Во многих странах в ближайшее время захоронение отходов будет сильно ограничено или запрещено, поэтому необходимо прилагать значительные усилия по решению проблемы возрастающих объемов мусора. Сейчас предлагаются две стратегии: восстановление ценных веществ, содержащихся в отходах, рассматривая их как вторичные сырьевые материалы; исключение отходов как таковых. Первый из названных путей предпочтительнее, поскольку позволяет сохранять природные ресурсы. Именно поэтому в последнее десятилетие было много сделано в разработке технологий, которые позволяли бы использовать отходы для производства новой продукции.
Полимерные отходы более разнообразны, чем отходы других видов. Поэтому возможно множество подходов к задаче превращения мусора в полезные продукты. Разработаны и доступны для применения различные технологии вторичной переработки пластмасс, завершивших свой жизненный цикл.
Механическая переработка (первичная или вторичная) является предпочтительным направлением восстановления пластмасс, поскольку она сохраняет максимальное количество ценных продуктов. Однако она часто ограничена влиянием таких факторов, как загрязнение, прогрессирующая деградация свойств, сбыт конечных изделий и т. д.
С другой стороны, сжигание является очень эффективным способом уничтожения больших объемов утилизированных пластмасс, но в этом случае из мусора извлекается лишь небольшая доля полезных продуктов.
Между этими крайними подходами находится третий путь — химическая переработка (называемая также сырьевой или «третичной» переработкой), которая позволяет восстановить больше содержимого отходов, чем сжигание и к тому же не имеет ряда ограничений, существенных для механической переработки. Очевидно, что химическая переработка никогда не станет способом переработки больших количеств пластмассовых отходов, но при комбинированном подходе она может дать значительный вклад в решение проблем, возникающих при переработке с извлечением полезных продуктов.
К химической переработке можно отнести любую технологию, которая использует управляемые химические реакции. Это определение включает такие реакции, как «расстегивающая» деполимеризация в мономер, пошаговая деструкция к низкой молекулярной массе через расщепление точно определенных цепных связей, наращивание цепей для восстановления молекулярной массы, пиролиз с образованием сложной смеси газообразных, жидких и твердых продуктов, реакционное смешение различных полимеров (с образованием in situ блок — или привитых сополимеров, которые могут играть роль агентов совместимости), биодеструкция и сжигание.
Более точно химическая переработка описывается определением, предложенным Тесоро [1]: «производство имеющих ценность химических продуктов из отходов полимерных материалов с помощью экономически оправданных процессов». Это определение, которое требует чтобы извлекаемые продукты представляли ценность, исключает из химической переработки биодеструкцию и сжигание и ограничивает химическую переработку теми процессами, которые уже сейчас экономически выгодны. Разумеется, трудно достичь полного экономического баланса, поскольку предельная цена переработки будет определена ее вкладом в решение проблем, начиная от загрязнения окружающей среды и до экономии энергии и появления в ходе химического процесса новых материалов, влияние которых на экономические параметры трудно подсчитать. Кроме того, в дополнение к трудностям оценки стоимостей загрязнения среды и сохранения природных ресурсов, экономический аспект находится под сильным воздействием цен на сырьевые материалы и местных законов, что создает трудности в определении цены восстановленных продуктов.
В целом, химическая переработка включает не только все процессы, включенные в контролируемое разложение полимерных цепей для получения низкомолекулярных фракций (которые могут быть конвертированы в газы, мономеры, олигомеры, сырую нефть и т д.), но также контролируемые реакции, ведущие к восстановлению полимера и химической модификации, такие как реакционная экструзия данного полимера с подходящим удлинителем цепей или другим полимером.
Полимеры различаются по легкости химической деструкции. Наиболее просто деполимеризуются полимеры конденсатного типа (полиэфир, полиамид (ПА), поликарбонат (ПК), полиуретаны (ПУ) и т. д.). Химическая связь молекул в этих материалах такова, что при подаче тепла и давления в присутствии химического агента она разрывается с образованием более коротких цепей по более или менее контролируемому пути. Технологии разложения таких полимеров (гидролиз, гликолиз, метанолиз, аминолиз и т. д.) уже опробованы и показали себя затратно-эффективными. Продукты, получающиеся в ходе этих процессов, могут быть либо мономерами с чистотой, достаточной для повторной полимеризации, либо смесью олигомеров с реактивными концевыми группами. В первом случае необходим ряд операций для восстановления и очистки мономера; во втором случае сырой продукт, получившийся в результате химического разложения, обычно используется без дальнейшей очистки (не считая фильтрации).
Деполимеризация полимеров аддитивного типа (стиролы, акрилаты и т. д.) представляет большой интерес для восстановления мономеров прецизионным «расстегиванием» химических связей. Этот процесс требует правильного подбора условий реакции и катализатора. Если распад цепи на мономеры происходит медленнее, чем реакции передачи активных ячеек (как правило, свободных радикалов), то образуется сложная смесь продуктов с молекулярной массой от низкой до средней. В целом, экономически неоправданно получать точно заданные химические продукты из смесей; лучше их использовать как топливо или как добавки при переработке нефти.
Наиболее трудными материалами для химической переработки являются ре — актопласты (не ПУ), потому что их сшитые молекулы противостоят химической атаке; однако в этом случае успешно применяется пиролиз [2].
Химическая переработка с увеличением молекулярной массы или химическая модификация вместо химического разложения применяются в отношении пластмасс довольно редко; эти процессы требуют контроля реакций и обычно проводятся в экструдерах на полимерных расплавах. Интерес к этому подходу в настоящее время сконцентрирован на восстановлении отходов из полиэтилен — терефталата (ПЭТ), но подход может быть реализован в отношении многих других полимеров, особенно для приготовления блок-сополимеров посредством реакций обмена [3].
Химическая переработка при сравнении с другими технологиями обладает как преимуществами, так и недостатками. Главные преимущества состоят в следующем:
• меньшая потребность в сортировке сырьевых материалов по сравнению с механической переработкой; фактически, иногда можно использовать неочищенные полимерные отходы, степень загрязнения которых исключает возможность механической переработки;
• в некоторых случаях можно использовать отходы из смеси полимеров с восстановлением ценных продуктов из одного или более компонентов смеси;
• при восстановлении мономеров очистка позволяет преодолеть некоторые трудности, связанные с наличием химикатов-добавок и других примесей, а восстановленный чистый мономер можно использовать для производства новых оригинальных полимеров, которые допускаются для применения в приложениях, где имеется контакт полимера с пищевыми продуктами;
* продукты повторной переработки легко вновь вводятся в производственный цикл без проблем с насыщением рынка;
* химическая атака, направленная на получение ценных химических продуктов может производиться в отношении реактопластов;
* химическая переработка сохраняет большую часть ценного содержания отходов, чем сжигание;
* если сырые продукты, полученные в результате химического разложения, можно использовать без дальнейшей очистки, то процессы химической переработки становятся привлекательными с экономической точки зрения и дают мощный стимул для переработки отходов.
Главные недостатки технологий химической переработки обычно связывают с экономическими факторами, которые можно изложить следующим образом:
* если сравнивать химическую переработку с механической (первичной и вторичной), то аспект, связанный с макромолекулярной природой пластмассовых отходов, утрачивается при химической переработке;
* когда для разложения полимерных цепей требуется использовать жесткие условия процессов (сильные кислоты или щелочи и высокие температуры), то химические заводы должны строиться с применением дорогостоящих специальных материалов;
* комплекс операций, необходимых для восстановления годного для повторной полимеризации мономера, требует больших финансовых вложений;
* обработка и восстановление воды, растворителей и реактивов, используемых для химической переработки, и удаление остатков (побочных продуктов) переработки может быть очень дорогим;
* химические заводы должны быть достаточно большими, чтобы снизить эксплуатационные расходы, но обеспечение бесперебойного питания огромными количествами полимерных отходов постоянного качества может потребовать слишком высоких затрат на их сбор;
* мономеры и полезные олигомеры могут быть получены только из ограниченного набора полимеров, к которым можно применять селективные реакции, обеспечивающие высокий выход ценных продуктов.
Как ясно из высказанных выше соображений, экономическая оправданность часто является ограничивающим фактором для химической переработки, и полимеры, которые используются в небольших количествах и которые невыгодно собирать (например, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и полиформальдегиды), обычно вторично не перерабатываются, хотя и могли бьт подвергаться переработке.
Нелегко найти данные о фактическом применении на промышленном уровне существующих технологий, поэтому содержание этой главы во многом основано на сведениях из патентной и научной литературы и посвящено обсуждению осуществимости конкретных процессов и эффектов, связанных с условиями осуществления тех или иных реакций.
Хотя приведенное выше определение химической переработки охватывает пиролитические процессы, ведущие к образованию сложной смеси низкомолекулярных продуктов, пиролитические процессы данного типа имеют цели и задачи, весьма отличные от тех, которые встречаются при химической переработке, направленной на получение мономеров, олигомеров или иных ценных точно определенных химических веществ. Они рассмотрены в главе 5 и здесь обсуждаться не будут.
Если не рассматривать пиролиз полиолефинов и использование полимерных отходов в печах с форсированной тягой, то вклад химической переработки (сегодня и, возможно, в будущем) составляет лишь некоторый процент от всей вторичной переработки полимеров; однако в некоторых специальных случаях она может дать решение и предложить некоторые возможности.
Ниже мы обсудим химическую переработку каждого из основных типов полимеров.
Вторичная переработка отходов
Рост численности населения планеты, увеличение производственных мощностей, использование десятков видов пластика и неразлагаемого сырья – слаженная «работа» этих факторов, сделали свое дело: мусор, а точнее необходимость его утилизации, стал одной из самых острых проблем, стоящей перед человечеством. Несмотря на всю сложность, исправить сложившуюся ситуацию можно. Одним из важнейших элементов является вторичная переработка отходов.
Вторичная переработка сырья – повторное использование отходов производства или мусора. Какие способы утилизации сегодня популярны в мире, какие материалы можно использовать повторно и чем отличаются переработка, утилизация, рециклинг (Recycling) – далее в материале.
Вторичная переработка отходов в мире: зачем это нужно
Одним из самых популярных ответов на этот вопрос является катастрофическое состояние экологии. Отходы, в любом своем состоянии, попадая в почву, воду, атмосферу, моментально загрязняют ее, делая не пригодной для проживания животным, птицам, растениям.
Но это не единственная причина. Людям следует задуматься и о ресурсах планеты, которые ограничены. Период восполнения ископаемых и веществ может занимать тысячелетия, поэтому следует экономно подходить к потреблению.
Есть и экономическая составляющая в переработке отходов – выгода. Вторичное использование отходов гораздо дешевле, чем первичное производство, а произведенные товары не отличаются характеристиками. Кроме того, многие государства активно поддерживают инициативы производства товаров с использованием вторично переработанных материалов, что дополнительно стимулирует интерес к отрасли.
Переработка, утилизация, рециклинг – в чем отличия
О том, что выбрасывание мусора в специализированные контейнеры для их транспортировки на свалке далеко не самый экологичный вариант – известно всем. Более рациональным и простым способом является его сортировка, с дальнейшей возможностью использования. В обработку идут стекло, многие виды пластмассы, бумага. Такой способ называется переработкой. Некоторые материалы не подходят для переработки, т.к для их переработки потребуется слишком много дополнительных ресурсов, поэтому мусор остается. Но меньше.
Утилизация отходов подразумевает их применение на разных стадиях жизненного цикла. Проще говоря, это использование сырья, которому не нашлось применения по назначению. За этим этапом следует рециклинг.
Рециклинг (Recycling) – переработка отходов в материал, пригодный для последующего производства продукции. Это может изготовление туалетной бумаги из макулатуры, аксессуары, элементы техники — из пластика и стекла, одежда – из тканей.
Способы переработки отходов
Важно отметить, что вторичная переработка отходов состоит из нескольких первостепенных процессов. Один из них — это обработка, которая сосредоточена на изменении биологического, физического и химического состояния отходов для последующего применения. Вторичной обработке подвергается любое сырье.
Переработкой отходов люди занимались еще в древности. Особенно широко использовалась переработка в с/х. Речь идет о пищевых отходах, которые проще всего утилизировать (компостирование), если разделять мусор.
Уже в 20 веке переработка стала одним из способов борьбы с загрязнением окружающей среды и рациональным использованием ресурсов природы. В советское время вторичной переработке отходов уделяли особое внимание. Самым популярным вариантом были специальные пункты сбора стеклотары. Школьники занимались сбором металлолома и макулатуры. Пластиковые тары не использовались. В основном продукция была в железных или стеклянных упаковках.
Следующим процессом является уничтожение отходов. Это полное избавление от отходов. Не стоит путать уничтожение с захоронением. Первый процесс подразумевает полное прекращение существования, а второй — транспортировку в определенное место на неограниченное время.
Что можно использовать повторно
Вторичным сырьем является: резина, кирпич, бетон, провода, стекло, пластмасса, древесина, щелочи, органика, полиэтилен и многое другое. Каждый тип сырья имеет свою технологию переработки. Например, собранный металлолом отправляется на переплавку. Выгодно перерабатывать цветные металлы такие, как олово, алюминий и медь, черные металлы (чугун), а также технические сплавы. Обрабатываются изделия электроники, например, микросхемы. Из них обычно извлекают металлы, а именно платину или медь.
Переработка аккумуляторов и батарей имеет свои особенности. Их, как правило, сортируют, а далее отправляют в соответствующий завод на переработку. В Украине часто в супермаркетах устанавливают специальные контейнеры.
Ткани сперва поступают в сортировочный центр, затем проходят отбор, а потом отсылаются в благотворительные центры для малоимущих. Вещи избавляют от пуговиц, замков, кнопок, а также делят по типу тканей (шерсть, лен, хлопок). К слову, джинс отправляется на заводы по изготовлению бумаги. Радиоактивные отходы обязательно захороняют в местах, где они никак не смогут навредить людям и окружающей среде.
Неперерабатываемые отходы: какие не подходят для рециклинга
Большое разнообразие материалов, в частности пластика, в значительной степени усложняют сортировку и последующее использование отходов. Тем более, что некоторые из них нельзя использовать повторно:
- смешанный пластик (с буквой «C» в названии), например, C/LDPE, C/HDPE), фольгированный, остатки вакуумной упаковки, термоусадочная и строительная пленка. Соответствующие маркировки есть на упаковках.
- в стеклянных изделиях также есть свои исключения. К ним относятся стекла автомобилей, ламинированная посуда, зеркала. Лампочки, как и просроченные медикаменты, необходимо сдавать на утилизацию в специализированные компании.
- не перерабатывают отдельные виды бумаги, например, с восковым покрытием, наклейки, салфетки, упаковка с остатками еды, пергамент и фотобумага.
Также нельзя использовать повторно мусор, состоящий из нескольких компонентов, как ДСП, а также презервативы, капрон, канцтовары и пластилин, упаковки от краски и некоторой косметики.
Мусороперерабатывающие заводы
Свалки занимают огромную территорию, мусор в которых выделяет метан, имеющий свойство гореть. Из-за этого над свалками образуется «облако» токсичного дыма, которое распространяется на жилые поселения. Кроме этого, большое скопление мусора привлекает падальщиков, которые переносят различные инфекции, а это уже чревато для здоровья населения.
Оптимальным вариантом являются современные мусороперерабатывающие заводы. Например, завод в Швеции, используется технология «отходы в энергию» (waste-to-energy, WTE): сжигаемый мусор, который до этого был тщательно отсортирован, превращается в пар. Пар используется для вращения турбин и выработки электроэнергии
Как утилизируется мусор в Украине, России, Казахстане
Один человек переработкой отходов заниматься не может. Как минимум, это не принесет желаемого результата. Государство должно брать ответственность за переработку отходов, обеспечивать законодательную базу и контролировать утилизацию продукции.
В последние годы в странах СНГ был принят рад законов, контролирующих утилизацию мусора, в частности утилизация строительного мусора.
Однако, популяризация сортировки мусора, а также создание условий для этого, по-прежнему оставляют желать лучшего.
Если каждая страна всерьез возьмется за переработку отходов, то мусора на планете станет гораздо меньше. Земля не будет настолько загрязнена, как сегодня. Также будут сбережены природные ресурсы, которые постепенно исчерпываются, и неизвестно, к чему мы придем через 200-300 лет. Не стоит пускать всё на самотёк, так как последствия очевидны и уже видны невооруженным взглядом.
А вы сортируете мусор? Поделитесь в комментариях лайфхаками сортировки.