CC BY
95
1 SCIENCE TIME ■
тл 1(4 5л ' tL® -1 щг 1 - 4_W JT |Г1 1 r^g) ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ УТИЛИЗАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ Романко Ольга Ильинична, Якушева Елена Анатольевна, Волков Александр Анатольевич, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва E-mail: bmstufn5@mail.ru
Аннотация. Рассмотрены современные принципы безотходного и безвредного для окружающей среды производства и утилизации полимерных материалов.
Ключевые слова: полимеры, композиты, экология, биополимеры, адсорбенты, ПЭТ бутылки, плазменные методы обработки, пиролиз.
Новые химические технологии получения полимеров имеют минимально негативное влияние на окружающую среду. Учитывая специфические свойства полимерных материалов (они не подвергаются гниению, коррозии), проблема их утилизации выходит на первый план и является, прежде всего, экологической. Ведущая роль в охране окружающей среды принадлежит эколого-химической технологии утилизации различных полимеров. На государственном уровне признана и утверждена экологическая программа создания научных основ новых экологически чистых и ресурсосберегающих технологий, процессов безопасной переработки и утилизации полимерных материалов.
Основные законы экологии Коммонера [1] утверждают, что «Всё должно куда-то деваться». Как следствие закона сохранения массы и энергии, полимеры, после их использования в течение «жизненного» цикла, должны перерабатываться в безопасные компоненты.
Сроки «жизненного» цикла (в годах) изделий из пластмасс, до момента попадания их в отходы [2] , приведены в табл.1.
| SCIENCE TIME |
Таблица 1
Сроки службы (в годах) изделий, до момента попадания их в отходы
№ Наименование Изделия Срок службы, год
1 Упаковка, фотоплёнка, столовое и больничное бельё 1
2 Строительный листовой материал, обувь 2
3 Одежда 4
4 Предметы домашнего обихода, игрушки, бижутерия 5
5 Спорттовары 7
6 Автозапчасти, приборы 10
7 Кабели 15
В процессе разложения парафиновых полимеров происходит образование высокотоксичных, продуктов. Данные таблицы 1 указывают на необходимость внедрения технологий раздельного сбора отходов из полимеров и их утилизации.
Казалось бы, «Природа «знает» лучше» - и мельчайшие природные организмы, например, грибы, могут перерабатывать стойкие к внешнему воздействию вещества. Однако, «Ничто не даётся даром, или за всё надо платить» - наличие макромолекул полимера, осложняет экологическую составляющую использования и переработки композиций на основе полимеров [1].
Поэтому в настоящее время проблема переработки отходов полимерных материалов обретает актуальное значение в связи с тем, что пластмассовые отходы потенциально являются мощным сырьевым и энергетическим ресурсом [3]. Стоимость уничтожения отходов пластмасс в 8 раз превышает расходы на обработку большинства промышленных и в три раза - на уничтожение бытовых отходов. Это связано со специфическими особенностями пластмасс, значительно затрудняющими или делающими непригодными известные методы уничтожения твёрдых отходов [4].
Наиболее эффективным способом утилизации полимеров-полиолефинов является их повторное использование. Основные методы вторичной переработки и использования наиболее распространённых полимерных материалов можно рассмотреть на примере многотонажных полиолефинов. К полиолефинам относятся полиэтилен высокой плотности ПЭ-ВП и полиэтилен низкой плотности ПЭ-НП и полипропилен ПП.
По мнению авторов [2], использование вторичных термопластов и полиолефинов позволяет увеличить степень удовлетворения в них на 15...20 %. В частности, бутылочный продукт может быть использован в технических целях.
| SCIENCE TIME |
При получении изделия вторичный ПЭТФ можно добавлять в первичный полимер, соединять, например, сплавляя с поликарбонатом, для производства деталей технического назначения. Также очищенные ПЭТФ - хлопья можно использовать для приготовления текстильных волокон, синтепона, кровельных материалов, покрытий для пола автомобилей, пленок и листов, упаковок, бутылок для технических жидкостей; литьевых изделий конструкционного назначения (в том числе из стеклонаполненного ПЭТФ) для автомобильной промышленности и т.д. [2]
Наиболее просто перерабатываются отходы производства, которые не подверглись интенсивному световому воздействию в процессе эксплуатации, и отходы из полиэтилена высокой плотности и полипропилена.
Ниже представлены схемы синтеза этих полимеров из этилена в присутствии катализаторов Циглера-Натта (катализаторы на основе соединений титана):
- полиэтилена высокой плотности
пСН2 = СН2 (- сн2 - СН2 -)п
- пропилена
Вторичные изделия, изготавливаемые из полиэтилена высокой плотности и полипропилена, не претерпевают значительных воздействий. Исходные полимеры более устойчивы к воздействию атмосферных факторов. В табл.2 приведены некоторые свойства полимеров до и после старения использованных изделий.
Таблица 2
Свойства ПЭ-НП до и после старения в течение трёх месяцев и вторичного полиэтилена низкой плотности (ВПЭНП), полученного экструзией из
состаренной плёнки [2]
Характеристики ПЭ-НП Вторичный ПЭ-НП
Исходный После эксплуатации Экструзия состаренной плёнки
Содержание групп С-О, моль 0,1 1,6 1,6
продолжение таблицы 2
Содержание геля, % 0 20 20
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа 15,5 11,4 10
Относительное удлинение при разрыве, % 490 17 125
Стойкость к растрескиванию, ч 8 - 1
Светостойкость, сут 90 - 50
В ПЭ-НП при старении происходит накопление кислородсодержащих групп, и значительное снижение физико-механических характеристик, которые не восстанавливаются после вторичной переработки старой полиолефиновой плёнки; наличие геля во ВПЭ-НП значительно повышает энергию активации вязкого течения полимера.
Отходы полистирола (ПС) накапливаются в виде вышедших из употребления изделий из полистирола и его сополимеров:
сн = сн2
каг
- СН - сн2 -
А
и промышленных (технологических) отходов полистирола общего назначения, ударопрочного полистирола (УПС) и его сополимеров.
Вторичное использование полистирольных пластиков может идти по следующим путям: утилизация сильно загрязнённых промышленных отходов; утилизация технологических отходов полистирола УПС и акрилонитрилбутадиенстирольного пластика (АБС-пластика) методами литья под давлением, экструзии и прессования; утилизация изношенных изделий; утилизация отходов пенополистирола (ППС); утилизация смешанных отходов. Технологические отходы полистирола (как и ПО) по своим физико-механическим и технологическим свойствам не отличаются от первичного сырья. В данный момент из-за массового потребления напитков в упаковке из полиэтилентерефталата (ПЭТ-бутылок) на полигонах твёрдых бытовых отходов накопилось более 2 млн. т использованной пластиковой тары, являющейся ценным химическим сырьём.
Создаются технологии вторичной переработки полимерных отходов,
I
SCIENCE TIME
I
экологической утилизации и обезвреживания полимерных отходов с конструированием новых экологически безопасных материалов для использования в технике, медицине, косметике, сельском хозяйстве и других отраслях деятельности человека.
Разработаны способы переработки полимерных материалов с использованием микроорганизмов, плазменных и других методов обработки.
В статье [5, 6] рассматривается возможность совместной переработки отходов производства металлургической (например, золошлак) и энергетической (угольный шлак) отраслей, добавляя вторичное полимерное ПВХ сырьё. Предложено использовать полимерные отходы для получения композиционных материалов, а в качестве наполнителей для композитов использовать минеральные отходы.
В качестве альтернативы традиционным методам модификации волокнистых материалов приобретают плазменные методы обработки, представляющие собой воздействие на материалы плазмы газовых разрядов [7]. Они позволяют направленно изменять структуру волокно образующего полимера с целью изменения физико-механических свойств композиционных материалов .
Результаты экспериментальных исследований механических свойств композиционного материала, состоящего из стиролсодержащих полимеров, предназначены для улучшения морозо- и водостойкости [8]. Это достигается тем, что состав для композиционного материала, включающий фурфуролацетоновую смолу ФАМ, образуется при конденсации ацетона и фурфурола в присутствии щелочного катализатора с образованием моно - и дифурфурилиденацетона:
Авторы статей [9, 10] предложили использовать продукты вторичных полимеров в качестве адсорбента для защиты окружающей среды от нефтесодержащих сточных вод. Наличие двойных связей линейной структуры и ароматических групп между карбоксильными группами целлюлозы могут обеспечить высокую гидрофобность адсорбента. Таким образом, можно решить проблему как утилизации отходов, так и защиту окружающей среды от нефти путем многократной регенерации.
Принципы «green engineering» [11] охватывают и некоторые из наиболее важных промышленных процессов переработки полимеров.
Работа [12] посвящена изучению деструкции полиэтилена (ПЭ),
I
SCIENCE TIME
I
модифицированного крахмалом и биогенными добавками различной природы в различном соотношении при воздействии микромицетов плесневых грибов. Все материалы на основе крахмала являются биоразрушаемыми в течение 6-12 месяцев.
Это явление объясняется образованием во влажной питательной среде ионно-координационных связей между молекулами ПЭ и ионами металлов неорганического наполнителя в составе композитов. Такой механизм предполагает достаточно безвредное и быстрое разрушение «долгоживущих» полимеров.
Литература:
1. Б. Коммонер. Замыкающийся круг. Л., Гидрометеоиздат. 1974. 280 с.
2. Ивановский С.К., Бахаева А.Н., Жерякова К.В., Ишкуватова А.Р. К вопросу переработки полимерных композиционных материалов // Успехи современного естествознания. 2014. № 12-5. С. 592-595.
3. Базунова М.В., Прочухан Ю.А. Способы утилизации отходов полимеров // Вестник Башкирского университета. 2008. Т. 13. № 4. С. 875-885.
4. Рахимов М.А., Рахимова Г.М., Иманов Е.М. Проблемы утилизации полимерных отходов // Фундаментальные исследования. 2014. № 8-2. С. 331-334.
5. Ершова О.В., Коляда Л.Г., Чупрова Л.В. Исследование возможности совместной утилизации техногенных минеральных и полимерных отходов // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 1. С. 1-8.
6. Кожевников Н.В., Кожевникова Н.И., Гольдфейн М.Д. Решение некоторых экологических проблем полимерной химии // Известия Саратовского университета. 2010. Т. 10. Сер. Химия. Биология. Экология. Вып. 2. С. 34-42.
7. Сергеева Е.А., Букина Ю.А., Ершов И.П. Гидрофилизация поверхности тканей на основе волокон из сверхвысокомолекулярного полиэтилена с помощью плазменной обработки // Вестник Казанского технологического университета. 2012. № 17. С. 110-113.
8. Стародубцева Т.Н. Состав и механические характеристики композиционного материала для изделий транспортного строительства // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 10-1. С. 43-45.
