CC BY
71ХИМИЯ (CHEMISTRY)
УДК 54
Рудакова А.Э.
студент кафедры химии и химической технологии Амурский государственный университет (Россия, г. Благовещенск)
Одородько П.В.
студент кафедры химии и химической технологии Амурский государственный университет (Россия, г. Благовещенск)
ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИЭТИЛЕНА
Аннотация: в данной статье рассматриваются особенности утилизации изделий из полиэтилена, влияние этого процесса на окружающую среду, а также произведен анализ возможности переработки этого полимера.
Ключевые слова: полимер, полиэтилен, экология, утилизация, вторичная переработка, метатезис.
Полиэтилен (ПЭ) - самый распространенный и широко применяющийся полимер. Многим он известен по его роли в быту: полиэтиленовые пакеты и пленка - это то, с чем каждый из нас имеет дело каждый день [1].
Мировые объемы ежегодного производства изделий из полиэтилена составляют миллиарды тонн. Несмотря на такие преимущества использования ПЭ упаковки, как гигиеничность, универсальность и практичность, организации по защите окружающей среды глубоко обеспокоены вопросом утилизации отходов из этого материла. Дело в том, что полиэтилен устойчив к естественным
перепадам температуры и влажности, способен переносить длительный контакт с микроорганизмами, из-за чего срок распада этого материала доходит до сотен лет. К тому же, при случайном воспламенении или умышленном сжигании материала, в атмосферу попадают ядовитые вещества, угрожающие жизни населению. Таким образом, утилизация полиэтиленовых изделий, а также их вторичная переработка является приоритетной задачей по всему миру.
Вторичная переработка полиэтилена - одна из самых насущных проблем в мире, поскольку промышленность пластмасс развивается сегодня высокими темпами. Начиная с 60-х годов, производство полимеров, основную долю которых составляет полиэтилен, удваивается через каждые 5 лет, и эти темпы роста сохраняются. В связи с этим, полиэтиленовые отходы ежегодно лишь растут, превращаясь в серьезный источник загрязнения окружающей среды. Так как утилизация этих отходов не является ни экономически, ни экологически выгодной, оптимальным вариантом является модернизация процессов переработки полиэтилена [2].
Повсеместное использование ПЭ обусловлено свойствами материала. Он легкий, прочный, долговечный. Такая популярность породила экологическую проблему - накопление полимера на мусорных свалках. Ведь он практически не гниет, горит с образованием токсичных продуктов [3].
Оптимальная переработка полиэтилена - его вторичное применение. Еще совсем недавно использовались лишь два способа утилизации полиэтилена: захоронение и сжигание. Сейчас востребованным является именно переработка отходов - метод пиролиза и изготовления гранул.
Полиэтилен представляет собой длинную углеводородную цепь. Задача при переработке ПЭ состоит в том, чтобы разбить эту цепь на более короткие кусочки, которые могут быть использованы для создания других веществ [4].
Проблема вторичной переработки полимеров состоит в невозможности получения одного вида полиэтилена из другого, поскольку свойства материалу
задаются при первичном синтезе. То есть нельзя продукцию из полиэтилена высокого давления переработать во вторичный полиэтилен низкого давления или наоборот. Свойства материала можно лишь корректировать путем, например, прибавки ПНД к ПВД.
Существуют и другие способы переработки, но они требуют серьезных затрат энергии и ресурсов - высокого давления, а также температуры более 400 °С. К тому же, такая переработка разлагает полиэтилен на многочисленные составляющие - углеводородные соединения, но с ними потом очень сложно работать.
Но все-таки существует проходящий в мягких условиях и не причиняющий большого вреда экологии способ переработки полиэтиленовых отходов, который в будущем, возможно, будет широко использоваться.
Молекулы ПЭ представляют собой длинные и, часто, разветвленные углеводородные цепочки. В одной молекуле коммерческого пластика, из которого состоят бутылки и пакеты, может быть от сотен до десятков тысяч атомов углерода. Бензин, дизельное топливо и мазут тоже представляет собой смесь углеводородов, молекулы которых, в свою очередь, состоят из 7-21 атомов углерода. Поэтому создав способ эффективно «укорачивать» полиэтилен, можно получить возможность перерабатывать вторичное сырье в топливо.
Новый способ переработки основан на комбинации трех классических реакций углеводородов - дегидрировании, метатезисе и гидрировании.
Дегидрирование - процесс отрыва молекулы водорода от углеводородного каркаса, в результате которого одинарные связи —СН2—СН2— превращаются в двойные —СН=СН—.
Гидрирование - обратный процесс дегидрирования, превращающий кратные связи в одинарные путем присоединения водорода.
Ключевой реакцией, уменьшающей количество атомов в углеродной цепи, является реакция метатезиса. В нее вступают лишь молекулы, обладающие кратными связями. Суть метатезиса заключается в следующем: к специальному
веществу-катализатору присоединяются две молекулы, содержащие двойные связи, которые можно представить себе в виде цепочек. Катализатор перераспределяет двойные связи, сначала «склеивая» между собой цепочки (образуется квадрат из атомов углерода), а затем разрывая стороны квадрата. В результате мы получаем две новые цепочки.
Если предположить, что первая цепочка была длиной 1000 атомов углерода, а вторая - всего 10, то в результате метатезиса образуются две цепочки по 505 атомов. Добавив избыточное количество коротких цепочек (на порядки больше, чем длинных), последовательные реакции метатезиса приведут к постепенному уменьшению средней длины цепочек.
Каждая из этих реакций требует специального катализатора. Так, гидрирование и дегидрирование идет на иридиевых комплексных катализаторах, в промышленном метатезисе используется оксид рения, нанесенный на окись алюминия.
Весь процесс циклический. При первой стадии - дегидрировании, отщепляются атомы водорода из полиэтилена, образовываются двойные связи. Протекающая реакция вызывает ослабление связей в молекулярной структуре пластика, позволяя ей легко распадаться. Затем происходит реакция метатезиса и гидрирование ее продуктов. Под воздействием второго катализатора разрываются двойные связи между атомами углерода, а к концам образовавшихся компонентов присоединяются молекулы соединений нефти. Реакции проходят при температуре 150-175 °С. Использованные катализаторы не теряют своей активности, даже если в полиэтилене присутствуют стабилизирующие добавки - к примеру, стеарат цинка или полифенолы.
Такие реакции можно повторять снова и снова.
По завершению процесса получается три основных типа компонентов. Первый тип - органические соединения, например, бутан, их можно использовать для проведения других химических реакций на производстве. Второй - воскоподобные соединения, которые нужны для получения пластмасс.
И третий тип - дизельное топливо. Его можно будет использовать для заправки транспортных средств и в других двигателях. При сжигании этого топлива в атмосферу выделяется меньше вредных выбросов по сравнению с другими горючими материалами.
Изменяя различные этапы процесса преобразования полиэтилена, можно увеличивать или уменьшать выход каждого из этих трех компонентов. Также большинство пластмасс можно разделять на отдельные компоненты при помощи такого типа реакции.
Обладая высокой эффективностью, мягкими условиями реакции и тонким контролем продуктов разложения, этот метод демонстрирует явные преимущества по сравнению с традиционными процессами пиролиза.
Рассмотренный способ вторичной переработки позволит дать полиэтиленовых отходам вторую жизнь, а также получать другие продукты. Но самое главное - это позволит сократить количество мусора на нашей планете и увеличить жизнь всему живому.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Костин А.А. Популярная нефтегазохимия. Увлекательный мир химических процессов / А.А. Костин. - М.: АО ФИД «Деловой экспресс», 2021. - 204 с Клинков А.С. Утилизация и вторичная переработка полимерных материалов: Учеб. пособие / А. С. Клинков, П. С. Беляев, М.В. Соколов. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. - 80 с
Мельникова М.А. Полимерные материалы: свойства, практическое применение. Учебное пособие / М.А. Мельникова. - Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2013. - 204 с
Белокурова А.П. Химия и технология получения полиолефинов: Учебное пособие / А. П. Белокурова, Т. А. Агеева. - Иваново: ИГХТУ, 2011. - 126 с
Белов П.С. Экология производства химических продуктов из углеводородов нефти и газа / П. С. Белов, И. А. Голубева, С.А. Низова. - Москва: Химия, 1991. - 256 с.
Rudakova A.E.
Student of the Department of Chemistry and Chemical Technology
Amur State University (Russia, Blagoveshchensk)
Odorodko P.V.
Student of the Department of Chemistry and Chemical Technology
Amur State University (Russia, Blagoveshchensk)
FEATURES OF PROCESSING OF POLYETHYLENE PRODUCTS
Abstract: this article discusses the features of recycling ofpolyethylene products, the impact of this process on the environment, and also analyzes the possibility of processing this polymer.
Keywords: polymer, polyethylene, ecology, recycling, recycling, metathesis.
