1. Переработка отходов термопластов. Источник отходов пластмасс
Производство пластических масс является одной из наиболее быстроразвивающихся областей промышленности. В связи с непрерывным возрастаниемобъема производства и потребления пластмасс увеличивается и количество ихотходов. По источникам образования отходы можно разделить на две большиегруппы: отходы производства и отходы потребления.
В первую группу входят отходы, образующиеся при производстве и переработкеполимеров: слитки и куски полимеров, литники, обрезки, дефектные изделия. Отходыпереработки термопластов полностью используются как вторичное полимерное сырье.Образующиеся при синтезе полимеров небольшие слитки также перерабатываются вовторичные материалы; в ближайшее время намечается организовать переработку икрупногабаритных слитков.
Во вторую группу входят отходы потребления, которые в свою очередьподразделяются на технические отходы (отходы промышленного потребления) ибытовые отходы (отходы бытового потребления). К отходам технического назначенияотносятся детали, утратившие в процессе эксплуатации первоначальные показателисвойств: шестерни, втулки, рычаги, радиотехнические изделия, изоляция проводов,теплоизоляция, строительные погонажные изделия и т. д. Бытовые отходыпредставляют собой изношенные изделия, утратившие потребительские свойства:тара и упаковка, пленка, детали мебели и т. п. Иногда очень трудно установитьпринадлежности изношенного изделия к тому или иному виду отходов. Отходытехнического назначения состоят из самых разнообразных термопластов, в бытовых отходахпреобладают полиолефины (55—62%). стирольные пластики (18—28%) иполивинилхлорид (6—11%).
Использование отходов термопластов, образующихся при их переработке визделия, не представляет особых затруднений. Другое дело переработка бытовыхотходов. В этом случае трудности возникают при организации сбора и присортировке отходов по видам пластмасс. Поэтому трудоемкость переработки бытовыхотходов не всегда окупается и часто их сжигают с утилизацией тепла.
2. Технология переработки отходов
Общая технологическая схема переработки отходов.
Переработка отходов пластмасс может осуществляться различными методами. Нообщая схема их переработки включает следующие операции: предварительнуюсортировку и очистку отходов, измельчение, отмывку и сепарацию, классификациюотходов по видам пластмасс, сушку, грануляцию, переработку гранулята в изделие.
Загрязненные отходы, которые могут содержать резину, металлы, стекло идругие материалы, с помощью конвейера / подаются на дробилку предварительногоизмельчения 2. Измельченные отходы промываются и пневмотранспортом направляются ввоздушный разделитель 3,в котором отделяются тяжелые металлы. Далее отходыдополнительно измельчаются во второй дробилке и проходят через магнитныйсепаратор 4 для удаления оставшихся металлов. Затем измельченные отходы еще разпромывают водой и сушат в центробежной сушилке 7.Высушенные отходы перемешивают в турбинной мельнице 8 для предотвращениякомкования и подают в экструдер 9,в котором с помощью таблетирующего устройства 10 материал превращаетсяв таблетки. Получение вторичных полимеров по данной схеме является трудоемким идорогостоящим процессом, который не получил большого распространения. Восновном он применяется для переработки бытовых отходов.
/>
Общая технологическая схема переработкиотходов:
Переработка отходов измельчением и экструзией.
При измельчении отходы термопластов—литники, кромки листов, отходывакуумформовочных производств, дефектные изделия и другие поступают в дробилки,где измельчаются и крошку с размером частиц около 2 мм. Наиболее распространенным типомоборудования для дробления являются измельчители ножевого типа, в которыхизмельчение происходит в уз ком зазоре (0,1—0,5 мм) между неподвижными ножами,закрепленными внутри статора, и ножами, установленными на вращающемся роторе. Втабл. 8.1 приведены технические характеристики некоторых типов измельчителейпластмасс.
Для дробления хрупких материалов (полистирол, многие реактопласты)эффективны измельчители, конструкция которых основана на ударном,ударно-режущем или ударно-импульсном действии. Промышленностью выпускаютсяуниверсальные дезинтеграторы-активаторы, в которых благодаря высокой скоростиудара (до 310 м/с) и многорядности расположения ударных элементов достигаетсявысокая производительность при измельчении полимеров — от 20 кг/ч до 50 т/ч.
Для измельчения вязкоупругих полимеров, таких, как поли амиды,термопластичные полиуретаны, фторопласты, и других в последнее время все большееприменение находят измельчители, снабженные установками для глубокогоохлаждения материала—до температур ниже температуры хрупкости измельчаемыхполимеров. В качестве охлаждающего агента используется жидкий азот стемпературой —196 °С, что ниже температуры хрупкости большинства полимерныхматериалов.
Измельчение при пониженных температурах имеет рядпреимуществ: благодаря охлаждению и инертной среде исключается термодеструкция полимера,предотвращается окисления продукта, резко возрастает степень измельчения, повышаетсяпроизводительность процесса и снижаются удельные энергозатраты.
Полученная на измельчителях крошка поступает на переработкув изделия, чаще всего в виде смеси со свежим материалом.
/>
Технологическая схема переработкиотходов методом экструзии:
1— измельчитель; 2 —бункер; 3 — магнитный желоб; 4-экструдер; 5 охлаждающаяванна; 6— гранулятор
Широко применяется также экструзионный метод переработки отходов. Отходыпоступают в дробилку 1 из которой крошка пневмотранспортом подается вбункер-смеситель 2. Далее, пройдя магнитный желоб 3для отделения металлических примесей, измельченныйматериал поступает в бункер экструдера 4.Экструдат в виде жгута или ленты после охлаждения вванне 5 режется в грануляторе 6на гранулы.
Установки для переработки отходов экструзионным методом,например линия ЛГВТ9Х120, имеет производительность до 200 кг/ч.
При измельчении пленочных отходов, обрезков пенопластов, имеющих низкуюнасыпную плотность, их предварительно уплотняют. Для этой цели применяются,например, дисковые уплотнители, представляющие собой грануляторы с фрикционнымидисками, один из которых вращается, а другой установлен неподвижно. Спекание иуплотнение отходов происходят за счет теплоты трения, выделяющейся при вращениидиска. После спекания полученная масса в виде жгута с потоком холодного воздухаподается в ножевую дробилку.
Для переработки отходов полиэтиленовой пленки применяется комплекснаялиния производительностью П5 кг/ч, в состав которой входят узлы измельченияотходов, их уплотнения и последующей грануляции.
/>
Технологическая схема переработки от.ходонполиэтиленовой пленки; 1 — гранулятор; 2— охлаждающая ванна, 3 — экструдер:4 —клинкер;5 — измельчитель отходов
Измельчение осуществляется в ножевойроторной дробилке с трехсекционным ротором, после чего измельченные отходыпневмотранспортером через дозирующий питатель подаются в уплотняющийконусно-шнековый экструдер с гранулирующей головкой и далее после охлаждениярежутся на гранулы размером 3X4 мм.
Переработка отходов вальцово-каландровымметодом.
Этим способом перерабатывают отходы термопластов без их предварительногоразделения. Метод заключается в вальцевании и каландровании материала иполучении плит и листов, которые могут быть использованы для изготовлениялинолеума, тары, мебели. Хорошие пластикация и гомогенизация материалаобеспечивают получение изделий с достаточно высокими прочностными показателями.В качестве примера можно привести переработку отходов производства шлангов иразличных прокладок (уплотнители дверей домашних холодильников и т. п.) изпластифицированного ПВХ. Образцы изделий поступают на вальцы, на которых происходитих пластикация и гомогенизация в течение 20—30 мин. При переработке нпзкопластифицированныхотходов температура рабочего валка 160°С, холостого 150°С, длявысокопластифицированных соответственно 120 п 115°С; коэффициент фрикции1,25—1,30. Полученные листы поступают на изготовление плиток для пола.
Автоклавный метод переработки отходов.
Этот метод применяется для переработки изношенных изделий из полиамидов, атакже путанки, лоскута и других отходов прядильного, трикотажного и швейногопроизводств, использующих полиамидные волокна и ткани.
По этому методу загрязненные изделия (в основном рыболовные сети)загружают в специальную стиральную машину с объемом бака 700 л и промываютгорячим растворе, м кальцинированной соды в течение 20 мин. Далее сети отмываютсяот щелочи горячей и холодной водой, отжимаются в центрифуге и сушатся досодержания влаги не более 3% Подготовленные таким образом изделия поступают вавтоклав на переплавку. Автоклав представляет собой вертикальный цилиндрическийаппарат с рубашкой для теплоносителя — смеси днфенила с дифенилоксидом,позволяющего поддерживать температуру расплава около 250 °С. Во избежаниедеструкции полиамида плавление проводится под азотом. Расплав полиамидасобирается в коническом днище автоклава и через фильеру выпускается вохлаждающую ванну длиной 8—10 м в виде ленты. Затвердевшая лента поступает вдробилку, в которой режется на крошку 10X 5 мм.
Полученный вторичный полиамид можно перерабатывать в изделия без смешенияс исходным материалом. Принципиальная схема узла плавления отходов показана на рис. 8.4.
Композиционные материалы с использованиемотходов пластмасс.
Композиции на основе смесей отходов термопластов в качестве связующего иразличных наполнителей (отходов деревообрабатывающей промышленности, бумажно-слоистыхпластиков, стеклопластиков и др.) находят широкое применение в промышленности. Смешением отходовполистирольных пластиков с отходами деревообрабатывающей промышленности споследующим прессованием получают плиты, используемые в строительстве и впроизводстве деталей мебели. Кроме того, широко применяются композиции изотходов АБС-пластиков и бумажно-слоистых пластиков, которые получают путем холодного смешения компонентовв скоростных смесителях с дальнейшей экструзией. Гранулы перерабатываются литьемпод давлением или прессованием в изделия неответственного назначения.
Отходы термопластов могут применяться п как модифицирующие добавки дляполимеров. Например, низкомолекулярные отходы полиэтилена используются вкомпозициях с полистирольными пластиками для повышения их эластичности. Так,при добавлении 2% отходов полиэтилена к полистиролу ударная вязкость еговозрастает с 28 до 43 кДж/м2.
Все более широкое применение находят полимерные отходы для изготовлениязвукоизоляционных плит и панелей, герметиков, применяемых в строительстве зданий и гидротехнических сооружений. Один изметодов получения строительных плит заключается в прессовании смеси отходов ипеска в соотношении 1:1. Песок просеивают, нагревают до 500°С, добавляют ксмеси отходов, смешивают при 150°С в течение 25 мин и массу прессуют. По такойже технологии получают композиции отходов пластмасс с мелом, стекляннымволокном, асбестом и другими минеральными наполнителями. Полимерные отходы и наполнителиподсушивают при 120°С в течение 2 ч, затем пластицируют в смесителе при 250—ЗОО^С в течение 15 мин, выгружают при 180°С в формы и прессуют.
/>
Полученные материалы имеют хорошие прочностные показатели и обладают высокой стойкостью к истиранию,что позволяет использовать их в качестве настила для полов. Для улучшениявнешнего вида в композиции добавляют на стадии смешения пигменты, напримероксид железа, оксид хрома, желтый крон и др.
Строительные материалы можно получать путем смешения врасплаве отходов полиэтилена, полипропилена или с цементом с последующейразливкой массы в формы и охлаждением. Изготовленные таким образом элементыстроительных конструкций имеют высокую прочность и стойкость к горению.
Композиционные материалы на основе отходов пластмассприменяются для герметизации швов между панелями зданий, для покрытия частейсооружений, работающих под водой, для получения гидроизоляционных покрытий,герметизирующих лент и т. д.
3. Утилизация и обезвреживание отходовпластмасс
В некоторых случаях отходы полимеров нельзя переработатьво вторичный гранулят или композиционные материалы, что связано с высокойстепенью их загрязнения. Это относится прежде всего к городскому мусору, вкотором доля пластмассовых отходов (пленка, пакеты и другие виды упаковки)довольно значительна. Наиболее рациональными методами утилизации отходов вподобных случаях являются термические методы. Термической утилизацииподвергаются также загрязненные бытовые отходы.
Термические методы утилизации можно разделить на двегруппы: термодеструкцию полимеров с получением твердых, жидких и газообразныхпродуктов и сжигание с утилизацией тепла.
Методом термической деструкции отходов полиэтиленанизкой плотности получают воска — парафиновые углеводороды с молекулярноймассой 500—8000 и температурой плавления 80—120°С. Деструкция осуществляется втермодеструкторе при температуре 500°С. Технологическая схема включаетследующие стадии: дозировку отходов ПЭ в экстру-дер, плавление и подачу втермодеструктор, деструкцию отходов, охлаждение продукта в теплообменнике,отделение легколетучих побочных продуктов, фильтрование и усреднение готовогопродукта в расплаве и выгрузку образовавшихся восков. Изменением температуры позонам экструдера и частоты вращения шнека можно регулировать молекулярную массупродукта.
Получаемые таким образом воска используются для пропиткибумаги, картона и тканей, для получения тонких покрытий, для заполнения формпри литье металла, в производстве печатных красок, лыжных мазей и т. п.
Пиролиз — это каталитическое термическое разложениеотходов полимеров при температурах 300—800°С с получением различныхуглеводородов: газообразного топлива, керосина, газолина, тяжелых масел идругих продуктов. Ряд полимеров (полиметилметакрилат, полистирол и др.)разлагается с высоким выходом мономера.
Полиметилметакрилат был первым полимером который впервыеиспользовали на практике для получения мономера. Термическая деструкция отходовПММА осуществляется при 380—400 °С с выходом мономера 95%. Технологическая схемапредусматривает подачу дробленых отходов в бункер, дозировку их в обогреваемыйгоризонтальный реактор с червячным транспортером, в котором происходит пиролизПММА. Пары мономера конденсируются в холодильнике, после чего мономернаправляется на очистку и ректификацию.
Пиролиз отходов полистирола проводится при700—800°С с выходом стирола 75—85%- При низкотемпературном пиролизе(370°С) выход снижается до 62%.
Пиролиз полиолефинов при 300—360°С протекает с оченьмалым выходом исходных мономеров. При одном из методой пиролиза ПЭНД при400—450СС, давлении 6,7 кПа получается смесь газолина и керосина свыходом 92%.
Сжигание как метод утилизации применяетсядля обработки отходов (прежде всего бытового мусора), в котором количествопластмассовых материалов (в основном полиэтилена, полипропилена, полистирола,поливинилхлорида) относительно велико. Теплотворная способность ПЭ, ПП, ПС иПВХ оценивается следующими значениями (в кДж/кг):
Полиэтилен 46,5
Полипропилен 46,2
Полистирол 40,7
Поливинилхлорид 19,0
Сжигание осуществляется в печах котельных установок,вырабатывающих пар.
Следует отметить, что часть пластмассовых отходов никакне перерабатывается, их закапывают в землю — подвергают захоронению.Разработаны различные методы захоронения не утилизируемых отходов пластмасс —чаше всего на полигонах срасчетным сроком эксплуатации неменее 25 лет. За это время пластмассовые отходы подвергаются полному разрушениюи не представляют опасности для окружающей среды.