Анализ состояния вторичной переработки и утилизации полимерных материалов

  Разработанный технологический процесс (рис. 2.1.) вторичной переработки отходов полимерных материалов по непрерывной технологии осуществляется следующим образом: отходы с содержанием посторонних примесей не более 5 % поступают на узел сортировки отходов 1, в процессе которой из них удаляют случайные инородные включения и выбраковывают сильно загрязненные куски. Отходы полимеров 3 непрерывно загружаются через загрузочный бункер, с левой стороны вальцев, на поверхности валков 2. На вальцах происходит плавление отходов, удаление летучих компонентов, пластикация, возможно модифицирование различными добавками и окрашивание расплава. Для гранулирования вальцуемого материала расплав полимера продавливается через отборочно-гранулирующее устройство 4, с образованием прутков (стренгов) заданного поперечного сечения. Полученные стренги сохраняют свой размер за счет установки тянущего устройства 5, далее они режутся ножом 6, после чего полученные гранулы собираются в емкости 7. По данной технологии могут перерабатываться не только технологические отходы производства термопластов, но и пленочные отходы производственного и общественного потребления.

Для обеспечения непрерывной переработки отходов вальцы снабжены загрузочным бункером и отборочно-гранулирующим устройством 5. Отборочно-гранулирующее устройство выполнено двух различных видов.

Нижнее отборочно-гранулирующее устройство показано на рис. 2.2.

   Расплав полимера из зазора между валками поступает в канал плоскощелевого типа между передним валком и башмаком отборочно-гранулирующего устройства, далее расплав продавливается через канал башмака круглого типа, и окончательное оформление заданного поперечного сечения стренга осуществляется в сменной фильере. Фильеры выполнены следующих диаметров: 4 мм, 5 мм, 6 мм.

Боковое отборочно-гранулирующее устройство показано на рис.2.3.

Крышка, шток и демпфирующая пружина обеспечивают необходимое давление прижима башмака к поверхности валка.

2.2 РЕЦИКЛ МАТЕРИАЛОВ

Предприятия, синтезирующие и перерабатывающие пластики, успешно утилизируют их, измельчают (дробят), переплавляют и пускают снова в рецикл или порциями добавляют в исходные материалы, используют в виде смесей (рис. 2.5) [18].

Для уменьшения налипания на внутренние стенки реакторов в процессе полимеризации, избегания трудоемкой чистки и уменьшения промышленных отходов рекомендуют обрабатывать стенки реакторов полианилином, который, обладая высокой адгезией к металлу, исключает прилипание полимеров к стенкам аппарата.

1. Идентификация полимерных отходов [19]:

− с помощью ИК-спектроскопии (получение спектров и сравнение их с известными)

− с помощью ультразвука

Определяет индекс HL по отношению затухания звуковой волны к частоте. УЗ-прибор подключают к компьютеру и устанавливают на технологическую линию утилизации отходов. Например, индекс HLПЭНП 2.003*106 с отклонением 1,0 %, a HLПА-66 – 0,465*106 с отклонением ±1,5%;

− с помощью рентгеновских лучей;

−  лазернониролизной спектроскопией.

В будущем предполагается кодирование полимеров (указание номера кода на донышках изделий или других местах).

Рекомендуют следующую нумерацию: ПЭТФ-1; ПЭВП-2; ПВХ-3; ПЭНП-4; ПП – 5; ПС-6; все остальные – 7.

2.       Устранение неприятного запаха рецикловых полимерных материалов.

Запах проявляется от молочных бидонов, бутылок из-под масел и т.д. и обусловлен образующимися альдегидами: ацетальдегидом, пропаналем, бутаналем, и др. Для его устранения в рециклат необходимо вводить немигрирующий на поверхность изделий полиалкиленимин. При экструдировании такая смесь приобретает стабильность и уже не имеет запаха [19].

В нашей стране разработаны технологические приемы переработки отдельных полимеров в отдельные изделия различного назначения. Например, отходов ПЭ пленки в трубы для сельского хозяйства или во вторичную ПЭ пленку [18] (рис. 2.6). Вышедшая из употребления ПЭ пленка с содержанием посторонних примесей не более 5 % со склада сырья поступает на сортировку 1, в процессе которой из нее удаляют случайные инородные включения и выбраковывают сильно загрязненные куски. Полотнища и куски пленки, прошедшие сортировку, измельчают в ножевых дробилках 2 мокрого или сухого измельчения до получения рыхлой массы с размерами частиц 2…9 мм, подаваемыми затем па отмывку в моечную машину 3. Отмывку ведут в несколько приемов специальными моющими смесями. Отжатую в центрифуге 4 массу с влажностью 10…15 % подают на окончательное обезвоживание в сушильную установку 5, до остаточного содержания влаги 0,2 %.

В экструдерах 6 ПЭ уплотняется, плавится, и формируется в виде жгутов, подаваемых после охлаждения в ваннах в гранулятор 7. Гранулы вторичного ПЭ в смесителе 8 смешиваются с первичным сырьем в соотношении 6:4. При этом в смесь могут быть внесены красители, стабилизаторы. Полученную смесь перерабатывают методом экструзии 9 в пленочном агрегате 10 с получением готовой продукции – вторичной ПЭ пленки.

Технология традиционного материального рецикла не обеспечивает получение рециклатов, сравнимых по качеству с первичными полимерами в основном из-за того, что не может удалить все загрязнения и примеси, особенно внутренние. Необходимо отделение полимеров друг от друга. Например, ГГОХ от ПЭТФ, так как они нeсовместимы даже, если в массе присутствует 1 бутыль из ПВХ на 2000 бутылей ПЭТФ. К тому же при переработке ПВХ выделяется хлор.

3.       Перестабилизация рецикловых полимеров для получения изделий высокого качества.

Для этих целей в рециклат предлагается вводить термо- и светостабилизаторы, так как без них новые изделия стареют и разлагаются значительно быстрее.

Изделия для внутреннего использования стабилизируют термостабилизаторами. Стабилизация ПП позволяет выдерживать температуру 150 С до хрупкого состояния в течение 22 дней, в то время как нестабилизированный сохраняется 16 дней [1].

Отходы ПВХ из оконных прокладок после 15 – 25 лет эксплуатации после стабилизации имеет индекс пожелтения в 2 – 3 раза меньший, чем у нестабилизировашюго полимера.

Для наружного использования (внешнего) осуществляется светостабилизация или фотостабилизация. От этого после 5000 ч. в камере искусственной погоды ударная вязкость снижается с 750 до 300 кДж/м2.

       Осуществление рециклинга полимерных отходов позволит высвободить полезные посевные площади от неконтролируемых свалок и улучшить экологическую обстановку региона.

Однако организация многоступенчатых способов рециклирования требует больших затрат на отбор и сортировку отходов, которые могут быть значительно сокращены при маркировке пластмассовых изделий в процессе их изготовления.

Попавшие в отходы маркированные недеградабельные изделия после вторичной переработки могут быть вновь использованы для изготовления новых изделий, что даст существенную экономию средств.

Наиболее оптимальным решением проблемы предотвращения полимерных свалок является создание экологически чистых биодеградабельных пластмасс, которым, очевидно, принадлежит будущее. Наибольший прогресс в производстве новых биодеградабельных пластмасс произойдет после создания фундаментальной технологии изготовления полимерных материалов с различными свойствами, основные принципы которой разрабатываются в настоящее время крупнейшими лабораториями и фирмами различных стран.

2.3 СЖИГАНИЕ

Сжигать целесообразно только некоторые типы пластмасс, потерявших свои свойства, для получения тепловой энергии. Например, тепловая электростанция в г. Вульвергемтоне (Великобритания) впервые в мире работает не на газе и не на мазуте, а на старых автомобильных покрышках. Осуществить этот уникальный проект, позволяющий обеспечить электроэнергией 25 тыс. жилых домов, помогло английское Управление по утилизации неископаемых видов топлива [20].

Сжигание некоторых видов полимеров сопровождается образованием токсичных газов: хлорида водорода, оксидов азота, аммиака, цианистых соединений и др., что вызывает необходимость мероприятий по защите атмосферного воздуха. Кроме того, экономическая эффективность этого процесса является наименьшей по сравнению с другими процессами утилизации пластмассовых отходов. Тем не менее, сравнительная простота организации сжигания определяет довольно широкое его распространение на практике. Типичная технологическая схема сжигания отходов с использованием трубчатой печи представлена на рис. 2.7.

Отходы из бункера-накопителя 1 грейферным захватом 2 через чагрушчиую воронку 3 и загрузочный бункер 4 попадают во вращающуюся печь 6, пуск в работу которой осуществляется при помощи запального устройства              5.

      Золошлаковые продукты сжигания из печи поступают и сборник шлака 7, где гасятся и далее эвакуируются транспортером 8. Печные газы поступают в камеру дожигания 9, где обезвреживаются при температуре выше 800 С в пламени горелки 10. Дымосомом 12 их затем через охладительные устройства 11 котел-утилизатор, водоподогреватсль и т.п. и выхлопную фубу 13 направляют в атмосферу. Образующуюся золу 14 4…6 % от массы отходов можно использовать в качестве наполнителя при производстве строительных материалов.

2.4 ЛИНИЯ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ПЭТФ БУТЫЛОК ИЗ ПОД НАПИТКОВ В ЧИСТЫЕ ХЛОПЬЯ ПЭТФ

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ 450 – 650 КГ/Ч

Питатель пресс-пакетов 1 емкостью 20 м3. Вмещает примерно два пресс-пакета полимера. По мере продвижения материала в питателе, три вращающихся шнека разделяют спрессованные бутылки и подают их на конвейер предварительной сортировки 2. Конвейер предварительной сортировки 2 изготовлен из резиновой ленты шириной 760 мм, имеет длину приблизительно 4,5 м и высоту 750 мм. Приводится в движение электродвигателем-вариатором мощностью 0,37 кВт.

Система предварительного измельчения ПЕТФ. Состоит из наклонного конвейера 3, шредера с воздуходувкой 4 и первичной системой отсасывания с пылесборником. Бутылки измельчаются в частицы размером около 2,5 см, воздушныи классификатор удаляет этикетки, затем материал подается в флотационную емкость 5.

Флотационная емкость 5 предназначена для удаления полипропиленовых крышечек и прочих загрязнений плотностью ниже 1 г/см3 от ПЭТФ. При загрузке материала в емкость, плавучие частицы перемещаются в одну сторону с помощью крыльчатки. ПЭТФ погружается на дно и выгружается из емкости с другой стороны с помощью специального конвейера 6.

Система сепарации 7  предназначена  для удаления  посторонних  частиц,  образующихся при предварительном измельчении ПЭТФ бутылок. Представляет собой виброэкран. Посторонние частицы сепарируются от ПЭТФ, который подается на систему отмывки и сушки 8.

Система отмывки и сушки 8 представляет собой многоступенчатую систему вращающихся барабанов. Первая ступень предназначена для отмывки, вторая – для промывки, третья – для удаления воды, а четвертая и пятая – для сушки. Моющее устройство снабжено соплами распылителя для удаления пищевых остатков и прочих загрязнений. По мере продвижения материала через барабан, загрязнения отмываются и удаляются вместе с водой. Система водоснабжения представляет собой замкнутый цикл: использованная вода нагревается и очищается при помощи седементации и фильтрования.

Во втором барабане материал промывается свежей водой. В третьем барабане из материала удаляется вода, поступающая в дальнейшем в водяной танк отмывки.

Четвертый и пятый барабаны представляют собой ротационные сушилки. Воздух нагревается четырьмя нагревателями мощностью 30 кВт и циркулирует по системе. Температура воздуха контролируется и регулируется на главной контрольной панели. Защитные элементы предотвращают перегрев при сбое в системе управления.

Загрузочный конвейер 9 представляет собой шнек диаметром 200 мм, который подает полимер в гранулятор 10. Устройство смонтировано на полу. Низкоскоростной мотор-редуктор мощностью 0,55 кВт обеспечивает необходимы вращающий момент.

Гранулятор 10 перерабатывает материал в товарный продукт заданного размера. Гранулятор снабжен электродвигателем мощностью 22 кВт. Наполнительная станция 11 с вторичным отсасывающим устройством и циклоном 12 системы удаления пыли. Содержание влаги в конечном продукте менее 2 %, производительность линии колеблется в зависимости от насыпной плотности и влажности перерабатываемого материала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вторичная переработка (рециклинг) бывших в употреблении пластмасс является важной проблемой для полимерной промышленности. Хотя содержание
пластмассовых изделий в отходах относительно невелико (около 7-8 % по весу),
низкий удельный вес делает эти отходы хорошо заметными (около 18-20 % по
объему). Благодаря высокой стойкости к воздействию окружающей среды данные материалы сохраняются в естественных условиях втечение длительного времени. Однако с точки зрения влияния на окружающую среду утилизация полимерных отходов может рассматриваться как важный экономический фактор, поскольку энергия и материалы поступают в повторное использование. Это позволяет сократить использование естественных ресурсов, снизить выбросы в окружающую среду, уменьшить потребление энергии и, кроме того, даст экономическую выгоду, при этом необходимо, чтобы техника вторичной переработки позволяла получать чистый и дешевый продукт (энергию или материалы).

В мире предлагаются и разрабатываются различные стратегии вторичной переработки. В настоящее время наибольший прогресс достигнут в механической
и химической переработке и в восстановлении энергии, хотя они различаются по
степени распространенности, по своим достоинствам и недостаткам. Механическая переработка с помощью соответствующих установок обеспечивает простое
вторичное использование тех же самых материалов с учетом некоторых потерь
в их свойствах. Восстановление материалов посредством химической переработки выдает продукт в виде мономеров, из которых получается новое полимерное
сырье, а также химические вещества и топливо; однако этот метод требует привлечения значительных ресурсов и специального оборудования. Восстановление
энергии позволяет полностью ликвидировать материал после извлечения его
энергетического содержимого.