CC BY
169
стр. 15 из 225
УДК 628.477.6 DOI: 10.12737/11887
ИЗВЛЕЧЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ И ИХ УТИЛИЗАЦИЯ
Шубов Лазарь Яковлевич, доктор технических наук, профессор, bgdtf@rambler.ru
Научно-исследовательский центр по проблемам управления ресурсами и отходами,
Москва, Российская Федерация
Доронкина Ирина Геннадиевна, кандидат технических наук,
доцент кафедры физического воспитания и безопасности жизнедеятельности,
dora1096@yandex.ru,
Борисова Оксана Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры сервисного инжиниринга, bgdtf@rambler.ru
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,
Москва, Российская Федерация
Основной эффект в решении проблемы твердых бытовых отходов (ТБО) дает извлечение из них или предотвращение попадания в них вторичных материальных ресурсов (ВМР). Одним из основных попадающих в ТБО ценных компонентов являются полимерные отходы. Их содержание в ТБО составляет около 10 %, причем до 40 % из них приходится на долю полимерных пленок. Попадание полимерных материалов в окружающую среду приводит к её существенному загрязнению, поскольку в естественных условиях пластмассовые отходы не разлагаются и не разрушаются в течение многих десятилетий.
Авторами рассмотрены некоторые способы переработки полимерных отходов и отмечено, что для извлечения полимерных материалов из ТБО наиболее приемлемы методы сепарации, не связанные с изменением агрегатного состояния пластмасс в процессе сепарации.
Экспериментально показано, что оптимальные результаты извлечения
полимерной пленки из потока ТБО обеспечивает комбинация двух процессов обогащения -аэросепарации и электросепарации. В качестве параметров оптимизации сепарационного процесса полимерных пленок использованы технологические критерии (комбинация основных параметров обогащения), а в качестве метода исследования процесса - математическое моделирование.
Авторами отмечены методы интенсификации процессов обогащения и регулирования физических свойств компонентов разделяемой смеси материалов и сообщается, что из различных методов электросепарации использованы сильные электрические поля и соответственно высокое электрическое напряжение.
В статье приведены зависимости удельного электрического сопротивления образцов макулатуры и полимерной пленки от влажности, а также кривые обогатимости этих компонентов при аэросепарации в различных условиях и показатели их обогащения.
Ключевые слова: отходы, полимерные отходы, электросепарация
стр. 16 из 225
Основным эффектом в решении проблемы твердых бытовых отходов, как показывает уровень мирового развития, обеспечивается за счет извлечения, а также предотвращения попадания в отходы ценных компонентов. В качестве вторичных материальных ресурсов твердые бытовые отходы (ТБО) могут быть использованы для получения новых материалов. Повышение использования ТБО весьма актуально, поскольку вторичное использование отходов позволяет сохранить как материалы, так и вложенную в них энергию [7].
Полимерные отходы являются одним из основных ценных компонентов, попадающих в ТБО. Около 10 % в отходах составляют именно полимерные отходы. Закупочные цены в России в 2014 году на полимерные отходы достигли 30-35 тыс. руб. за тонну. Для сравнения, закупочные цены на макулатуру - 2-6 тыс. руб. за тонну, а на лом алюминия - 40-60 тыс. руб. за тонну. Основными предпосылками вовлечения в промышленную переработку и утилизацию полимерных отходов является загрязнение окружающей среды. В естественных условиях пластмассовые отходы не разлагаются и не разрушаются в течение многих десятилетий, поэтому назрела необходимость решения технологической задачи извлечения полимерных материалов из ТБО [2].
До 40 % из общей массы полимерных отходов потребления приходится на долю полимерных пленок - это упаковочная пленка для пищевых продуктов из полипропилена, пленки из поливинилхлорида, пленочные материалы из полиэтилена низкой плотности, упаковочная пленка из полиэтилентерефталата.
С экологических и экономических позиций из различных способов переработки полимерных отходов наиболее привлекательны методы формования смешанных полимерных пленок для получения новых композиционных материалов. Формы, используемые в процессе интрузии, отличаются простотой конструкции. Тщательная очистка исходных материалов не нужна, а само формование не требует высоких давлений. Содержание пленки в смеси получаемых материалов - 30-70 %. Эти материалы могут использоваться как для изготовления прессованной тары и упаковки, так и для строительных целей [3].
Методы сепарации, как показывают исследования, наиболее приемлемы для извлечения полимерных материалов из ТБО, т.к. не связанны с изменением агрегатного состояния пластмасс в процессе сепарации [8].
Полимерные отходы, наряду с другими легкими компонентами ТБО, такими как синтетический текстиль, макулатурообразующие компоненты и др., достаточно легко отделить от общей массы твердых бытовых отходов с помощью аэросепарации. В
стр. 17 из 225
результате этого процесса получается легкая фракция ТБО. Аэросепарации подвергается класс ТБО крупностью 250 мм. Выход легкой фракции от исходного - 12-15 %; она содержит около 45 % макулатуры, 8-15 % полимерных материалов, до 5 % пищевых и растительных и около 2 % текстильных отходов, а также примеси других компонентов, включая тонкие материалы, в т.ч. полимерные. Извлечение полимерных отходов в легкую фракцию от исходного - 90-95 %.
Объектом для извлечения полимерной пленки в самостоятельный продукт является легкая фракция ТБО.
На использовании различий в свойствах разделяемых компонентов базируется сепарация любых поликомпонентных смесей [9]. Выбор методов сепарации легкой фракции ТБО затруднен вследствие близости физических свойств входящих в её состав компонентов. Исключение представляют собой пищевые отходы, в небольшом количестве присутствующие в легкой фракции. Полимерная пленка почти не отличается от других компонентов по плотности и аэродинамическим свойствам.
Не оптимизировав состав легкой фракции перед электросепарацией, сложно использовать различие в электрофизических свойствах полимерной пленки и других компонентов легкой фракции твердых бытовых отходов, по следующим причинам [10]:
- методы электросепарации обеспечивают высокую чистоту разделения материалов, однако аппаратура, применяемая для этих целей, характеризуется невысокой производительностью;
- эффективное разделение материалов в электрическом поле достигается лишь при однослойной их подаче в зону сепарации или при существенном различии материалов в электрофизических свойствах;
- для электросепарации крайне нежелательно пылеобрабатывание.
Исходя из вышеперечисленного, для уменьшения нагрузки на процесс электросепарации и для оптимизации состава сепарируемой смеси компонентов необходимо повысить содержание полимерной пленки в питании процесса, а также минимизировать выход материала, направляемого на доводку методом электросепарации. При необходимости следует искусственно усилить различие в электрофизических свойствах разделяемых компонентов [4].
Согласно поисковым исследованиям, для предварительного обогащения легкой фракции ТБО целесообразно использовать аэросепарацию в горизонтальном потоке воздуха. Увлажнением материала можно направленно регулировать физические свойства
стр. 18 из 225
компонентов легкой фракции. Характеристики воздушного потока регулируются формированием необходимого скоростного профиля, что достигается с помощью специальных заслонок, предусмотренных в конструкции аэросепаратора.
Согласно размерам рабочей зоны аппарата максимальная крупность материала составляет 80х80 мм, сечение камеры разделения - 1,1х0,1 м. Производительность сепаратора составляет около 1 кг/мин.
Подлежащий сепарации материал подается в камеру разделения при помощи загрузочного устройства, где из него выдуваются компоненты низкой плотности при помощи горизонтального потока воздуха определенной скорости. При сепарации получаются три продукта:
— концентрат, который является наиболее легкой фракцией;
— промпродукт — фракция промежуточной плотности;
— хвосты — тяжелая фракция.
Концентрат и промпродукт составляют легкую фракцию, они при необходимости могут быть объединены вместе в один продукт. При этом должно быть обеспечено максимально возможное извлечение полезной фракции [5].
Для оптимизации сепарационного процесса полимерных пленок были проведены эксперименты, в ходе которых были выявлены переменные условия:
— влажность исходной смеси материалов;
— режимы аэросепарации;
— пробы материалов.
Влажность исходной смеси материалов может быть 40, 50, 60 и 70 %. Режимы аэросепарации отличаются профилями скоростей в вертикальной плоскости, и возможны четыре варианта. Пробы материалов отличаются формой компонентов, в основном преобладают шарообразные и пластинчатые компоненты, возможны два варианта.
Для изучения скоростных параметров воздушных потоков использован метод микрозондирования с помощью чувствительных элементов термоанемометрической системы. Чувствительный элемент сопротивления (пленочный зонд) фиксирует мгновенную скорость воздуха в данной точке, пропорциональную мгновенной тепловой потере элемента, после помещения в воздушный поток.
Учитывая массовость самого процесса, а также случайный характер причин, влияющих на процесс аэросепарации макулатуры и полимерной пленки, в качестве метода
стр. 19 из 225
его исследования использовано математическое моделирование - это достигается путем применения дисперсионного анализа.
По итогам результатов экспериментов были определены оптимальные условия аэросепарации:
— влажность исходной смеси материалов - около 40 %, но не более 60 %;
— профиль скорости — переменный, скорость воздуха в нижней части камеры — 1,25 м/с, а в верхней части камеры разделения — 0,89 м/с;
— предпочтительно преобладание в пробе компонентов шарообразной формы.
При сепарации различными способами наиболее сложным является разделение
полимерной пленки и газетной бумаги. При аэросепарации в потоке воздуха обеспечивается больший селективный процесс по сравнению с обычным режимом, при скорости воздуха в верхней части камеры — 0,89 м/с, а в нижней — 1,25 м/с. Для интенсификации процесса аэросепарации физические свойства компонентов направленно регулировали увлажнением материала, при этом оптимальная влажность материала составляла около 40 %.
Для последующей доводки материала электросепарацией очень важно, чтобы на практике обогащение легкой фракции ТБО в горизонтальном потоке воздуха обеспечивало снижение ее выхода в 3—5 раз.
Из различных методов электросепарации использованы сильные электрические поля и соответственно высокие электрические напряжения. В процессе электросепарации используются различия в электрофизических свойствах разделяемых компонентов, в данном случае различие компонентов в диэлектрической проницаемости и в электрической проводимости.
Для интенсификации процесса электросепарации изучена возможность направленного регулирования удельных электрических сопротивлений образцов материалов с помощью увлажнения. Как показали исследования, диэлектрическая проницаемость мало зависит от влажности и изменяется у всех образцов в пределах одного порядка.
На рисунке 1 приведена зависимость удельного электрического сопротивления различных материалов от влажности. Отмечено, что при изменении влажности от 0 до 30 % удельное электрическое сопротивление полимерной пленки изменяется в пределах одного порядка. Удельное электрическое сопротивление бумаги, картона, ткани из натуральных волокон изменяется на 3—4 порядка уже при влажности 10 %. При влажности
стр. 20 из 225
20 % макулатурообразующие компоненты по проводимости приближаются к металлам (pi = 102 - 105Ом-м). Исходя из вышеизложенного, можно констатировать, что увлажнение смеси материалов можно рассматривать как избирательное регулирование удельного электрического сопротивления этих материалов. Искусственное увеличение различия в электрофизических свойствах материалов позволяет обоснованно применять для их разделения электросепарацию в поле коронного разряда. Использован электросепаратор ленточного типа [1].
0 10 20 30 Влажность, %
Рисунок 1 - Зависимость удельного электрического сопротивления образцов макулатуры и полимерной пленки от влажности:
1 - бумага оберточная; 2 - бумага газетная;
3 - бумага тетрадная и журнальная; 4 - бумага пакетная;
5 - бумага журнальная (обложка); 6 - картон упаковочный;
7 - полиэтилен толщиной 0,1 мм; 8 - полиэтилен толщиной 0,06 мм
На рисунке 2 приведена зависимость показателей извлечения полимерной пленки от влажности легких компонентов твердых бытовых отходов при использовании процесса электросепарации. Извлечение пленки в непроводящую фракцию достигает 95 % уже при влажности 30 %, что на 50-70 % выше, чем при воздушно-сухом состоянии. Содержание пленки в непроводящей фракции - 95-97 %. Влияние влажности на результаты электросепарации хорошо согласуется с данными по изменению удельного электрического сопротивления при увлажнении образцов.
стр. 21 из 225
Рисунок 2 - Зависимость показателей электросепарации макулатуры и полимерной пленки от влажности исходной смеси материалов:
1 - содержание полимерной пленки,
2 - извлечение полимерной пленки в непроводящую фракцию;
конвейерная лента: а - сукно «бетта»; б - КЩС; в - обычная конвейерная
Оптимальные условия электросепарации - это скорость конвейера до 1,5 м/с, влажность материалов 30-40 % и напряжение коронирования 30 кВ.
Получаемые в результате сепарации твердых бытовых отходов продукты для вторичного использования или утилизации должны удовлетворять действующим стандартам, которые гарантируют эффективность их вторичной переработки. Выделяемые полупродукты (фракции отходов) должны соответствовать требованиям конкретного производства, куда они будут направлены. Это может быть термическое, биотермическое или иное производство [6].
Литература
1. Борисова, О.Н. Технологические закономерности процессов извлечения биоразлагаемой фракции из коммунальных отходов с целью повышения их комплексного использования: дис. ... канд. техн. наук: 05.17.08. - М., 2011.
2. Доронкина, И.Г. Оптимизация механических процессов подготовки твердых бытовых отходов к их газификации: дис. ... канд. техн. наук: 05.17.08. - М., 2012.
3. Каракеян, В.И., Кольцов, В.Б. Процессы и аппараты защиты окружающей среды. - Ч. 1. Процессы и аппараты защиты атмосферы. - М., 2007. - 124 с.
стр. 22 из 225
4. Каракеян, В.И., Кольцов, В.Б. Теоретические основы защиты окружающей среды. - Ч. 2. Специальные методы очистки сточных вод и основные методы сепарации твердых отходов. - М., 2005. - 164 с.
5. Шубов, Л.Я., Ставровский, М.Е., Олейник, А.В. Технология твердых бытовых отходов: учебник. - М.: АЛЬФА-М: ИНФРА-М, 2011. - 396 с.
6. Шубов, Л.Я., Борисова, О.Н., Доронкина, И.Г. Ненавязчивые советы по
наболевшей проблеме // Твердые бытовые отходы. - 2014. - №7. - С. 14-19.
7. Шубов, Л.Я., Борисова, О.Н., Доронкина, И.Г. Состав ТБО - критерии
эффективности схем управления // Твердые бытовые отходы. - 2013. - №12. - С. 28-33.
8. Шубов, Л.Я., Борисова, О.Н., Доронкина, И.Г. Технологии обращения с
отходами: преимущества и недостатки, мифы и реалии // Твердые бытовые отходы. -2011. - №10. - С. 10-15.
9. Шубов, Л.Я., Борисова, О.Н., Доронкина, И.Г. Разработка и исследование технологии сепарации биоразлагаемой фракции твердых бытовых отходов по плотности (выделение грубого концентрата) // Сервис в России и за рубежом. - 2011. - №1(20). [Электронный ресурс]: URL: http://old.rguts.ru/electronic journal/number20/contents (дата обращения: 03.03.2015).
10. Шубов, Л.Я., Доронкина, И.Г, Борисова, О.Н. Оптимизация процессов управления твердыми бытовыми отходами как единая технологическая и экономическая система // Вестник Ассоциации ВУЗов туризма и сервиса. - 2009. - №4. - С. 24-32.
EXTRACTION OF POLYMER MATERIAL FROM MUNICIPAL SOLID WASTE AND THEIR UTILIZATION
Lazar Shubov, PhD (Dr.Sc.) in Engineering, Professor, bgdtf@rambler.ru
Research Center for resource saving and waste management,
Moscow, Russia
Irina Doronkina, PhD in Engineering sciences, Associate Professor, dora1096@yandex.ru, Oksana Borisova, PhD in Engineering sciences, Associate Professor,bgdtf@rambler.ru
Russian State University of Tourism and Service,
Moscow, Russian Federation
The main effect in solving the problem of municipal solid waste (MSW) gives extraction or preventing the ingress in them secondary material resources (SMR). Ones of the main valuable components falling in the MSW are polymeric wastes. Their content in the MSW is about 10%, and 40% are accounted for the polymeric films. Entering ofpolymeric materials in
стр. 23 из 225
the environment leads to its significant pollution because in vivo the plastic waste is not decomposed and not degraded over many decades.
The authors considered some ways to recycle plastic waste and noted that for the extraction of polymeric materials from MSW are most appropriate methods of separation, that isn't connected with changes in the aggregate state of the plastics in the process of separation.
It was shown experimentally that the best results of polymeric films extraction from the flow of solid waste provides a combination of two enrichment processes - aeroseparation and electrical separation. As the parameters optimization of the separation process of the polymeric films used technological criteria (a combination of the basic parameters of enrichment), and as a method to study the process - mathematical modeling.
The authors noted the methods of intensification of the enrichment processes and control the physical properties of the components of separated composition of materials, and it is reported that in the various methods electrical separation had been used strong electric fields and thus a high voltage.
The dependences of the specific electrical resistance of the samples of waste paper and polymeric film from moisture and curves of ability for enrichment of these components with aeroseparation in different conditions and indicators of their enrichment are shown in the article.
Keywords: waste, polymeric waste, electrical separation
References
1. Borisova, O.N. Tehnologicheskie zakonomernosti processov izvlechenija biorazlagaemoj frakcii iz kommunal'nyh othodov s cel'ju povyshenija ih kompleksnogo ispol'zovanija [Technological regularities of extraction biodegradable fraction of municipal waste in order to improve their comprehensive use]. Dissertatsiia kandidata tehnicheskih nauk [Candidate of Engineerings’ thesis]: 05.17.08. Moscow, 2011.
2. Doronkina, I.G. Optimizacija mehanicheskih processov podgotovki tverdyh bytovyh othodov k ih gazifikacii [Optimization of mechanical processes of the preparation of municipal solid waste to their gasification]. Dissertatsiia kandidata tehnicheskih nauk [Candidate of Engineerings’ thesis] 05.17.08. Moscow, 2012.
3. Karakejan, V.I., Kol'cov, V.B. Processy i apparaty zashhity okruzhajushhej sredy. -Ch. 1. Processy i apparaty zashhity atmosfery [Processes and devices of environmental protection. Part 1: Processes and devices protecting the atmosphere]. Moscow, 2007. 124 p.
4. Karakejan, V.I., Kol'cov, V.B. Teoreticheskie osnovy zashhity okruzhajushhej sredy. -Ch. 2. Special'nye metody ochistki stochnyh vod i osnovnye metody separacii tverdyh othodov [The theoretical bases of the environment protection. - Part 2. Special methods of wastewater treatment and basic methods of solids waste separation]. Moscow, 2005. 164 p.
5. Shubov, L.Ja., Stavrovskij, M.E., Olejnik, A.V. Tehnologija tverdyh bytovyh othodov [The technology of municipal solid waste]. Moscow: AL’FA-M: INFRA-M, 2011. 396 p.
стр. 24 из 225
6. Shubov, L.Ja., Borisova, O.N., Doronkina, I.G. Nenavjazchivye sovety po nabolevshej probleme [The unobtrusive advice on painful problem] // Tverdye bytovye othody [Municipal solid waste]. 2014. №7. P. 14-19.
7. Shubov, L.Ja., Borisova, O.N., Doronkina, I.G. Sostav TBO - kriterii jeffektivnosti shem upravlenija [The composition of solid waste - criteria of effectiveness of management schemes] // Tverdye bytovye othody [Municipal solid waste]. 2013. №12. P. 28-33.
8. Shubov, L.Ja., Borisova, O.N., Doronkina, I.G. Tehnologii obrashhenija s othodami: preimushhestva i nedostatki, mify i realii [Waste Technology: advantages and disadvantages, myths and realities] // Tverdye bytovye othody [Municipal solid waste]. 2011. №10. P. 10-15.
9. Shubov, L.Ja., Borisova, O.N., Doronkina, I.G. Razrabotka i issledovanie tehnologii
separacii biorazlagaemoj frakcii tverdyh bytovyh othodov po plotnosti (vydelenie grubogo koncentrata) [Development and research technology of separation biodegradable fraction of municipal solid waste by density (separation of coarse concentrate)] // Servis v Rossii i za rubezhom [Services in Russia and Abroad]. 2011. №1(20). URL:
http://old.rguts.ru/electronic_journal/number20/contents (Accessed on March 03, 2015).
10. Shubov, L.Ja., Doronkina, I.G, Borisova, O.N. Optimizacija processov upravlenija tverdymi bytovymi othodami kak edinaja tehnologicheskaja i jekonomicheskaja sistema [Optimization of processes solid waste management as a single technological and economic system] // Vestnik Assotsiatsii vuzov turizma i servisa [Universities for Tourism and Service Association Bulletin]. 2009. №4. P. 24-32.
