CC BY
19
УДК 504.064.45
Малистина А.Л., Еремина Е.А., Ермоленко Б.В.
НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К АНАЛИЗУ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ В КАЧЕСТВЕ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ
Малистина Анастасия Леонидовна - студент 4-го года обучения кафедры промышленной экологии. Еремина Елена Александровна - аспирант 1-го года обучения кафедры промышленной экологии Ермоленко Борис Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной экологии; ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены схемы производства полимерных материалов, а также вариант цикличного производства полимеров; обоснована важность использования полимерных отходов как вторичного сырья; проанализирован опыт зарубежных стран в области обращения с отходами.
Ключевые слова: полимеры, полимерные отходы, твердые коммунальные отходы, пластик, пластмассы, отходы, полиэтилен, полиэтилентерефталат, утилизация, переработка, обработка
ANALYSIS OF THE USE OF POLYMER WASTE AS SECONDARY RAW MATERIALS
Malistina A.L., Eremina E.A., Ermolenko B.V.
1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article considers the schemes of polymer materials production, a variant of cyclic polymer production; the importance of using polymer waste as a secondary raw material is substantiated; the experience offoreign countries in the field of waste management is analyzed.
Keywords: polymers, polymer waste, solid municipal waste, plastic, plastics, waste, polyethylene, polyethylene terephthalate, recycling, recycling, processing
Проблема обращения с полимерными отходами.
Полимеры - это вещества, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев. В промышленности они являются основой пластмасс, химических волокон, резины, лакокрасочных материалов, клеев и др. В современном мире лидерами по производству стали синтетические полимеры, получить которые можно из простых соединений в лабораторных и промышленных условиях в большом объеме. Легкость обработки, возможность принимать различные формы (как твердые, так и пластичные), относительная дешевизна являются основными причинами, по которым человечество со временем стало применять полимерные материалы все в больших количествах. Однако, многие из нас используют полимерные материалы каждый день, даже не задумываясь о том, каким образом были созданы те или иные предметы, количество которых вокруг нас чрезвычайно велико: пакеты, бутылки, корпуса техники, предметы быта, окна и др. [1].
Основными ресурсами для получения полимерных материалов являются природный газ, уголь и нефть. От общего количества добытой нефти и газа примерно 4% расходуется в качестве сырья для производства пластмасс, и около 3-4% потребляют в их производстве для обеспечения энергией [2]. Сырьевая составляющая в себестоимости производства полимеров близка к 7080 %. Если учесть, что, например, такие продукты, как пакеты и бутылки, люди используют ежедневно, относясь к ним как к предметам одноразовым, можно представить, какое количество полимерных
отходов образуется и сколько невозобновляемых ресурсов необходимо израсходовать, чтобы изготовить новые изделия такого вида, срок жизни которых будет также короток.
Анализ организации обращения с отходами в России и за рубежом. На текущий момент на территории России ежегодно образуется примерно 55-60 млн тонн твердых коммунальных отходов (ТКО). Более 90% из них направляются на мусорные полигоны и несанкционированные свалки. Доля полимерных отходов от общего числа ТКО варьируется в пределах 6-13% в зависимости от региона страны. То есть примерно 7 млн тонн потенциального ресурса просто захоранивается, а не вводится в цикличное производство [3].
Результаты анализа опыта обращения с отходами в экономически развитых странах, например, Японии и Швейцарии, указывают на их преимущественное энергетическое использование и переработку с получением новой продукции. Политика этих стран в области защиты окружающей среды и ресурсосбережения направлена на минимизацию образования и размещения отходов. В России в настоящее время преобладает размещение отходов. Захоронение - наиболее нерациональный способ обращения с ТКО. Оно исключает использование полезных свойств отходов и наносит серьезный вред окружающей среде. Мусоросжигание позволяет произвести тепло и электроэнергию, однако, исключает их участие в рециклинге. Переработка же реализует потенциал отходов в полной мере. Она предусматривает повторное
применение отходов, в том числе по их прямому назначению (рециклинг), возврат в
производственный цикл после соответствующей подготовки (регенерацию), извлечение полезных компонентов для их повторного применения (регенерацию).
Переработка позволяет получить новые продукты, и предотвращает размещение отходов на полигонах, а, следовательно, исключает отторжение земель и загрязнение окружающей среды в процессе захоронения ТКО. Также замещение отходами исходного сырья при производстве продукции исключает стадии получения исходного сырья, включая операции, связанные с подготовкой, переработкой, транспортировкой нефти, что приводит к сбережению сырьевых, энергетических и финансовых ресурсов. Кроме того, исключаются перечисленные выше затраты и негативное воздействие на окружающую среду не только на самих стадиях получения полимера, а также на стадиях получения тепло и электроэнергии для операций, связанных с затратами энергии.
Преобладание того или иного направления обращения с отходами, в том числе полимерными, обусловлено стратегией государства в рассматриваемой сфере (рис. 1),и, несомненно, при ее формировании должен учитываться положительный опыт зарубежных стран.
Япония Швейцария Россия
■Захоронение "Переработкаво вторсырье 'Сжигание Рис 1. Обращение с отходами
К примеру, Япония отдает предпочтение мусоросжиганию, и порядка 69 % всех ТКО перерабатывается именно таким методом, так как это позволяет получить большое количество электроэнергии, в которой страна нуждается. Система утилизации с получением сырья имеет место быть, но не является приоритетной. Лишь 18
% полимерных отходов перерабатывается внутри страны, остальное либо сжигается, либо вывозится в другие страны Юго-Восточной Азии. Процент захоронения отходов составляет всего 12 %.
Швейцария избрала путь обращения с отходами, в котором главенствующую роль занимает утилизация с получением вторичного сырья, порядка 52% отходов перерабатываются. Среди стран Европы, где средний показатель по переработке от общего количества ТКО равен примерно 20-25%, Швейцария занимает лидирующую позицию. Стратегия Швейцарии в области обращения с отходами состоит в следующем: все, что нельзя переработать, необходимо сжечь. При этом уровень захоронения минимальный и близок к 1%.
Организация обращения с отходами в России сильно отличается и от Японии, и от Швейцарии. Большая часть отходов захоранивается на полигонах. Перерабатывается с получением сырья порядка 7%, сжиганию с получением энергии и тепла подвергается лишь 3% ТКО [4, 5]. Нерациональное использование их ресурсного потенциала и имеющие место серьезные экологические проблемы приводят к необходимости реформирования этой отрасли в направлении энергетической и товарной утилизации отходов. Во-первых, это позволит снизить
количество отходов, идущих на захоронение, что уменьшит негативное воздействие, оказываемое ими на окружающую среду. Во-вторых, будет создана сфера производства продукции, ориентированная на уменьшение потребления невозобновляемых сырьевых ресурсов.
Возможные направления утилизации
полимерных отходов. Система обращения с ТКО с применением их в качестве вторичного сырья и введением в производственный цикл подходит для полимерных отходов. Полимерные отходы относительно легко поддаются переработке, поэтому из них можно получить большое количество самой разнообразной продукции. На рисунке 2 показаны примеры направлений утилизации отходов из полиэтилентерефталата (ПЭТФ), удельный вес которого в общей массе полимерных отходов равен 25 %.
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ)
Упаковка: ■ Бутылки ■ Упаковка для пищевых продуктов ■ Упаковка косметических средств ■ Упаковочные лотки ■ Блистерная упаковка Предметы быта: ■ Магнитные носители для аудио-видеоинформации ■ Составные части бытовой техники Медицина: ■ Шовный материал ■ Эндопротезы ■ Клапаны сердца и сосудов
Другое: ■ Прозрачные листы в сельском хозяйстве и строительной сфере ■ В качестве электроизоляционного материала Машиностроение: ■ Армирование автомобильных шин; ■ Транспортерные ленты ■ Шланги высокого давления ■ Материала вкладышей подшипников
Текстильная промышленность: ■ Нити ■ Волокна
Рис. 2. Возможные направления утилизации ПЭТФ
Говоря о повторном применении полимеров, важным будет упомянуть, что чистота полимерного материала и некоторые его химические и физические свойства напрямую будут зависеть от того, первичный это полимер или вторичный. Первичные гранулы обладают явной идентичностью, и поэтому превосходят вторичные по некоторым свойствам, а также обладают более четкой молекулярной структурой. При производстве гранул из полимера обеспечивается сохранность защитного слоя, благодаря чему создается необходимая плотность и стерильность материала. Так, например, для изготовления изделий медицинского, фармацевтического и пищевого назначения применяются только первичные гранулы. Их производство требует наличия высоких технологий, значительных капитальных вложений и текущих затрат, а для достижения приемлемых показателей эффективности должно быть достаточно крупным. Такого многие страны не могут себе позволить, а потому они импортируют первичный гранулят.
Жизненный цикл производства первичных полимерных материалов. Производство первичных полимеров начинается с процесса нефтедобычи. Данная стадия является очень затратной и осуществляется крупнейшими предприятиями страны. Затем нефть проходит через стадии первичной обработки и транспортировки, так как зачастую следующий этап, а именно вторичная обработка, осуществляется не в регионе добычи. На стадии вторичной обработки происходит уже непосредственное получение полимерного материала (полиэтилена, полипропилена, полиэтилентерефталата, поливинилхлорида, полистирола и др.), который чаще всего представлен в виде гранул. В свою очередь гранулы отправляются на изготовление конечной продукции, в результате использования которой образуются полимерные отходы. Укрупненная схема жизненного цикла первичных полимеров отображена на рис. 3.
Подготовленная нефть
Первичная обработка Транспортировка
-Р
Подготовленная нефть
Пластиковый отход
Пластиковый товар
Образование Использование Производство
отхода потребителем товара
Вторичная обработка
Полимерный материал
Рис. 3. Жизненный цикл первичных полимерных материалов
Жизненный цикл производства вторичных полимерных материалов. Вторичные полимерные материалы, в отличие от первичных, получают на этапах обработки полимерных отходов, что требует меньших затрат, в сравнении с первичным производством. Вторичный гранулят могут изготавливать малые предприятия, точечно специализируясь только на обработке одного вида пластика или отхода. Простота аппаратурного оформления, относительно невысокие капитальные затраты и доступные технологии делают вторичное производство привлекательным способом получения прибыли. Перерабатывая отход, который приобретается и собирается при небольшом вложении финансовых средств, можно создать множество товаров, имеющих спрос.
Среди технологий обработки полимерных отходов, переводу их во вторичное сырье для производства готовой продукции, выделяют механические, химические, термические и физико-химические технологии.
Наиболее распространены механические технологии обработки полимеров, которые включают сбор, сортирование, промывку, дробление, магнитную сепарацию и другие операции. На этих стадиях обработки ТКО используются сравнительно несложное
оборудование, расходуются такие ресурсы как вода и электроэнергия. Механический способ обработки позволяет получить из полимерных отходов флекс или крошку, которые отправляются на экструзию или гранулирование, а затем выступает в качестве сырья в производстве полимерной продукции.
К химическим технологиям можно отнести пиролиз, гидролиз, метанолиз и гликолиз. Принцип действия у них схож: отходы полимеров размещаются в специальной емкости, где под действием жидкостей (спирт, кислоты, щелочи, вода) и катализаторов преобразуется во вторичный пластик.
Для разложения полимерных отходов в ряде случаев применяются термические технологии, при применении которых сырье под действием температуры распадается на несколько фракций. К термическим методам относят сжигание и пиролиз. Методы распространены из-за простоты применения и универсальности.
Физико-химические методы позволяют переработать неоднородные полимерные отхода -повторная стабилизация. Смешанный пластик расплавляется (физическое воздействие), и в расплав добавляются стабилизаторы. Под действием стабилизаторов (химическое воздействие) структура
сырья становится однородной, что позволяет использовать его вторично.
Сущность применения технологий вторичной переработки заключается в том, чтобы исключить определенные этапы получения полимеров, а именно стадии, затрагивающие обращение с нефтью: добыча
нефти, первичная и вторичная обработки и транспортировка. Однако, необходимостью будет введение стадий по обработке и переработке полимерных отходов. На рисунке 4 показаны стадии вторичной переработки, которые замыкаются и образуют цикличное производство.
Рис. 4. Жизненный цикл вторичных полимерных материалов
На рисунках 3 и 4 показаны только основные потоки — нефти, полимеров и полимерных отходов, однако, в реальности их намного больше. Они включают в себя электроэнергию, различные виды топлив, использование воды, применение реагентов и присадок различной природы. Помимо ресурсов, которые необходимо затратить, существует и эмиссия загрязняющих веществ в окружающую среду: выбросы, сбросы и отходы. Это то, что при функционировании рассматриваемых схем будет выделяться в окружающую среду.
Существует большое количество направлений утилизации вторичных полимеров, выбор которых во многом зависит от способа их переработки. Наряду с технологиями, которые не меняют изначальный химический состав полимера, уже имеются способы перестройки состава, создавая совершенно новое применение отходу, потенциал которого очень ценен [6].
Система потенциалов для эколого-экономического обоснования выбора направлений утилизации отходов. Выбор наиболее эффективного направления переработки полимерных отходов должен базироваться на результатах его тщательного эколого-экономического обоснования. В качестве исходной информации для такого обоснования предлагается использовать результаты оценки ресурсосберегающих, электроэнергетических, теплоэнергетических,
топливных, экологических и экономических потенциалов применения полимерных отходов на всех фазах жизненного цикла производства как первичных полимеров, так и продуктов новых возможных направлений применения вторичного сырья. При оценке этих потенциалов необходимо учитывать расход ресурсов и воздействие на окружающую среду процессов обработки отходов для получения вторичных полимеров. Методы расчета потенциалов разработаны на кафедре промышленной экологии РХТУ им. Д.И. Менделеева. Работы по оценке
потенциалов утилизации полимерных отходов уже проводятся.
Список литературы
1. Сутягин, В. М. Общая химическая технология полимеров : учебное пособие / В. М. Сутягин, А. А. Ляпков. — 5-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2020. — 208 с. — ISBN 978-5-8114-4991-0. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/130193 (дата обращения: 04.05.2022). — Режим доступа: для авториз. пользователей.
2. Ilyas M, Ahmad W, Khan H, Yousaf S, Khan K, Nazir S. Plastic waste as a significant threat to environment - a systematic literature review. Rev Environ Health. 2018 Dec 19;33(4):383-40б. doi: 10.1515/reveh-2017-0035. PMID: 30205б48.]
3. Ветошкин, А. Г. Технологии защиты окружающей среды от отходов производства и потребления : учебное пособие / А. Г. Ветошкин. — 2-е изд., испр. и доп. — Санкт-Петербург : Лань, 2021. — 304 с. — ISBN 978-5-8114-2035-3. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/168903 (дата обращения: 04.05.2022).
4. Полежаева, М. В. Анализ зарубежного подхода к процессу обращения с твердыми коммунальными отходами / М. В. Полежаева, Е. В. Чухарева, О. Г. Соколова // Весенние дни науки ВШЭМ : Сборник докладов международной конференции студентов и молодых ученых, Екатеринбург, 17-19 апреля 2019 года. - Екатеринбург: ООО "Издательство УМЦ УПИ", 2019. - С. 623-б25.
5. Шилкина, С. В. Выбор стратегии управления твёрдыми коммунальными отходами для решения проблем их утилизации / С. В. Шилкина // Отходы и ресурсы. - 2020. - Т. 7. - № 4. - С. 12.
6. Производство Гранул: технология изготовления, оборудование [Электронный ресурс]. URL: https://moybiznes.org/proizvodstvo-granul (Дата обращения: 05.05.2021).
