CC BY
205РАСЕ\Л№Г
Экологические биоразлагаемые материалы на бумажной основе и их использование в условиях замкнутых экосистем
Беларусь, г. Минск,
бюро «Технологичные экосистемы»
управления перспективных разработок ЗАО «<Струнные технологии»»
442
УДК 504.052:676
99
Жизнь в изолированном пространстве с ограниченной площадью, к которому могут относиться замкнутые экосистемы, ставит перед человеком задачи другого уровня, отличные от земных. В первую очередь новая среда диктует жителям необходимость самостоятельного обеспечения себя всем нужным для комфортного и продуктивного существования. Значит, следует внимательно подойти к перечню того, что действительно важно иметь человеку для полноценной жизни; какие площади, ресурсы и время потребуются для производства этих вещей; каким образом их можно утилизировать или перерабатывать в условиях замкнутых циклов автономной биосферы. В представленной работе рассматриваются обязательные для жителей замкнутой экосистемы предметы быта и труда, выполненные из экологических биоразлагаемых материалов на бумажной основе, а также выпуск данных материалов не только для повседневного употребления, но и в медицинских целях, например для стерилизации медицинских инструментов. Кроме того, в настоящей статье обоснована целесообразность использования экологических биоразлагаемых материалов на бумажной основе, показаны направления их применения, способы изготовления, переработки и утилизации.
Ключевые слова:
биоразлагаемые материалы, вторичное сырьё, переработка бумаги, производство бумаги, утилизация.
Введение
Увеличивающиеся темпы и объёмы производств, а также развивающаяся промышленность наносят значительный ущерб не только экологии, но и цивилизации в целом. Происходит деградация биосферы и человечества как одного из биологических видов [1]. Следовательно, актуальным становится вопрос рассмотрения выноса вредных видов производств за пределы биосферы и формирование космических поселений для обеспечения создаваемой космической индустрии [2]. В данных поселениях, представляющих собой замкнутые экосистемы, люди будут вести хозяйство и контролировать производственный процесс для поддержания своей жизнедеятельности.
Одним из вариантов описанных выше космических поселений является ЭкоКосмоДом (ЭКД) [2], в котором планируется воссоздание земной биосферы, организация комфортных условий для жителей, обеспечение их всем необходимым для нахождения в замкнутом пространстве неограниченное количество времени [2, 3].
В замкнутой экосистеме ЭКД для человека действительно важно использование нужных для жизни и труда предметов, изготовленных из биоразлагаемых материалов, в том числе выполненных на бумажной основе. Именно такие материалы общедоступны и не требуют дополнительных усилий на свою утилизацию [4]. В среднем на планете Земля расход бумажных изделий составляет 20-30 кг в год на душу населения. В условиях ЭКД можно сократить этот показатель до 10 кг в год. Значимым является предоставление возможности применения материалов на бумажной основе, например крафт-бумаги, которая идеально подходит для процесса стерилизации многоразовых медицинских инструментов из стекла, керамики и металла. Это оптимальный вариант употребления подобной бумаги, так как она устойчива к высоким температурам и давлению. Вместе с тем медицинские инструменты, оставаясь после термической обработки в такой упаковке, могут длительное время сохранять стерильность.
Именно поэтому в данной статье решено рассмотреть изготовление, переработку и утилизацию экологических биоразлагаемых материалов на бумажной основе как вариант обеспечения жителей ЭКД крафт-бумагой, а также гигиеническими средствами (туалетной бумагой, бумажными полотенцами, салфетками и др.). Транспортировать указанные изделия с планеты Земля нерационально, поскольку они зачастую одноразовые в использовании и занимают большие объёмы. Значит, актуально их производство организовать непосредственно в условиях ЭКД и в том количестве, которое необходимо человеку.
Цель настоящей работы - представление процесса выпуска санитарно-гигиенических и медицинских изделий из целлюлозосодержащего растительного сырья (туалетной бумаги, салфеток, бумажных полотенец, крафт-бумаги и др.) для обеспечения безопасности и экологичности замкнутой биосистемы.
Постановка проблемы
В настоящее время в составе многих изделий присутствуют пластик и другие материалы, не подлежащие переработке. Возможное их превращение во вторичное сырьё или утилизация нецелесообразны в условиях ЭКД,
Кроме того, допускается выпуск бумажной продукции как из отходов производства этих изделий, так и материалов, полученных после их применения и переработки [4].
Основное преимущество указанных бумажных материалов - биоразлагаемость. Экологически чистое их производство характеризуется простотой технологического процесса, а также лёгкостью утилизации или переработки использованного изделия. Подобное сырьё является возобновляемым, что позволяет утилизировать его без дополнительных стадий. Для изготовления конечного продукта пригодно различное растительное сырьё, в том числе отходы после выращивания однолетних и многолетних растений [4].
Изделия на бумажной основе безопасны и подходят для задействования в повседневной жизни человека. Более того, они полностью утилизируются (данный процесс не нуждается в дополнительном расходе электроэнергии и может быть представлен как повторная переработка изделий). Описанная выше продукция не наносит ущерб природе и здоровью человека [3, 4, 8].
так как будет загрязняться биосистема [4]. Во избежание подобной проблемы предлагается изготавливать данные вещи из целлюлозосодержащих материалов: макулатуры различного вида и качества, а также отходов, полученных от культивирования растительного сырья [4]. К последним относятся рисовая шелуха [5, 6], солома, хлопчатник [7], тина, водоросли, стебли, листья [4, 8, 9], опавшая листва и др. Перечисленные материалы обладают необходимым набором эксплуатационных характеристик: мягкостью, гибкостью волокон и нетребовательностью к условиям изготовления. Значит, можно производить материалы, содержащие 100 % одного компонента данного сырья, и материалы, состоящие из смеси компонентов (в зависимости от желаемых свойств готового изделия).
Описание предложенной технологии
Предложенный технологический процесс характеризуется как периодический, т. е. можно изготавливать необходимое количество потребляемых изделий без большого количества складских запасов, а значит, не нужна дополнительная территория для хранения готовой продукции. На рисунке 1 представлена общая схема изготовления предметов гигиенического и медицинского назначения в условиях ЭКД.
Вид исходного сырья зависит от производимой продукции. Имеет смысл разделить всю продукцию на два класса: бумажные изделия санитарно-гигиенического назначения (туалетная бумага, салфетки, бумажные полотенца) и медицинского назначения (крафт-бумага).
Роспуск исходного сырья
Размол. Первая стадия
Сортирование. Первая стадия
Размол. Вторая стадия
Упаковка изделия
Формование изделия
Сортирование. Вторая стадия
Рисунок 1 - Схема изготовления гигиенических изделий на бумажной основе
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ БИОРАЗЛАГАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА БУМАЖНОЙ ОСНОВЕ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ ЗАМКНУТЫХ ЭКОСИСТЕМ
Курдюкова Т.О.
Для изготовления санитарно-гигиенических изделий можно применять рисовую шелуху, солому, коноплю, хлопчатник, тину, водоросли, стебли, листья, опавшую листву, а также любую макулатуру и другие содержащие целлюлозу отходы растительного происхождения.
Для изготовления изделий медицинского характера желательно брать преимущественно солому, стебли (оставшиеся после выращивания растительного сырья) или макулатуру - крафт-бумагу, потерявшую свои свойства и/или использованную по назначению. Такой ограниченный выбор обусловлен требованиями к готовой продукции. В частности, необходимо наличие длинных волокон и высокое содержание целлюлозы в сырье, количество которой может достигать от 40 % до 90 %.
Технологическая схема представляет собой несколько стадий: роспуск, размол (грубый и тонкий процессы), сортирование (грубый и тонкий процессы), формование и упаковка. В их результате из исходного сырья получается готовый продукт с должным качеством.
На стадии роспуска волокнистого сырья происходит его разволокнение, разделение на волокна [4, 8]. Для выработки суспензии добавляются вода (в основном оборотная с прошлых стадий) и подлежащие переработке отходы, которые образовались в результате последующих этапов сортирования.
В качестве дополнительных веществ для активации производства более чистого готового продукта может направляться горячая водная экстракция с температурой 60 °С с применением подкисленной среды (возможно использование лимонной кислоты). Допускается проведение экстракции на стадиях роспуска, размола. Другой вариант -установление отдельного бака с перемешивающим устройством для протекания соответствующих процессов.
В ходе размола происходят механическое разделение, изменение размеров и формы волокон, а также коллоидно-химический процесс - гидратация волокон и их набухание (рисунок 2).
2//////////////////
OH - ?
1
+ о
- о-о +
1 ? -
1
о +
OH
Рисунок 2 - Схема мостиковых межволоконных связей через диполи воды: 1 - диполи воды; 2 - первое волокно;
3 - второе волокно
На стадии размола вводятся добавки, необходимые для изготовления готового продукта, например дезинфицирующие средства, красители и др.
Так как изделия на бумажной основе могут быть предназначены в том числе для санитарно-гигиенических и медицинских потребностей, то уместно применять дезинфицирующие вещества. Для этой цели предлагается задействовать широко известные растения, богатые сапонинами и фитонцидами [3] и обладающие, кроме того, ещё и красильными веществами, которые при контактировании с кожей не окажут неблагоприятного воздействия на организм человека. Это важно, поскольку на коже при её соприкосновении с обычными красителями, полученными на основе химических веществ (например, азокрасителей и водных дисперсий органических и неорганических пигментов), могут возникнуть аллергические реакции [4].
Перспективным является использование в технологическом процессе листьев или плодов мыльного дерева [3]. Образованная от них пена создаст однородное перемешивание волокон, следовательно, бумага будет с более равномерным просветом, что повлияет на её физико-механические показатели. Можно также выбрать хлореллу [3], которая обладает бактерицидными свойствами и способна продуцировать кислород. Расход всех вышеуказанных вспомогательных компонентов очень низкий
(до 50 г на тонну готовой продукции). Именно поэтому их применение заслуживает пристального внимания. Данные вещества не влияют на производственный процесс и их можно вводить в технологическую линию на стадиях или роспуска, или размола.
При сортировании происходит разделение волокнистой размолотой суспензии на волокнистую суспензию (предназначена для дальнейшей обработки) и отходы; в случае образования больших сгустков волокон последние отправляются на первую либо вторую стадии размола.
Вторые этапы размола и сортирования аналогичны первым.
Формование изделия и упаковка - финальные фазы, которые позволяют изготовить, сформировать готовый продукт и упаковать его.
В таблице представлена информация, показывающая потребность в персонале и необходимое время для выпуска изделий на бумажной основе из расчёта 100 кг/ч.
Исходя из таблицы, за пять часов работы можно получить 500 кг продукции (если рассматривать уже налаженный процесс изготовления, так как первый запуск требует больших трудозатрат и времени). Продолжительность работы будет зависеть от нужд жителей ЭКД. С учётом среднегодового расхода (10 кг на человека) на 1000 жителей следует изготовить 10 000 кг бумажной продукции.
Представленная технология нетрудоёмкая, занимает небольшие площади (около 100 м2 при производительности 500 кг в смену, или 10 м2 при 50 кг в смену) и позволяет изготавливать продукт периодически или непрерывно. Кроме того, подобный способ выпуска не имеет вредных выбросов, а значит, является экологически чистым.
Таблица - Потребности технологического процесса на 500 кг бумажной продукции
Название стадии Потребность
Время процесса, мин Трудозатраты, чел.-ч
0. Подготовка 60 1
1. Роспуск 30 1
2. Размол. Первая стадия До 10 (контролируется по степени помола) 0,5
3. Сортирование. Первая стадия 60 1
4. Размол. Вторая стадия До 30 (контролируется по степени помола) 1
5. Сортирование. Вторая стадия 40 1
6. Формование 60 2
7. Упаковка 20 0,5
Итого 300 (5 ч) 8 (одна смена)
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ БИОРАЗЛАГАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА БУМАЖНОЙ ОСНОВЕ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В УСЛОВИЯХ ЗАМКНУТЫХ ЭКОСИСТЕМ
Курдюкова Т.О.
Процесс утилизации представляет собой сбор использованных изделий, сортировку и отправку их на стадию роспуска.
Выводы
и дальнейшие направления исследования
Предлагаемый инструмент изготовления санитарно-гигиенических и медицинских изделий из целлюлозосодер-жащего растительного сырья (туалетной бумаги, салфеток, бумажных полотенец, крафт-бумаги и др.) обеспечивает безопасность самого хода производства и его экологич-ность. Продукция будет вырабатываться из биологически разлагаемого сырья и подвергаться утилизации, абсолютно безвредной для замкнутой экосистемы. У поселенцев ЭКД появится возможность создать себе более комфортную среду по сравнению с жизнью на планете Земля (которая также является замкнутой экосистемой), где на сегодняшний день практически отсутствуют экологически чистые производства.
В дальнейшем планируется проводить исследования в области оптимизации характеристик оборудования для изготовления в условиях ЭКД представленного вида изделий на бумажной основе.
Литература
1. Царёв, А.М. Влияние развития техносферы и деятельности человека на биосферу/ А.М. Царёв //Вестник экологического образования в России. - 2015. - Т. 1, № 75. -С. 11-12.
2.
3.
4.
Юницкий, АЭ. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание /А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с: ил.
Безракетная индустриализация космоса: проблемы, идеи, проекты: материалы II междунар. науч.-техн. конф, Марьина Горка, 21 июня 2019 г. / Астроинженерные технологии; под общ. ред. А.Э. Юницкого. - Минск: Парадокс, 2019. - 240 с.
Чёрная, Н.В. Теория и технология клееных видов бумаги и картона: монография /Н.В. Чёрная. - Минск: БГТУ, 2009. - 392 с.
Галимова (Минакова), А.Р. Получение целлюлозного материала при комплексной переработке рисовой соломы и шелухи /А.Р. Галимова (Минакова) [и др.]// Энерго- и ресурсосбережение, нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: материалы всерос.
студенч. олимпиады, науч.-практ. конф. и выставки студентов, аспирантов и молодых учёных. - Екатеринбург 2005. - С. 231-233.
6. Дрикер, Б.Н. Получение и свойства окислительно-органо-сольвентной целлюлозы из недревесного растительного сырья/Б.Н. Дрикер, А.В. Вураско, А.Р. Галимова// Лесной вестник. - 2008. - № 3. - С. 145-149.
7. Рахманбердиев, Г.Р. Разработка технологии получения целлюлозы из растений топинамбура (Helianthus tuberosus L.), пригодной для химической переработки / Г.Р Рахманбердиев, М.М. Муродов //Иктисодиёт ва ин-новацион технологиялар. - 2011. - № 2. - С. 1-11.
8. Щербакова, Т.О. Особенности процесса размола волокнистой суспензии в условиях её наполнения синтетическими высокодисперсными соединениями в слабощелочной среде/Т.О. Щербакова, Н.В. Чёрная//Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. - 2015. -№ 3. - С. 112-122.
9. Щербакова, Т.О. Проклейка, наполнение и упрочнение бумаги и картона по ресурсосберегающей технологии / Т.О. Щербакова [и др.]//Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов: материалы III междунар. науч.-техн. конф., посвящ. памяти проф. В.И. Комарова, Архангельск, 9-11 сентября 2015 г. / Сев. (Арктич) фе-дер. ун-т им. М.В. Ломоносова. - Архангельск: ИД САФУ, 2015. - С. 248-252.
