CC BY
78
ГРНТИ 61.59.37
Елубай Мадениет Азаматулы
к.т.н., ассоц. профессор (доцент), Торайгыров университет, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: madik_chimik@mail.ru Несмеянова Римма Михайловна
к.т.н., ассоц. профессор (доцент), Торайгыров университет, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: nesm_r@mail.ru
Султангазинова Сауле Алимаулетовна
магистрант, Торайгыров университет, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: saule20301@gmail.com
О ПЕРЕРАБОТКЕ ОТХОДОВ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРОВ
В мире за год образуется огромное количество пластиковых отходов. Наибольшую часть в используемых отходах полимеров (вторичное полимерное сырье) составляют отходы полиэтилена, полипропилена, полиэтилентерефталата, поливинилхлорида и полистирола. Всё это изделия частично утратившие свои свойства, но сохранившие свойства технологические, что обеспечивает возможность их повторного использования в виде сырья. Однако, полимерные отходы характеризуются различными марками полимеров, различной степенью деструкции, различным содержанием наполнителей, красителей, стабилизаторов и пластификаторов, следовательно, способы переработки вторичного полимерного сырья в зависимости от его характеристик будут отличаться. Работы по вторичному использованию полимерных отходов ведутся. Этому вопросу в настоящее время уделяется большое внимание, что важно с экологической точки зрения и с позиции рационального использования сырьевых ресурсов. Анализ источников показывает, что в РК предпосылки для развития переработки основных компонентов отходов, в т.ч. полимерных, имеются, однако важными являются вопросы организации раздельного сбора отходов, методов стимулирования предприятий и разработки нормативно-технической документации и внедрению экологически чистых технологий.
Ключевые слова: Полимерные отходы, переработка полимеров, термопластичные полимеры, вторичное использование полимерных отходов.
ВВЕДЕНИЕ
«Перед человечеством встала во весь рост новая глобальная проблема - как изменить наше отношение к пластику, ограничить его использование и научиться безопасно перерабатывать его и утилизировать» [1].
По информации [2] за год в мире образуется около 300 млн тонн пластиковых отходов. Для понимания этой цифры приводится пример «если весь мусор вытряхнуть и разложить в длинную линию, то она растянется ... путь до луны и обратно».
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Согласно [3] примерная структура полимерных отходов, выделенных из твёрдых бытовых отходов следующая, в % масс.: полиэтилен низкой плотности 40-50, полиэтилен высокой плотности 10-15, полипропилен 3-5, поливинилхлорид 10-15, полистирол 5-7, полиэтилентерефталат 12-15, прочие 7-20. Наибольшую часть в используемых отходах полимеров (вторичное полимерное сырье) составляют отходы полиэтилена, полипропилена, полиэтилентерефталата, поливинилхлорида и полистирола. Всё это частично утратившие свои свойства и вышедшие из употребления изделия, но сохранившие свойства технологические, которые обеспечивают возможность их повторного использования в виде сырья и которые должны быть повторно переработаны. Именно вторичное полимерное сырье может являться мощным сырьевым ресурсом, позволяющим экономить первичное сырье, прежде всего нефть и с позиции охраны окружающей среды позволить решать вопрос отхода от практики захоронения или сжигания отходов пластмасс, что влечет за собой дополнительные капитальные вложения и загрязнение окружающей среды.
Однако, полимерные отходы характеризуются различными марками полимеров, различной степенью деструкции, различным содержанием наполнителей, красителей, стабилизаторов и пластификаторов. Отсюда и способы переработки вторичного полимерного сырья в зависимости от его характеристик будут отличаться. В зависимости от вязкости полимера выделяют 7 марок:
1 Самая низковязкая,
2 Очень низковязкая,
3 Низковязкая,
4 Средневязкая,
5 Высоковязкая,
6 Очень высоковязкая,
7 Самая высоковязкая.
Так, согласно [3] в зависимости от вязкости возможны следующие способы переработки полимера (таблица 1):
На основании информации таблицы видно, что значительную проблему при переработке отходов составляет совместимость полимеров. Как правило, полимерные материалы не совместимы друг с другом, что ведет к потере качества используемого вторичного сырья [3].
Таблица 1 - Способы переработки полимера в зависимости от вязкости
Способ переработки полимера Марка полимера
1 2 3 4 5 6 7
Для формирования волокон x x
Для литья под давлением x x x x x x
Для экструзии x x x x x x
Длям выдувного формования x
Для каландрирования x
Для прессования x
Кроме того, следует помнить о происхождении вторичного полимерного сырья. Как и большинство отходов, полимерные подразделяются на отходы производства и отходы потребления [3], а от этого значительно зависит их качество. Отходы производства полимеров образуются при производстве изделий и при их обработке, т.е. это полимер, не бывший в применении. Отходы потребления подразделяются на:
1) в зависимости от длительности эксплуатации:
а) полимерные изделия после длительной эксплуатации (трубы, пленки для теплиц и пр.);
б) изделия одноразового использования или после короткой эксплуатации (тароупаковочные материалы и изделия).
2) по степени загрязнения:
а) условно чистые;
б) загрязненные.
3) по составу:
а) отходы монополимерных термопластов (посуда из полипропилена, бутылки из полиэтилентерефталата);
б) отходы из нескольких термопластичных полимеров (многослойные пленки, изделия, трубы);
в) отходы, содержащие как термопластичный полимер, так и неполимерные материалы (ламинированная бумага, пленки с фольгой, металлополимерные трубы).
Первый пункт данной классификации имеет огромный вклад в изменение свойств полимера, т.к. именно длительность и условия эксплуатации обусловливают старение полимера, т.е. изменение молекулярной структуры, под воздействием света, температуры, влаги, агрессивных химических агентов, механических нагрузок и др., приводящей к потере эластичности, повышению жесткости и хрупкости, снижению механической прочности и др. Таким образом, полимерные отходы потребления в переработке особенно сложны даже без учета сбора и сортировки.
Анализируя данные [4], можно отметить, что наиболее востребованными и имеющими рынок сбыта, являются: бумага, пластик, металл и стекло. Однако, показано, что «переработка пластика в целом - более дорогой и сложный процесс».
Однако, работы по вторичному использованию полимерных отходов ведутся. Так, полиэтилентерефталат способен давать высококачественный пластик тех же свойств [5], поливинилхлорид после переработки преимущественно используется как компонент строительных материалов. Это направление на настоящее время является наиболее проработанным. Во многом это связано, во-первых с потерей качества, т.е. несоответствием требованиям стандартов продуктов полученных из вторичного сырья и, во-вторых с трудоемкостью и дороговизной процессов сбора, сортировки, отмывки, сушки. Так производство полимерно-песчаной черепицы является хорошим примером эффективного использования вторичного полимерного сырья. Технология производства этого продукта не предполагает очистку и глубокую сортировку сырья.
Для получения продукта нужного качества важно придерживаться соотношения 40 к 60 мягких полимеров, например, полиэтилена и жестких полимеров, например, полипропилены, полистирола, полиэтилентерефталат и не использовать тугоплавкие полимеры (поликарбонаты, фторопласты) и резины. Примерно в нужном соотношении отходы находятся на свалках [4], что позволяет наиболее полно «убирать» отходы полимеров. Также интересным и экологически важным использованием полимерных отходов является производство древесно-композиционных материалов. Если в первом случае в качестве наполнителя чаще применяется сухой песок, но может быть и другой наполнитель, более доступный в выбранной местности, то во втором - это отходы от деятельности лесозаготавливающих и деревоперерабатывающих предприятий. Что также позволяет снижать издержки этих производств и в целом решать проблему вторичной переработки древесного сырья.
В роли связующего вещества в производстве древесно-полимерных композицитов наиболее популярны термопластичные полимеры, а именно полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП) и поливинилхлорид (ПВХ). Столь широкое применение именно этих полимеров объясняется тем, что они хорошо смешивается с органическим наполнителем, а, благодаря низкой температуре плавления, такие полимеры можно использовать без риска термического разложения древесины [6, 7]. Они объединяют в себе лучшие качества традиционных материалов: древесины и полимеров, и при этом лишены многих их недостатков, что видно из сравнительного анализа свойств [8], важных при эксплуатации композита в сравнении с натуральным деревом (таблица 2). Интересные результаты представлены в [9], где в качестве наполнителя использована хвойная целлюлоза, в качестве вторичного полимера полиэтилен низкого и высокого давления, полипропилен, полиэтилентерефталат.
Результаты данного исследования подтверждают возможность широкого применения вторичных полимерных отходов как по отдельности в смеси с наполнителем, так и в смеси из двух и трёх полимеров. Тем более, что в наше время люди, как никогда прежде, задумываются о засорении планеты отходами пластика, количество которых непрерывно растёт [10] за счёт увеличения объёма выпуска пластических масс.
Таблица 2 - Сравнительный анализ свойств натурального дерева и древесно-полимерного композита
Показатель Натуральное дерево Древесно-полимерный композит
вдоль поперёк волокон волокон полиэтилен полипропилен
Способ получения природные экструзия
Плотность, кг/м3 450-480 (влажность 12 %) 980-1150
Разбухание по толщине за 24 часа, % 0,1-0,3 6,0-12,0 1,0-3,0 1,0-2,0
Водопоглощение за 24 часа, % 35-60 5-11 3-8
Биостойкость разрушаются анаэробными бактериями, грибком, термитами, жуками древоточцами стойки к биоразрушениям
ВЫВОДЫ
В Казахстане переработка полимерных отходов налажена на очень малотоннажном уровне. Отходы одного вида полимера (бутылки, одноразовые стаканчики и др.) позволяют получать пластик высокого качества, используемые для производства товаров народного потребления. Обзор научных источников позволяет сделать выводы о возможности, экономической и экологической эффективности использования вторичного полимерного сырья в качестве компонента для производства строительных материалов (напольные покрытия, фасадные профили, черепица), что позволит найти пути рационального применения отходов полимеров.
Во всем мире непрерывный рост производства и потребления пластмасс создает проблему ликвидации полимерных отходов. Этому вопросу в настоящее время уделяется большое внимание, что важно с экологической точки зрения, а также с позиции рационального использования сырьевых ресурсов. Анализ источников показывает, что в РК предпосылки для развития переработки основных компонентов отходов, в т.ч. полимерных, имеются, однако важными являются вопросы организации раздельного сбора отходов, методов стимулирования предприятий и разработки нормативно-технической документации и внедрению экологически чистых технологий.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Почему мы так любим пластик? Восемь причин. [Электронный ресурс] . - https://www.bbc.com/russian/features-44518106
2 Сколько пластиковых отходов производит человек? Фактчек Би-би-си. https://www.bbc.com/russian/av/media-49023523
3 Свойства отходов полимеров и направления использования. [Электронный ресурс] . - https://www.waste.ru/modules/section/item.php?itemid=133
4 Отчет о научно-исследовательской работе «Научное обоснование путей решения проблем образования и утилизации отходов». - Астана, 2012. [Электронный ресурс]. - https://kap.kz/file/2019/04/25/otchyot-kazniiek-2012-po-otkhodam-v-rk.pdf-.pdf -
5 Вторичная переработка пластмасс: структура, свойства, добавки, оборудование, применение / под ред. Ф. Мантия. - Спб : Профессия, 2006. - 400 с.
6 Степанов, В. В. Разработка теплоизоляционного материала на основе древесных отходов : автореф. дис. на соискание у. степ. канд. техн. наук. - КНИГУ, Казань, 2013.
7 Патент № 2493136 РФ, МПК C04B18/26. Способ получения теплоизоляционного материала / Зиатдинова Д. Ф., Тимербаев Н. Ф., Сафин Р. Р., Сафин Р. Г., Степанов В. В., Игнатьева Г. И., Левашко Л. И., Нуруллина А. Т., Мухаметзянова А. Г., Хайруллина Э. Р.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет». - Заявка №2012107547/03; заявл.28.02.2012; опубл.10.09.2013, Бюл. №19. - 5 с. : ил.
8 Сафин, Р. Г., Степанов, В. В., Исхаков, Т. Д., Гайнуллина, А. А., Степанова, Т. О. Новые исследования и разработки в области получения древесно-композиционных материалов на основе древесных отходов // Вестник технологического университета. - 2015. - Т. 18. - № 6. - С. 139-142.
9 Бодьян, Л. А., Варламова, И. А., Гиревая, Х. Я., Калугина, Н. Л., Гиревой, Т. А. Исследование композиционных материалов на основе вторичного полимерного сырья // Современные наукоемкие технологии. Технические науки. -2015. - № 2. - С. 15-18.
10 Клинков, А. С., Беляев, П. С., Соколов, М. В. Утилизация и вторичная переработка полимерных материалов : Учеб. пособие. - Тамбов : Изд-во Таб. гос. техн. ун-та, 2005. - 80 с.
Материал поступил в редакцию 03.09.20.
Елубай Мадениет Азаматулы
т^.к., кауымд. профессор (доцент)
ТораЙFыров университет^
Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы
e-mail: madik_chimik@mail.ru
Несмеянова Римма Михайловна
т^.к., кауымд. профессор (доцент)
ТораЙFыров университет^
Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы
e-mail: nesm_r@mail.ru
Султангазинова Сауле Алимаулетовна
магистрант, ТораЙFыров университет^
Павлодар к., 140008, Казакстан Республикасы
e-mail: saule20301@gmail.com
Материал баспаFа 03.09.20 тусл.
Термопластикалык полимерлердщ калдыктарын кайта ецдеу туралы
Элемде бiр жыл шшде квптеген пластикалъщ цалдыцтар пайда болады. Пайдаланылатын цалдыцтардагы полимерлердщ ец квп бвлшн (цайталама полимерлж шиюзат) полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат, поливинилхлорид жэне полистирол цалдыцтары цурайды. Осыныц бэрi вшм ретшде вз цасиеттерш шшара жогалтцан, бiрац технологиялыц цасиеттерш сацтаган, бул оларды шиюзат туршде цайта пайдалану мумюндшн цамтамасыз етедi. Алайда, полимерлж цалдыцтар полимерлердщ эр тyрлi маркаларымен, деструкцияныц эр тyрлi дэрежеамен, толтыргыштардыц, боягыштардыц, турацтандыргыштар мен пластификаторлардыц эр тyрлi цурамымен сипатталады, екiншi полимерлж шиюзатты цайта вцдеудщ iзшi цабiлетi оныц сипаттамаларына байланысты ерекшеленетт болады. Полимерлж цалдыцтарды цайта пайдалану жумыстары жyргiзiлуде. Бул мэселеге цазiргi уацытта экологиялыц туреыдан жэне шиюзат ресурстарын утымды пайдалану тургысынан аса мацызды назар аударылады. Квздердi талдау кврсеткендей, КР-да цалдыцтардыц негiзгi, оныц шшде полимерлж цурамдас бвлжтерт цайта вцдеудi дамыту ушш алгышарттар бар, алайда цалдыцтарды бвлек жинауды уйымдастыру, кэсторындарды ынталандыру эдiстерi жэне нормативтж-техникалыц цужаттаманы эзiрлеу жэне экологиялыц таза технологияларды енгiзу мэселелерi мацызды болып табылады.
Кiлттiсвздер: Полимерлж цалдыцтар, полимерлердi цайта вцдеу, термопластикалыц полимерлер, полимерлж цалдыцтарды екiншi рет пайдалану.
Yelubay Madeniet AzaMatuly
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
Toraighyrov University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan
e-mail: madik_chimik@mail.ru
Nesmeyanova Rimma Mikhailovna
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
Toraighyrov University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan
e-mail: nesm_r@mail.ru
Sultangazinova Saule Alimauletovna
undergraduate student, Toraighyrov University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan
e-mail: saule20301@gmail.com
Material received on 03.09.20.
About the thermoplastic polymers waste recycling
A huge amount of the plastic waste is generated in the world yearly. The largest part of the polymer waste (secondary polymer raw materials) is the waste of polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride and polystyrene. Even though all of these have partially lost their properties as products, they have retained their technological properties, which make them possible to reuse as the raw materials. However, polymer waste is characterized by different brands of polymers, different degrees of destruction, different content of fillers, dyes, stabilizers and plasticizers, therefore, the methods of processing secondary polymer raw
materials will differ depending on its characteristics. Work on the secondary use of polymer waste is underway. This issue is currently receiving a lot of attention, which is important from an environmental point of view and from the point of view of the rational use of raw materials. The analysis of the sources shows that there are prerequisites in Kazakhstan for the development of recycling major waste components, including polymer, however, important issues are organization of separate waste collection, methods of stimulation of enterprises, the development of normative-technical documentation and the introduction of environmentally clean technologies.
Keywords: Polymer waste, polymer processing, thermoplastic polymers, recycling ofpolymer waste.
