Раздел 6. Утилизация и обезвреживание пластмассовых изделий, утративших потребительские свойства, в том числе упаковки

Раздел 6 Утилизация и обезвреживание пластмассовых изделий, утративших потребительские свойства, в том числе упаковки

6.1 Общая информация о деятельности по утилизации и обезвреживанию пластмассовых изделий, утративших потребительские свойства, в том числе упаковки

Отходы пластмассовых изделий по составу исходного сырья подразделяются на:

- термопласты - полимеры, которые при нагревании приобретают свойства пластичности, текучести; к этому виду отходов относятся: полиэтилен, полипропилен и др.;

- реактопласты - полимеры, которые под действием температуры не переходят в вязкопластичное или текучее состояние.

По оценкам экспертов, в структуре полимерных отходов 34 % составляет полиэтилен (ПЭ), 20 % - полиэтилентерефталат (ПЭТ), 17 % - ламинированная бумага, 14 % - поливинилхлорид (ПВХ), 8 % - полистирол (ПС), 7 % - полипропилен (ПП) (рисунок 6.1) [51, 52].

Рисунок 6.1 - Структура отходов пластика по видам полимеров

По данным статистического наблюдения в Российской Федерации ежегодно утилизируют более 30 % от официально установленных объемов образования отходов изделий из полимеров [2].

Наибольшим уровнем сбора и утилизации характеризуются отходы из полиэтилена - 20 %, отходы поливинилхлорида перерабатываются на 10 %, полистирола - на 12 %, полипропилена - на 17 %, полиэтилентерефталата - на 12 %.

Основной объем вторичного полимерного сырья используется для изготовления пластмассовой тары и упаковки (38 %), производства деталей из пластмассы для бытовой техники (22 %), производства материалов, используемых в строительстве (трубы, кровельные материалы и пр.) (18 %) (рисунок 6.2) [57].

Рисунок 6.2 - Структура применения вторичного полимерного сырья

В Российской Федерации действует ряд предприятий, перерабатывающих отходы продукции из полиэтилентерефталата в сырье для производства текстильных волокон, стреп-ленты, а также других изделий.

Одно из немногих предприятий в России, осуществляющее полную переработку отходов упаковки из полиэтилентерефталата (ПЭТ-бутылок) по технологии bottle to bottle ("новая бутылка - из б/у бутылки"), расположено в Московской области, г. Солнечногорске. Технология позволяет перерабатывать бывшие в употреблении ПЭТ-бутылки в сырье - гранулированный ПЭТ, который повторно используется для производства различной упаковки и изделий. Мощность объекта утилизации составляет 20 тыс. т пластиковой бутылки в год [55, 57].

Сбором, сортировкой и утилизацией полимерных отходов в России занимается по разным оценкам до 4000 мелких и крупных предприятий. Наиболее крупные переработчики полимерных отходов на российском рынке расположены в Москве и Московской области, Пермском крае, Санкт-Петербурге (рисунок 6.3). Большая часть предприятий по переработке полимерных отходов ограничивается сортировкой, прессовкой и измельчением пластиковых отходов.

Рисунок 6.3 - Центры промышленной утилизации отходов изделий пластика

Основные направления промышленной переработки полимерных отходов в России [58, 59, 60] следующие:

- изготовление из отходов вторичного полимерного сырья, в том числе для поставки на экспорт (дробленки, агломерата, гранулята из ПЭ, ПВХ, ПС, ПП, ПЭТ, лавсанового волокна);

- изготовление из отходов (или с их частичным использованием) традиционной разнообразной продукции производственно-технического и бытового назначения методами литья, прессования, экструзии;

- изготовление из полимерных отходов материалоемкой продукции, как правило, не изготовляемой только из первичного сырья, в том числе из смешанных отходов или в композиции с другими отходами (макулатурой, древесными и текстильными отходами).

В настоящее время утилизация отходов полимеров приобретает экономическую целесообразность поскольку позволяет существенно экономить первичное сырьё и электроэнергию [60].

Основные данные по методам и технологиям утилизации и обезвреживания пластмассовых изделий, утративших потребительские свойства, в том числе упаковки.

Способы утилизации и обезвреживания пластмассовых изделий, утративших потребительские свойства, можно разделить на две основные группы:

- физические (механические);

- физико-химические.

Все механические способы переработки пластмассовых отходов с целью вторичного использования полимеров заключены в измельчении различных пластиковых субстанций. Основные операции технологического процесса подготовки отходов пластмасс к переработке включают дробление, уплотнение, промывку, обогащение и гранулирование [59].

В результате механического дробления образуются различные фракции пластмасс (в том числе крошка и порошкообразные материалы), которые после промывки и обогащения подвергаются литью под давлением. Данный способ, основанный на механическом измельчении, не приводит к изменению физико-химических свойств пластмасс и их структуры.

Отходы пластмасс бытового потребления, выделенные из ТКО, обрабатывают с использованием процессов измельчения, грохочения, рассева и смешения в сочетании с различными видами сепарации. Прошедшие обработку отходы промывают и сушат. Высушенные отходы перемалывают и направляют на устройства для гранулирования или таблетирования [59, 60].

Утилизация пластмассовых изделий, утративших потребительские свойства, физико-химическими способами осуществляется с применением следующих методов:

Метод деструкции пластмассовых отходов. Данная технология позволяет получать олигомеры и мономеры, которые используются для получения волокна и пленки.

Метод повторного плавления. Данный способ переработки пластмассовых отходов позволяет изготавливать гранулят, применяя технологию литья под давлением либо экструзию.

Метод переосаждения из растворов. Данный способ переработки позволяет производить композиционные материалы и получать порошки, используемые для нанесения полимерных покрытий.

Метод химической модификации. Данный способ позволяет изготавливать материалы с новыми физическими и химическими свойствами.

Наиболее распространенным из всех перечисленных выше способов переработки пластиковых отходов является метод повторного плавления (метод гранулирования или таблетирования) [63].

6.2 Технологические, технические решения и системы менеджмента, используемые в настоящее время в области утилизации пластмассовых изделий, утративших потребительские свойства, в том числе упаковки

6.2.1 Технологии утилизации пластмассовых изделий, утративших потребительские свойства, в том числе упаковки, основанные на физических методах

В основной массе методы направлены на утилизацию пластмассовых изделий с целью получения вторичного сырья - нарезанного или гранулированного легкосыпучего полимерного материала.

Существует два основных метода гранулирования пластмассовых отходов [61, 62]:

- холодное гранулирование - расплав полимера продавливается через перфорированную пластину, в результате чего получаются стренги. Стренги охлаждают и нарезают на гранулы;

- горячее гранулирование - расплавленный материал продавливается через круглые отверстия рабочей поверхности. Полученный материал имеет вид стренги, которая в горячем виде нарезается на мелкие гранулы либо таблетки. Гранулы охлаждаются потоком воздуха.

В основу технологии утилизации положен механический рециклинг полимерных отходов с целью их вторичного использования.

Сложность утилизации заключается в необходимости тщательной сортировки и очистки отходов пластика. Переработка в "флексы" или "дроблёнку" включает в себя операции дробления, мойки, обезвоживания и сушки. При добавлении операции агломерации получают агломерат, при добавлении процесса грануляции - гранулят, который является готовым вторичным сырьём для производства пластиков.

Основное оборудование для механического рециклинга полимерных отходов включает:

1. Дробилки (ударные, ротационные, конусные, щековые) и шредеры - аппараты для измельчения, дробления отходов пластика с получением мелкофракционной дробленки (флексы).

2. Сепараторы (фотометрическое разделение, электростатическая сепарация, флотационное разделение) - оборудование для разделения пластика по плотности и другим свойствам, чтобы сгруппировать материалы с одинаковыми характеристиками.

3. Линии мойки (воздушные циклоны, гидроциклоны, центрифуги, флотационные ванны) - мойка или продувка с удалением остатков грязи, пыли, а также следов продуктов и сред, с которыми контактировал пластик. В состав линии мойки (рисунок 6.4) входит:

- отсев крупного мусора и инородных фракций на вибросите;

- промывка потоком горячей воды, на фрикционной мойке (за счет гидроудара происходит окончательное отделение примесей от ПЭТ);

- сепарация во флотационной камере, разделяющей материалы по плотности;

- мойка полимера в душевой кабине;

- сушка полимера в центробежной сушилке и обработка пластика горячим воздухом до полного высыхания.

Продуктом измельчения/дробления является нарезанный полимерный материал в легкосыпучей форме, который предназначен для использования [56].

Рисунок 6.4 - Линия мойки отходов пластика

При получении вторичного сырья в виде агломерата или гранулята используются:

Сушилки (конусного типа, центробежные) или система воздушных циклонов - сушка производится после стадии отмывки "дробленки" с целью удаления следов влаги перед подачей ее на грануляцию.

Агломераторы - повышение насыпной плотности пластика (для плёночных и тканых материалов полотнистой структуры).

Мельницы и смесители - для приготовления смесей в экструдеры.

Грануляторы (экструдеры и экструзионные линии) - аппараты для высокотемпературного плавления обработанных отходов пластика. Расплав может охлаждаться как воздухом, так и водой. Охлажденный пластик режется ножами на мелкие частички цилиндрической или сферической формы (регранулят).

Продуктом гранулирования является гранулированный полимерный материал в легкосыпучей форме, который предназначен для использования [56].

Схема утилизации пластиковых отходов с получением гранулята "сухим" и "мокрым" методами приведена на рисунке 6.5.

Основные этапы утилизации "мокрым" методом включают:

- сортировку отходов по качеству, составу, цвету и степени загрязнения;

- предварительное измельчение отходов;

- повторную сортировку полученной субстанции;

- промывку и сушку пластиковых частиц;

- агломерацию отходов;

- пропускание вторичного сырья через металлодетектор;

- экструдирование для получения однородного полимерного расплава;

- изготовление гранулята;

- затаривание вторичного сырья и складирование.

Рисунок 6.5 - Схема утилизации пластиковых отходов с получением гранулята (сухой и мокрый методы)

Основные этапы утилизации "сухом" методе включают:

- сортировку отходов по качеству, составу;

- предварительное измельчение отходов (литники забракованные и литьевые изделия) или агломерация отходов (пленка);

- повторную сортировку полученной субстанции;

- агломерацию отходов;

- пропускание вторичного сырья через металлодетектор;

- изготовление гранулята по заданным характеристикам вязкости, плотности и размера;

- затаривание вторичного сырья и складирование.

Высоким потенциалом для переработки обладают использованные полимерные пленки, генерируемые промышленными и торговыми предприятиями, это отделы отправки и получения грузов, склады, центры распределения продукции, оптовые рынки, крупные торговые центры. Схема утилизации полимерной пленки представлена на рисунке 6.6.

Рисунок 6.6 - Схема утилизации отходов полимерной плёнки

Переработка отходов полимерной пленки в агломерат включает следующие операции: резку кип пленки на части, мойку, получение сечки, сортировку на виброситах, флотацию тяжелых загрязнений, сортировку на виброситах, сушку, агломерацию, расфасовку и упаковку. Агломератор предназначен для формования из отходов полимерных пленок оплавленных частиц неправильной формы размером от 2 до 8 мм для обеспечения условий загрузки и переработки пленочных отходов в экструдерах и литьевых машинах [62].

Линии для утилизации отходов полимерных пленок гранулированием применяются в случае необходимости глубокой переработки исходного сырья (пленка с печатью, загрязненная пленка).

Известны способы получения гранулы из вторичного пенополистирола. Отходы пенополистирола, собранные раздельно, для уменьшения объёма и подготовки к дальнейшей переработке измельчают и переплавляют в слитки при температуре 170 °С. Слитки направляют последовательно на дробление и гранулирование. В результате получают гранулы размером от 2 до 6 мм. Допускается наличие гранул размером менее 2 мм не более 2 % и от 6 до 8 мм не более 2 %.

6.2.2 Технологии утилизации пластмассовых изделий, утративших потребительские свойства, в том числе упаковки, основанные на физических методах с применением термоформирования

В основу технологии утилизации положен метод повторного плавления полимерных отходов для получения изделий экструзией или литьем под давлением [61, 63].

Литье под давлением - процесс, включающий следующие операции:

- измельчение отходов пленок и листов;

- формование нового изделия методом литья под давлением.

Для переработки отходов методом литья под давлением, как правило, применяют машины с постоянно вращающимся шнеком, конструкция которого обеспечивает самопроизвольный захват и гомогенизацию отходов [64].

Экструзия - метод заключается в непрерывном продавливании расплавленного полимерного сырья через специальную формирующую головку. Благодаря выходному каналу определяется профиль будущего изделия. Для осуществления экструзионного процесса используют экструдер. В экструдере материал пластицируется, гомогенизируется и при необходимости дегазируется [60, 64]. Схема переработки отходов полиэтиленовой пленки с применением экструзионного прессования представлена на рисунке 6.7.

Рисунок 6.7 - Схема переработки отходов полиэтиленовой пленки с применением экструзионного прессования

Наиболее распространенные виды оборудования для переработки полимерных отходов методом термоформования:

- червячные прессы;

- выдувные агрегаты;

- линии для производства рукавной пленки;

- трубные линии и оболочковые трубные линии;

- линии для производства гофрированных шлангов;

- термопластавтоматы;

- экструдеры.

6.2.3 Технологии утилизации пластмассовых изделий, утративших потребительские свойства, в том числе упаковки, основанные на физико-химических методах

В основу технологии утилизации положен метод гидролиза полимерных отходов, основанный на расщеплении пластмасс водными растворами кислот при действии высоких температур [56, 61]. Процесс гидролиза имеет множество модификаций. Их отличие заключается в применяемых катализаторах и количестве этапов гидрирования.

Продуктом утилизации является полностью очищенные от токсичных веществ гранулы пластика.

Переработка пластика осуществляется в следующем порядке:

- промывка и измельчение отходов;

- охрупчивание полученных хлопьев;

- измельчение до частиц размером в несколько сотен микрон;

- гидролизация субстанции водой в реакторе при температурах до 200 °C и небольшом вакууме;

- нейтрализация полученных растворов;

- фильтрация твердых фракций;

- дистилляция полученного водного раствора;

- полимеризация образовавшейся олигомерной смеси.

Добавление различных катализаторов на основе гликолей и метанола дали развитие способам на основе процесса гликолиза и метанолиза.

Гликолиз - способ переработки пластика основан на процессе гидролиза, где для деполимеризации отходов используются гликоли. Процесс проводится при температурах порядка 210-250 °C и при атмосферном давлении. Время реакции и ее скорость зависят от количества добавляемых трансэтерификационных катализаторов [56, 65].

Продукты, получаемые при таком способе переработки пластмасс, зависят от типа используемого гликоля и его концентрации в получаемом расплаве. Это могут быть смеси олигомеров или бис-(-оксиэтил) терефталата (БОЭТ). Дальнейшее применение они находят в получении с их использованием полиэфиров и полимеров, а также высокомолекулярных спиртов.

Метанолиз - в основу способа положен процесс глубокой полимеризации (расщепления) пластмасс с помощью метанола. Процесс метанолиза осуществляется в специальных реакторах (автоклавах) при температуре свыше 150 °C и давлении 1,5 МПа. Для ускорения протекания химических реакций используются катализаторы переэтерификации. В результате получают готовое химическое соединение, например, при переработке ПТЭФ получают диметилтерефталат [65].

6.3 Текущие уровни потребления ресурсов и эмиссии в окружающую среду при утилизации пластмассовых изделий, утративших потребительские свойства, в том числе упаковки

В ходе процессов утилизации полимерных отходов, основанных на физических методах, происходит потребление энергоресурсов, водных ресурсов (для охлаждения расплавленной массы), сжатого воздуха (дегазация оборудования и обрабатываемого материала).

Физические методы утилизации полимерных отходов сопровождаются образованием выбросов пыли и загрязненных сточных вод. В процессе измельчения или дробления отходов с получением мелкофракционных хлопьев производится выброс полимерной пыли. В процессе работы экструдеров, термопластавтоматов в атмосферный воздух выделяются углерода оксид, смесь углеводородов предельных.

Сточные воды в процессе утилизации образуются от мойки измельченных отходов при "мокром" методе при эксплуатации гидроциклонов, центрифуг, флотационных ванн. Это воды промывки, фугат центрифуг и загрязненные воды процесса флотации.

В ходе утилизации изделий из пластмасс образуются отходы на этапах сортировки, сепарации и мойки полимерных отходов.

Физическими факторами воздействия являются шум, вибрация и тепловое воздействие.