Термічні та хімічні методи утилізації відходів пластмас
Термічні методи застосовують у випадках, коли відходи не можуть бути перероблені у вироби, різні композиції або утилізовані в інших технологічних процесах. В даний час основними термічними методами є спалювання ,газифікаціяіпіроліз.
Пластмасові відходи спалюють у печах різних конструкцій (барабанних, киплячого шару та ін), проте не використовують стандартні колосникові печі. Останнє зумовлено тим, що при нагріванні ще до спалювання термопласти розплавляються. Це може призвести до попадання розплаву в підколосниковий простір та його затвердіння, що ускладнить експлуатацію агрегату.
Спалювати доцільно лише деякі типи пластмас, що втратили свої властивості, для одержання теплової енергії. Наприклад, теплова електростанція у м. Вульвергемтоні (Великобританія) вперше у світі працює не на газі та не на мазуті, а на старих автомобільних покришках.
Здійснити цей унікальний проект, який дозволяє забезпечити електроенергією 25 тис. житлових будинків, допомогло англійське Управління з утилізації видів палива, що не викопуються.
Спалювання деяких видів полімерів супроводжується утворенням токсичних газів: хлориду водню, оксидів азоту, аміаку, ціаністих сполук та ін., що викликає необхідність заходів щодо захисту атмосферного повітря. Крім того, економічна ефективність цього процесу є найменшою, порівняно з іншими процесами утилізації пластмасових відходів. Проте, порівняльна простота організації спалювання визначає досить широке поширення практично.
Типова технологічна схема спалювання відходів із використанням трубчастої печі представлена на рис. 4.1.
Відходи з бункера-накопичувача 1 грейферним захопленням 2 череззавантажувальну лійку 3 і завантажувальний бункер 4 потрапляють у піч, що обертається 6, пуск в роботу якої здійснюється за допомогою запального пристрою 5. Золошлакові продукти спалювання з печі надходять і збірник шлаку 7, де гасяться і далі евакуюються транспортером 8. Пічні гази надходять в камеру дожига , де знешкоджуються при температурі вище 800 °С в полум'ї пальника 10. Димосомом 12 їх потім через охолоджувальні усфойства 11 котел-утилізатор, водопідігрів і т.п. та вихлопну фубу 13 направляють в атмосферу. Золу, що утворюється, 14 4…6 % від маси відходів можна використовувати як наповнювач при виробництві будівельних матеріалів.
Мал. 4.1 Схема встановлення термічного знешкодження твердих полімерних відходів
Пригазифікаціївідходів як і при спалюванні, застосовується різне обладнання: печі, що обертаються, реактори шахтного типу, пристрої з киплячим шаром та ін Поряд з традиційними (синтез-газ), деякі технології передбачають отримання та інших продуктів газифікації. Так, за однією із сучасних схем, що використовується в Японії, одержують аміак.
Піроліз- це термічне розкладання органічних продуктів у присутності кисню або без нього. Піроліз полімерних відходів дозволяє отримати висококалорійне паливо, сировину та напівфабрикати, що використовуються у різних технологічних процесах, а також мономери, що застосовуються для синтезу полімерів.
Газоподібні продукти термічного розкладання пластмас можуть використовуватися як паливо для отримання робочої водяної пари. Рідкі продукти використовують для отримання теплоносіїв. Спектр застосування твердих (воскоподібних) продуктів піролізу відходів пластмас досить широкий (компоненти різноманітних захисних складів, мастил, емульсій, просочувальнихматеріалів та ін).
У Європі, Японії та США все більшого поширення набуває піроліз пластмасових відходів. У його низькотемпературному варіанті (при 400-450 одержують паливо, що на 95 % складається з рідких вуглеводнів і на 5 % - з пального газу. Застосування таких технологій економічно вигідне.
Рідка фаза низькотемпературного піролізу зазвичай представлена класичними нафтопродуктами (бензин, лігроїн, гас, газойль, важкі олії). Їхній вихід досягає 65 % маси вихідної сировини. Залишок піролізу представлений гудроном.
Піроліз можуть бути піддані і хлорсодержащие матеріали типу ПХВ, як на заводі фірми BASF (Німеччина) продуктивністю 15 тис. т/рік суміші відходів пластмас, введеним в експлуатацію в 1994 р. У цьому випадку відходи спочатку розплавляють і дегалонізують. Виділений із полівінілхлориду НС1 направляють на інший завод BASF, де його переробляють. На другій стадії піролізу отримують рідкі продукти (гас, лігроїн, олефіни, ароматичні сполуки) – сировину для інших підприємств BASF.
Іноді частину полімерних відходів застосовують як в'яжуче для решти їхньої маси. Її вводять розплавленим до початку пресування відходів. Каменеподібний виріб, що утворюється, можна використовувати як теплоізоляційний або несучий конструкційний матеріал.
Некондиційні пластмасові матеріали утилізують також у композиціях із традиційними будівельними матеріалами при виробництві звукоізоляційних плит та панелей, герметиків.
При використанні пластмасових відходів у доменних печах як джерело енергії та відновників повністю виключаються викиди супер-екотоксикантів та забезпечується повна утилізація відходів великих промислових районів. Комплексна система рециклінгу, де забезпечуються всі операції від зборупластмасових відходів, дроблення та спікання до вдування їх у доменну піч, показано на рис. 4.2. У Японії передбачається утилізувати в такий спосіб понад 1 млн. т пластмас.
Мал. 4.2. Система рециклінгу пластмасових відходів, поєднана з доменною піччю
Низькомолекулярні граничні вуглеводні, що утворюються в процесі піролізу, піддаються наступному крекінгу з метою збільшення виходу ненасичених сполук, що використовуються при синтезі поліолефінів.
Розроблено також процеси каталітичного гідрокрекінгу для перетворення полімерних відходів у бензин та паливні олії.
Багато полімерів в результаті оборотності реакції освіти можуть знову розкладатися до вихідних речовин. Для практичного використання мають значення способи розщеплення ПЕТФ, поліамідів (ПА) та спінених поліуретанів. Продукти розщеплення використовують знову як сировину для проведення процесу поліконденсації або як добавки до первинного матеріалу. Однак домішки, що є в цих продуктах, часто не дозволяють отримувати високоякісні полімерні вироби, наприклад, волокна, але чистота їх достатня для виготовлення ливарних мас, легкоплавких і розчинних клеїв.
Гідролізє реакцією, зворотної поліконденсації. З його допомогою при спрямованій дії води на місця з'єднання компонентів поліконденсати руйнуються до вихідних сполук.
Гідроліз відбувається під дією екстремальних температур та тисків. Глибина протікання реакції залежить від pH середовища та використовуваних каталізаторів.
Цей спосіб використання відходів енергетично вигідніший, ніж піроліз, оскільки в оборот повертаються високоякісні хімічні продукти.
Порівняно з гідролізом для розщеплення відходів ПЕТФ економічніший інший спосіб -гліколіз. Деструкція відбувається при високих температурах та тиску в присутності етиленгліколю та за участю каталізаторів до отримання чистого диглікольтерефталату. За цим принципом можна також переетерифікувати карбаматні групи у поліуретані.
Все ж таки найпоширенішим термічним методом переробки відходів ПЕТФ є їх розщеплення за допомогою метанолу -метаноліз. Процес протікає при температурі вище 150°З тиску 1,5 МПа, прискорюється каталізаторами переетерифікації. Цей метод дуже економічний. На практиці застосовують і комбінацію методів гліколізу та метанолізу.
В даний час найбільш прийнятним для України є вторинна переробка відходів полімерних матеріалів механічним рециклінгом, так як цей спосіб переробки не вимагає дорогого спеціального обладнання і може бути реалізований в будь-якому місці накопичення відходів.
Ще один спосіб переробки пластикових відходів – гліколіз. Тут деструкція протікає при високих температурах та тиску у присутності етиленгліколю та каталізатора до отримання чистого продукту. При розщепленні ПЕТФ метод дозволяє отримати диглікольтерефталат. Гліколіз більш економічний проти гідролізом.
Найбільш поширеним термічним способом переробки пластику є метаноліз - розщеплення відходів за допомогою метану. У разі застосування цього до переробки ПЕТФ кінцевим продуктом є диметилтерефталат. Іноді методи гліколізу та метанолізу застосовуються у поєднанні.