасс выше более чем в 2 раза). Загружать в сжигательные установки материал следует в размолотом состоянии. При этом образуются отработанные газы с температурой около 1000 °С. Согласно требований охраны окружающей среды дымовые газы, которые могут содержать токсичные компоненты (аммиак, хлор, хлороводород, циановодород, нитрозные газы, сернистый газ), перед выбросом в атмосферу должны быть подвергнуты очистке.
В Чехии разработана установка для сжигания отходов пластмасс и эластомеров, в которой за 1 час сжигается 1 м3 отходов с добавлением 20 кг дизельного топлива.
Заключение по всему курсу
Изучение курса не ставило своей целью получение студентами энциклопедических знаний по технологиям восстановления или по технологиям переработки отходов. Напротив, во главу угла ставилась цель привить студентам навыки творческого мышления путем постановки конкретных задач и совместного поиска путей их решения.
Подводя итог прочитанному материалу, необходимо выделить следующие основные моменты.
Первое. Выбирая тот или иной способ восстановления деталей и материалы, применяемые для этого, следует исходить из конкретных условий эксплуатации: рассмотреть нагрузки, при которых детали работают, воздействие среды, выяснить причины выхода их из строя.
Второе. Выполнение восстановительных работ должно быть предварено оценкой их экономической и технической целесообразности.
Третье. Технология восстановления должна отвечать ряду требований: обеспечивать в максимально возможном объеме возвращение деталям служебных свойств: быть максимально простой в осуществлении; не исключать возможности повторного восстановления; не требовать применения дорогих и дефицитных материалов; не быть энергоемкой; допускать применение средств механизации и автоматизации на всех этапах выполнения; отвечать требованиям техники безопасности и соответствовать природоохранным нормам.
Четвертое. Любая работа имеет технический и экономический результат. Поэтому обязательным моментом, завершающим восстановительные работы, должна стать оценка стойкости отреставрированных деталей, а также экономический эффект от внедрения выбранной технологии.
Подобными критериями следует пользоваться и при организации переработки и повторном использовании материалов, т.е. определить ценность того или иного материала, способ его переработки, затраты, необходимые для превращения отхода в сырье или продукт, оценить технический и экономический эффект от проведенных работ.
