CC BY
36
IV. Экологическая безопасность
П.И. Кушнеров
д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник ООО «ВостЭКО»
О.В. Панчишин
аспирант ОАО «НЦ ВостНИИ»
УДК 622.235.2:678.742.2
НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ В ПРИМЕНЕНИИ ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ
Предлагается простая технология уничтожения полимерных отходов, основанная на использовании полимеров в качестве горючих добавок в составах промышленных взрывчатых веществ (ВВ), при взрыве которых происходит уничтожение токсичных компонентов. Установлена возможность использования отходов полимеров при изготовлении, например, эмульсионных ВВ. Ключевые слова: ОТХОДЫ, ПОЛИМЕРЫ, ДИОКСИНОПОДОБНЫЕ ВЕЩЕСТВА, ДИОКСИНЫ, ФУРАНЫ, ПОЛИЭТИЛЕН, ИНДУСТРИАЛЬНОЕ МАСЛО, ЭМУЛЬСИИ, ЭМУЛЬСИОННЫЕ ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА
Известно, что Кузбасс является источником около половины всех промышленных отходов России [1]. В общей сложности в Кемеровской области ежегодно образуется около 2 млрд т отходов [2].
Отходы - это неизбежные продукты, которые образуются в процессе деятельности человека. Проблема отходов - в их высокой токсичности и повышенной устойчивости
С
!
при хранении. В результате низкой степени вторичного использования и обезвреживания значительное количество накопленных отходов находится, как правило, на промышленных площадках предприятий, занимая огромные площади. Все виды отходов, независимо от их классификации, в той или иной мере наносят существенный вред окружающей среде. Промышленные синтетические
полимеры, например, являются весьма устойчивыми химическими соединениями. Многие из них, такие, как полиэтилен, способны выдерживать воздействие солнечного излучения и кислорода воздуха в совокупности с воздействием тепла и влаги в природных условиях в течение десятков лет без заметного химического разрушения. Другие, например полипропилен, подвергаются разрушению. Его легко заметить по ухудшению механической прочности пленки, которая после пребывания на воздухе в течение летнего периода растрескивается. Тем не менее, фрагменты изделий из этого полимера также сохраняются в окружающей среде и загрязняют ее в течение многих лет.
Масштабы проблемы значительно возрастают, если принять во внимание, что мировое производство одного из наиболее распространенных и доступных полимеров — полиэтилена достигает сегодня десятков миллионов тонн в год.
Таблица 1 - Теплота сгорания различных материалов
Материал Теплота сгорания, кДж/кг
Поливинилхлорид 18800
Бумага 16700
Кожа 18800
Жиры 37700
Полиэтилен 46000
Полистирол 46000
Мазут 44000
Домашний мусор 7540-1048
Естественно, оптимальной схемой обращения с отходами является та, которая максимально снижает их объемы при минимальных затратах и экологических рисках. Основные известные способы борьбы с загрязнением природы, связанные с производством полимеров, это захоронение и уничтожение отработавших и выброшенных полимеров. При этом в связи с тем, что теплотворная способность большинства отходов достаточно высока (таблица 1) и составляет от 16700 до 46000 кДж/кг [2], наиболее простым способом уничтожения полимеров является окисление органических веществ при высоких температурах методом обычного сжигания.
Однако продуктами сжигания полиэтилена являются не только вода и углекислый газ, но и многочисленные добавки, в т.ч. красители и пигменты, которые при сжигании выделяют разнообразные соединения, включающие тяжелые металлы, очень вредные для здоровья людей.
Применение известных способов улавливания летучих вредных веществ при сжигании сильно удорожает процесс уничтожения отходов. Именно это обстоятельство приводит к удорожанию и самих полимеров, в стоимость которых включают и затраты на их уничтожение. Кроме того, уничтожение полимеров на специальных установках под воздействием высокой температуры не может не вызвать образования вредных веществ, например диок-синоподобных.
Особую опасность эти вещества представляют в связи с тем, что, несмотря на свою нерастворимость в чистой воде и чистом воздухе, они великолепно растворяются в воде, содержащей гуминовые кислоты или фульвокислоты из почвенного гумуса ввиду их высокой способ-
ности к комплексообразованию с составными частями гумуса [3]. С аэрозолями воздуха они образуют комплексные соединения и благодаря их высокой способности к прилипанию хорошо переносятся не только по земле, но и по воздуху. В почве диоксиноподобные образования разлагаются в течение 20-30 лет и более, в воде их разложение длится от двух лет и более.
В последние годы типичным источником заражения этими вредными веществами природной среды является низкотемпературное сжигание технических и бытовых отходов. Специальные испытания, проведенные рядом зарубежных специалистов, показали, что они устойчивы к воздействию достаточно высокой температуры. Более того, при температуре 800°С происходит образование бромсодержащих диоксинов, а не их разрушение. Изучению условий образования и разложения диоксинов и фуранов при сжигании отходов посвящено большое количество работ, в результате которых было установлено, что диоксины и фураны плохо разлагаются вплоть до температуры 760 °С и практически полностью разлагаются при температуре более 1000 °С [4]. Следовательно, применение способов высокотемпературной переработки полимерных отхо-
дов при температуре более 1000 °С позволит решить проблему отходов и тем самым обезопасить население от распространения вредных химических, биохимических и биологических отходов.
Известно, что температура взрыва больше температуры огневого горения (сжигания) на 500-2500°С и составляет 1900 - 4500°С [5]. При такой температуре исключено образование диоксинов. За последние годы на угольных разрезах вместо широко применяемых ранее промышленных ВВ заводского изготовления, содержащих тротил (граммонит 79/21, грануло-тол и т.д.), увеличивается объем использования бестротиловых ВВ (игданит, гранулит УП-1, эмульсионные ВВ), изготавливаемых как на заводах, так и непосредственно на разрезах. В начале их внедрения из-за трудности контроля качества ВВ, приготавливаемых на разрезах, из-за низкой стабильности этих ВВ, что было обусловлено отсутствием взрывчатого сенсибилизатора (тротила), а также расслаивания компонентов ВВ (стекание жидких горючих добавок, расслаивание эмульсии и т.д.) невозможно было полностью заменить промышленные ВВ заводского изготовления. Однако при обеспечении стабильной детонации эти ВВ способство-
вали повышению эффективности взрывных работ на разрезах за счет их механизма действия при взрыве. Вместо резкого скачка давления и сравнительно резкого его спада «простейшие» ВВ хотя и создавали при взрыве менее высокое начальное давление, но поддерживали его в течение существенно большого промежутка времени. В результате этого значительно уменьшается доля энергии взрыва, передаваемой породе ударной волной, и соответственно возрастает энергия, используемая в форме поршневого действия газообразных продуктов взрыва, что и обуславливает более равномерное дробление породы.
Введение в составы простейших ВВ отработанных масел, нефтяных экстрактов, угольных порошков, полимерной добавки (полиэтилен) в жидких нефтепродуктах, являющихся отходами горнодобывающей и нефтехимической отрасли, обеспечило стабильность гранулированных ВВ, а также улучшило их взрывные свойства [6,7,8]. Например, по результатам испытаний в производственных условиях при выполнении массовых взрывов на опытных и контрольных участках блоков установлены очевидные преимущества фасованного эмульсолита П марки А-20 перед штатным нефасованным эмульсолитом А-20. Он более мощный по взрывному воздействию на разрушаемую среду, обладает стабильными свойствами. Как следствие этого, у него выше
показатели взрывного воздействия на разрушаемый массив (меньше средний диаметр куска взорванной горной массы, выше производительность погрузочной техники при экскавации, лучше проработка подошвы уступа, меньше удельный расход). Объясняется это тем, что эмульсия лучше газифицирована в патронах, а за счет сгорания полиэтиленовых оболочек образуется дополнительное тепло и газы [9]. При этом установлено, что ответственной операцией подготовки полимерных отходов, например бывшей в употреблении сельскохозяйственной полиэтиленовой пленки (особенно, если она сильно загрязнена), является мойка горячей или холодной водой с применением и без применения моющих средств. Для этой цели существуют установки, в которых есть устройства и для мойки, и для сушки. В такой установке отходы загружают в ванну, которую заполняют моющей жидкостью. Пленка перемещается лопастной мешалкой, при этом грязь оседает на дно, а отмытая пленка всплывает. Остаточная влажность пленки после сушки составляет менее 0,1% [10].
Для установления возможности использования полимерных горючих добавок было произведено растворение полиэтилена в жидких нефтепродуктах, применяемых в составах гранулированных и эмульсионных промышленных ВВ, при температурах от 85 до 150 °С.
Основным недостатком этого способа является пожароопасность в процессе изготовления полимерной композиции при нагреве дизельного топлива из-за его низкой температуры вспышки (от 30 до 62 оС). В связи с этим в качестве отходов использовали пленки из полиэтилена низкой плотности высокого давления, а в качестве нефтепродукта для растворения полиэтилена - индустриальные масла марок И20А или И30А, или И40А, применяемые для изготовления ЭВВ типа порэ-мит, эмульсолит или эмуласт. Эти пленки обладают низкой температурой плавления (1200С), а индустриальные масла марок И20А или И30А, или И40А высокой температурой вспышки (180-2000С).
Таким образом, в основе способа утилизации полимеров лежит использование индустриальных масел, пожаробезопасные свойства которых значительно выше, чем у дизельного топлива. После этого были выполнены исследования горючей полимерной добавки, представляющей 2%-ный раствор полиэтилена в индустриальном масле, с целью возможности ее использования в эмульсионной матрице и эмульсионном составе, соответствующих стандартным рецептурам эмуласт [11]. При этом горючая добавка вводилась в состав эмульсии в количестве 5%. Для сравнения аналогичные испытания были проведены со штатной эмульсией. Результаты испытаний приве-
Таблица 2 - Показатели эмульсий
Наименование показателя Эмульсия эмуласт
штатная опытная
Электроемкость эмульсионной матрицы, пФ 60 62
Водоустойчивость эмульсионной матрицы, г/см2 0,04 0,032
дены в таблице 2. По результатам, приведенным в таблице 2, можно сделать вывод о возможном использовании горючей добавки 2%-ного раствора полиэтилена в индустриальном масле для изготовления эмульсий, в том числе и для патронированных эмульсионных ВВ типа эмуласт. Таким образом, авторами предлага-
ется простая технология уничтожения полимерных отходов с использованием их в качестве горючих добавок в составах промышленных ВВ.
ВЫВОДЫ
1. Раствор полиэтилена в индустриальном масле можно эффективно применять в качестве горючей
добавки в составах эмульсий и использовать их для изготовления патронированных эмульсионных ВВ, например типа эмуласт.
2. Использование отходов полимеров в качестве горючей добавки в составах ВВ является новым направлением в технологии уничтожения использованных материалов.
NEW TREND IN POLYMER WASTE UTILIZATION P.I.Kushnerov, O.V. Panchishin
Simple technology of polymer waste utilization is suggested based on polymer usage as combustible addition into industrial explosive (VV) composition, when toxic components are destroyed with the blast. Possibility to use polymer waste in production of, for example, emulsion explosive is determined.
Key words: WASTES, POLYMERS, DIOXINE-LIKE SUBSTANCE, DIOXINES, FURANS, POLYETHILENE, INDUSTRIAL OIL, EMULSIONS, EMULSION EXPLOSIVVES
Кушнеров Петр Иванович e-mail: [email protected]
Панчишин Олег Викторович e-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Анина, М. Кузбасские депутаты обсудили экологию, туризм и социальный хлеб / М. Анина // Комсомольская правда.
- 2011. - 1 апр. - С.5.
2 Любешкина, Е.Г. Вторичное использование полимерных материалов /Е.Г. Любешкина. - М.: Химия, 1985. - 66 с.
3 Федоров, Л.А. Диоксины как экологическая опасность: ретроспектива и перспективы /Л.А. Федоров. - М.: Наука, 1993.
- 267 с.
4 Хазипов, В.А. Строение и свойства диоксинов / В.А. Хазипов, Л.Я. Галушко, Л.В. Пащенко [и др.] // Химия твердого топлива. - 1995. - №4. -C.67-72.
5 Кутузов, Б.Н. Взрывные работы / Б.Н. Кутузов. - М.: Недра, 1980. - 392 с.
6 ТУ 12-00173769-019-92. Вещества взрывчатые промышленные. Гранулит АС-6.
7 Пат. 2021240 Российская Федерация, МПК С 06 В 31/28. Взрывчатый состав / В.Ф. Старокожев, В.Я. Панчишин, В.И. Белов, В.П.Горковенко, А.Н. Головков, А.Ф. Еремин. -№ 5039636/23; заявл. 23.04.92; опубл. 15.10.1994, Бюл.№19. -3с.
8 ТУ 12.0173903.007.89. Вещества взрывчатые промышленные. Гранулиты УП-1, УП-2.
9 Кушнеров, П.И. Непредохранительные гранулированные и эмульсионные ВВ и зернистые фильтры на пунктах их растаривания / П.И. Кушнеров, В.Я. Панчишин // Взрывное дело. - 2008. - Вып. № 99/56. - С. 148-150.
10 Маленко, К.С. Современное состояние и тенденции развития оборудования для переработки вторичного полимерного сырья: обзорная информ./ К.С. Маленко, А.В. Богданов, Н.А. Уманский, В.В. Зазимко // Оборудование для переработки пластмасс и резин. - Сер. ХМ-2. - М.: ЦИНТИхимнефтемаш, УкрНИИпластмаш, 1981. - 58 с.
11 ТУ 7276-014-16359200-2004. Вещества взрывчатые промышленные. Эмуласт АС-30ФП.
