CC BY
68
УДК 502.174, 658.567
С.А. Гарелина
РАЦИОНАЛЬНЫЙ СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ
Каждый имеет право на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о её состоянии и на возмещение ущерба, причинённого его здоровью или имуществу экологическими правонарушениями.
Статья 42 Конституции РФ
Минимизация воздействия на окружающую среду полимерных отходов, места складирования которых представляют собой серьёзную экологическую угрозу, обеспечивается за счёт энергетически эффективного и экологически безопасного способа переработки этих отходов в водород (перспективный энергоноситель) и другую ликвидную продукцию.
Ключевые слова: утилизация полимерных отходов, водородная энергетика.
S. Garelina
REASONABLE METHOD OF POLYMER WASTE RECYCLING
Everyone shall have the right to favourable environment, reliable information about its state and for a restitution of damage inflicted on his health and property by ecological transgressions.
The Constitution of the Russian Federation, Article 42
Minimization of environmental impact ofpolymer waste, places of storing which present a serious environmental problem, is ensured due to energy-efficient and environmentally sound method of recycling the polymer waste in hydrogen (long-term energy carrier) or other utilizable waste.
Ключевые слова: polymer waste recycling, hydrogen energetic.
Хорошо известно, что экологической угрозой для всего мира стали места складирования полимерных отходов (ПО), продуктами разложения которых являются вещества, оказывающие вредное воздействие на окружающую среду (ОС) [1]. В РФ только 13 % ПО подвергаются вторичной переработке, все остальные захораниваются на свалках [2]. В целом в России под мусорные свалки отчуждено 0,8 миллиона гектаров земель, среди которых не только пустыри, овраги и карьеры, но и плодородные чернозёмы [3]. Следует отметить, что неэффективное, экологически неоправданное использование территории представляет собой угрозу экологической безопасности [3]. Из СМИ известны многочисленные случаи введения ЧС вблизи горящих свалок в связи с повышенными выбросами в атмосферу продуктов горения. Загрязнение ОС ПО в настоящее время, по-видимому, можно рассматривать как экологическое бедствие («ситуация на участках территории (или акватории) РФ, где в результате хозяйственной или иной деятельности произошли глубокие необратимые изменения ОС, повлекшие существенное ухудшение здоровья населения, разрушение природных экосистем, деградацию флоры и фауны» [4]), например, по данным Комитета ООН по охране природы, ежегодно ПО являются причиной смерти 1 миллиона птиц, 100 тысяч морских млекопитающих и неисчислимого количества рыб [3].
Ежегодно в РФ образуется примерно 4,8 млн т ПО [5]. Мировое производство пластмасс ежегодно возрастает на 5 - 6 %, приводя к увеличению количества ПО [6].
На сегодняшний день в мировой практике реализовано более десятка технологий переработки ПО. Каждая технология имеет определённые преимущества и недостатки, и, соответственно, свои оптимальные области применения. Однако универсального решения проблемы уничтожения ПО пока не найдено, т. к. уничтожение оказалось не менее сложным и дорогостоящим, чем их производство [5].
44 -
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'3
Одним из факторов, определяющим целесообразность переработки ПО, является их высокий энергетический ресурс. ПО содержат большие количества водорода, к которому в последнее десятилетие в мире наблюдается большой интерес: «водородная энергетика, зародившаяся на фоне мирового нефтяного кризиса 1970-х гг., к настоящему времени переросла в динамично развивающееся научно-техническое направление, поддержка которого возведена в ранг приоритетов политики международных сообществ, национальных правительств, коммерческих компаний и общественных организаций...» [7]. Следует отметить, что водород обладает максимальной удельной энергоёмкостью на единицу массы, производство энергии с использованием водорода является экологически безопасным процессом, добавка водорода к обычному топливу двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин приводит к увеличению КПД и уменьшению вредных выбросов [8].
Оценка показала, что из захораниваемых ПО ежегодно можно получать до 1 млн т водорода. Очевидно, что для России такое малое количество водорода пока не актуально, однако, например, для Япония и Израиля, где мусора много, это важно. По данным специалистов, в таких странах семья производит в год достаточно мусора, чтобы на водороде, полученном из семейных отходов, мог бы целый год работать автомобиль.
Таким образом, принципиальное решение в области предотвращения экологической катастрофы, сложившейся вследствие химического загрязнения ОС ПО, целесообразно обеспечить за счёт разработки экологически безопасного и энергетически эффективного способа производства водорода и другой ликвидной продукции из ПО.
В работе [9] предложен универсальный экологически безопасный плазменно-химический способ переработки ПО в ликвидную продукцию. Основная идея этого способа заключается в использовании двух последовательных по времени процессов: диссоциации молекул ПО за счёт физического воздействия и ассоциации продуктов диссоциации друг с другом и реагентом, выборе в качестве реагента - паров металла, в качестве физического воздействия - высоковольтного им-пульсно-периодического разряда, хорошо изученного и широко применяющегося в лазерах на самоограниченных переходах атомов металлов. Анализ, выполненный в предположении, что пары кальция используются как реагент, показал, что продуктами переработки различных ПО являются водород, окись углерода, хлорид кальция, карбид кальция и т. д. В табл. 1 приведены результаты оценки массы продуктов переработки М, затрат кальция МСа на переработку одного килограмма полиэтилена (ПЭ), поливинилхлорида (ПВХ) и полиэтилентерефталата (ПЭТ).
Таблица 1
Результаты оценки М, МСа
ПО Продукты переработки М, кг Мса, кг
ПЭ СаС2 2,28 1,43
Н2 0,14
СаС2 1,03
ПВХ СаС12 0,89 0,96
Н2 0,05
СаС2 1
ПЭТ СО 0,58 0,63
Н2 0,05
Расчёты показали, что энергетическая эффективность этого способа производства водорода (эффективность преобразования энергии, затраченной на переработку ПО, в энергию сгорания водорода, полученного в результате этой переработки) из ПО не превышает 10 %. В статье предложен способ, обеспечивающий повышение энергетической эффективности производства водорода
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'3
из ПО, в основе которого лежит пиролиз молекул перерабатываемых веществ за счёт энергии, выделяющейся в процессе трёхчастичной ассоциации продуктов диссоциации ПО друг с другом и парами металла (рис. 1).
Рис. 1. Схематическая конструкция реактора по переработке ПО в водород и другую ликвидную продукцию: 1 - реакционная камера; 2 - вентиль; 3 - баллон с инертным газом; 4 - вакуумметр; 5, 6 - насос; 7 - резервуар с ПО; 8 - нагреватель-холодильник; 9 - резервуар с металлом; 10 - нагреватель; 11 - узел пиролиза; 12 - термостойкий канал; 13 - тепловая изоляция; 14 - устройство, инициирующее пиролиз; 15 - съёмное устройство конденсации (карбид и хлорид кальция); 16 - съёмное устройство вывода монооксида углерода (при взаимодействии молекул монооксида углерода с металлической вставкой образуется карбонил металла); 17 - устройство вывода водорода; 18 - насос; 19 - резервуар для водорода; 20 - дозиметры
На вход узла пиролиза 11 подаётся подогретая смесь инертного газа, постоянно циркулирующего по реакционной камере 1, и паров ПО, переведённых в газообразное состояние с помощью нагревателя-холодильника 8. Инициация пиролиза осуществляется впрыском паров реагента (кальция). По мере продвижения газовой смеси вдоль узла пиролиза её температура возрастает, способствуя пиролизу всё большей части молекул ПО. В итоге на выходе узла пиролиза 11 образуется газовая смесь, преимущественную часть которой составляют продукты переработки ПО.
При анализе эффективности преобразования энергии, затраченной на переработку ПО, в энергию сгорания водорода, полученного в результате этой переработки (эффективности производства водорода), предполагалось, что температура на входе узла пиролиза Твх = 300 К, связи С=С, С=О в молекулах ПО в процессе пиролиза сохраняются, отношение концентраций атомов инертного газа и молекул ПО пПО равно 5.
В результате анализа определена температура Ттах на выходе узла пиролиза 11, соответствующая максимально возможной переработке молекул ПО и оценена их доля у, не подвергнувшаяся переработке за счёт пиролиза (табл. 2).
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'3
Таблица 2
Результаты оценки Tmax, у ö1 и ö2
ПО Ппо, см-3 Т 1 max? К Y, % ¿2
ПЭ 1015 2200 11 0,9 1,5
1016 2450 15 0,68 1,34
1017 2800 18 0,54 1,13
ПВХ 1015 2200 18 0,63 1,71
1016 2500 18 0,55 1,48
1017 2850 21 0,46 1,3
ПЭТ 1015 2200 13 1,07 2,94
1016 2450 19 0,73 1,87
1017 2750 26 0,52 1,35
Оценка минимальной эффективности производства водорода S1 произведена в предположении, что электрическая энергия тратится на нагрев газа до Твх и на диссоциацию не подвергнувшейся в результате пиролиза переработке доли молекул ПО. Максимальная эффективность производства водорода ¿2 оценена в предположении, что электрическая энергия тратится на нагрев газа до Твх, а не подвергнувшиеся в результате пиролиза переработке молекулы исходных веществ перерабатываются за следующий цикл протока инертного газа по узлу пиролиза. Реальные значения эффективности производства водорода будут лежать в диапазоне от S1 до ¿2 (табл. 2).
Таким образом, найдены условия, при которых энергоэффективность производства водорода из ПО превышает единицу. Ещё большее повышение эффективности производства водорода можно достичь путём подбора реагентов, обеспечивающих более высокое выделение энергии при образовании соответствующих продуктов переработки (например, бор и молибден).
Заключение
Предложенный способ позволяет рационально утилизировать ПО за счёт экологически безопасного и энергоэффективного производства водорода и другой ликвидной продукции, обеспечивая минимизацию воздействия ПО на окружающую среду и, как следствие, нормальную жизнедеятельность и безопасность населения.
Предложенный способ в долгосрочной перспективе может стать одним из способов выработки водородного топлива для нового поколения энергетических установок из любых органических соединений, в том числе и из природных ископаемых.
Литература
1. Систер В.Г., Мирный Л.И. Современные технологии обезвреживания и утилизации твёрдых бытовых отходов. М.: Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, 2003, 303 с.
2. Проблемы рециклинга полимерных отходов в России. Научно-исследовательский центр по проблемам управления ресурсосбережением и отходами. 5.03.2005. http://www.waste.ru (дата обращения 10.01.2011).
3. Герасимов А.В. Внутренние угрозы экологической безопасности современной России и меры по их нейтрализации. «Проблема местного самоуправления» http://hghM.yandex.net/ (дата обращения 01.06.2011).
4. Чрезвычайные ситуации. Основные понятия и определения. http://www.znakcomplect.ru/tehbez1.php (дата обращения 08.01.2011).
5. Остаева Г.Ю., Потапов И.И. Полимерные отходы и окружающая среда // Экологически системы и приборы, 2002, № 12. - С. 51 - 58.
6. Пономарева В.Т., Лихачева Н.Н., Ткачик З.А. Использование пластмассовых отходов за рубежом // Пластические массы, 2002. № 5. С. 44 - 48.
7. Тарасов Б.П., Лотоцкий М.В. Водород для производства энергии: проблемы и перспективы // Альтернативная энергетика и экология. 2006. № 8 (40). С. 72 - 90.
8. Ковальчук М.В. Водородная энергетика как составляющая топливно-энергетического комплекса России. "Федеральный справочник. Топливно-энергетический комплекс России". Том № 10. http://federalbook.ru/news/analitics/24.01.2011.html (дата обращения 01.06.2011).
9. Васильева Н.Н., Гарелина С.А., Климовский И.И. О новом способе производства химически чистого водорода из полимерных отходов и токсичных органических соединений вещества // Альтернативная энергетика и экология, 2009, № 3. - С. 84 - 95.
- 47
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2011'3
