CC BY
20
Научни трудове на Съюза на учените в България - Пловдив. Серия В. Техника и технологии, т. XIV, ISSN 1311-9419 (Print), ISSN 2534-9384 (On- line), 2017. Scientific Works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series C. Technics and Technologies, Vol. XIV., ISSN 1311-9419 (Print), ISSN 2534-9384 (On- line), 2017.
ТОПЛОФИЗИЧНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ПЛОСКОСТИ ОТ ОБРАБОТЕНИ ЦИГАРЕНИ УГАРКИ Таня Иванова, Атанас Ташев, Димитър Стоев, Лазар Лазаров, Венелина Попова, Величка Янакиева, Минчо Минчев, Сабрина Велиева Университет по хранителни технологии - Пловдив
THERMO-PHYSICAL CHARACTERISTICS OF BOARDS MADE FROM PROCESSED CIGARETTE BUTTS Tanya Ivanova, Atanas Tashev, Dimitar Stoev, Lazar Lazarov, Venelina Popova, Velichka Yanakieva, Mincho Minchev, Sabrina Velieva University of Food Technologies - Plovdiv
Abstract
Cigarette butts (CBs) are the most littered item on our planet and the prevalent form of street litter. CBs are poorly degradable and cause a serious environmental impact. Cellulose acetate filters can accumulate up to 50 % of mainstream smoke condensate, and the leachate from smoked filters (and from the residual tobacco in CBs) is a water and soil contaminant. CBs are hard to recycle, with a limited number of successful recycling solutions. The aim of the paper is to determine some thermo-physical characteristics of boards made from processed purified CBs and different adhesives. The thermal conductivity (l) of the boards of recycled CBs was 0,042 W/ (m.K), close to that of expanded polystyrene. The levels of microbial contamination of recycled CBs boards were very low. Results from the study confirm that CBs can be successfully recycled by obtaining boards with a potential to be applied as insulation material.
Key words: cigarette butts, cigarette filters, recycling, thermal conductivity
Въведение
Всяка година по света се изпушват повече от 5500 милиарда цигари, като прогнозата е до 2025 г. световната консумация да достигне 9000 милиарда (Eriksen et al, 2012). Цигарените угарки са най-масово изхвърляният отпадък от човешка дейност, особено в урбанизираните райони, където те съставляват до 70 - 90 % от общото количество видими отпадъци (ASH, 2015; Keep America Beautiful, 2010; Martinez-Ribes et al, 2007; Moriwaki et al., 2009; Oigman-Pszczol и Creed, 2007; Tiessen et al., 2010)
Над 90 % от изхвърлените цигарени угарки се състоят от три компонента - недоизпушен тютюн, цигарен филтър и хартии. Съществува голямо разнообразие на цигарени филтри, в зависимост от вида и броя на използваните материали - книжни (още: крепови, целулозни -изработени от хартия с влакна от 100 % избелена сулфитна целулоза, крепирана (нагъната) обикновено в надлъжно направление), влакнести (фиброви) - изработени от влакна от натурална или ацетатна целулоза, вискоза или други); единични (монофилтри - съставени изцяло от един вид филтриращ материал); многослойни (мултифилтри - съставени от комбинация на два или повече филтриращи материали: естествена или ацетатна целулоза,
вискоза, вата, активен въглен на прах или гранули, други синтетични или природни продукти с филтриращо действие), реакционни филтри (с включени активни добавки, които взаимодействат с определени компоненти на дима) и др. Основно място заемат монофилтрите от ацетатна целулоза (над 90 % от произвежданите цигари), изградени от десетки хиляди влакна от обработен целулозен ацетат, частично слепени с триацетин (глицерол триацетат). Целулозният ацетат е много бавно разградим в природата, като по различни данни и в зависимост от условията за неговото разграждане са необходими от 18 месеца до 12 години (Ach , 1993; Tiessen et al, 2010). Цигарените филтри могат да задържат и акумулират до 50 % от кондензата на главната димна струя в процеса на пушене на цигарите. Изхвърлени като отпадък, цигарените угарки (филтър заедно с останалия неизпушен тютюн) са източник на подвижни водоразтворими форми на токсични вещества, които създават опасност от замърсяване на води и почви.
За разлика от други отпадъчни продукти на човешката дейност, цигарените угарки не са били обект на задълбочени изследвания по отношение на възможностите за тяхното рециклиране. Като основен проблем се изтъква най-вече фактът, че никъде по света на практика не е реализиран работещ системен подход за разделно събиране на угарките и последващото им концентриране в големи количества (партиди) (Barnes, 2011). Много малко са литературните източници, разглеждащи цигарените угарки като продукт с потенциал за последващо оползотворяване. Един от тях разглежда включването на цигарени угарки в строителни материали, като тухли от печена глина (Kadir et al, 2010). В лабораторните си опити авторите установяват възможността да се намали плътността и масата на изпечените тухли с до 30 % и тяхната топлопроводимост с до 58 %, при минимално инфилтриране на тежки метали в течна среда. Известен е патентован процес и метод за рециклиране на цигарени угарки, включващ обработка на смлени угарки с органичен разтворител и минерални добавки, последвано от сушене и формуване на полутечната маса до твърд продукт с различно приложение, без инфилтриране на химични вещества от него при контакт с вода (Burich, 2009).
В тази връзка, целта на настоящето изследване е да се определят някои теплотехнически характеристики на обработени по авторска технология цигарени угарки с оглед анализ на потенциала им за рециклиране и алтернативно приложение.
Материали и методи
Материали
Като изходен материал за изследването са използвани цигарени угарки в естественото им състояние и съотношение на марки и формати, събрани от контейнери (пепелници), поставени на открити обществени места и други зони с допустима консумация на цигари в гр. Пловдив. По този начин е формирана сравнително представителна проба за местния отпадък от цигарени угарки (като марки цигари и дължина на неизгорялата тютюнева част). Цигарените угарки са подлагани на неколкостепенна обработка - първична обработка за разделяне или раздробяване на структурните компоненти на угарките (неизгорялата тютюнева част, филтърен сегмент, хартии) и очистване (екстрахиране). Технологията на обработка е авторска, като определената степен на очистване на филтърния материал показва липсата на летливи или водоразтворими токсични форми в обработения очистен филтърен материал (непубликувани данни).
За целите на настоящето изследване са прилагали 3 схеми за първична обработка на цигарените угарки и получаване на екстрахирани филтърни сегменти, като на екстракция (очистване) са подлагани:
смлени филтри без филтрообвивна, филтросвързваща и остатъчна цигарена хартия (за варианти 1 и 4);
смлени филтри с филтрообвивна, филтросвързваща и остатъчна цигарена хартия (за варианти 2 и 5);
цели филтри без филтрообвивна, филтросвързваща и остатъчна цигарена
хартия (за варианти 3 и 6).
Като контрола в изследването са включени чисти филтри за цигари (отпадъчни филтърни пръчки от производството на „Юрий Гагарин" АД; dpf/TD 5,0/25000), първично обработен само чрез отделяне на филрообвивната хартия и нарязване.
Методи
За характеризиране на топлоизолационните свойтва на екстрахирания филтърен материал е определян коефициентът на топлопроводност. Определянето е извършено на специализиран лабораторен стенд в катедра „Промишлена топлотехника" на УХТ -Пловдив.
От обработения материал от цигарени угарки по трите схеми са изработени плоскости (размери 0,20 х 0,295 х 0,020 m) със свързващ компонент (за постигане на равномерна твърдост и слепване на материала). Като свързващ компонент са използвани два вида лепило, закупени от търговската мрежа: Ц-200 («Универсалстрой» ООД), добавяно в съотношение от 1,46:1 до 2,17:1 (w/w) и ПВА модифицирано лепило за тапети (Master Line®), добавяно в съотношение от 1,33:1 до 2,08:1 (w/w).
Топлоизолационният материал се монтира като стена на термостатична камера. След загряване на въздуха в камерата и достигане на установен режим са измервани необходимите за изчисленията температури, температурни разлики и плътност на топлинния поток, преминаващ през опитния образец.
Измервани величини:
- температура на въздуха в камерата - , °C
- температура на въздуха извън камерата - , °C
- температурна разлика между температурата на въздуха в камерата и температурата на повърхността на стената:
М =t f 1- К, K
- температурна разлика между температурата на повърхността на стената и температурата на въздуха извън камерата:
= К2 - t f 2 , K
- плътност на топлинния поток, преминаващ през опитния образец:
qF,W / m2
Изчислени величини:
- температура на повърхността на стената от вътрешната страна:
С, =tf 1 ,0 С
- температура на повърхността на стената от външната страна:
W =tf 2 -At2 ,0 С
На базата на получените резултати за повърхностните температури и тези за плътността на топлинния поток при стационарен процес, е изчислена стойността на коефициента на топлопроводност по закона на Фурие.
5qf
Я = —— ,W /(mK)
tw1 tw2
където: 5 - дебелина на опитния образец; 5 = 0,02 m.
Изчисленията са направени при различни температури на въздуха в термостатичната камера (от 50 °С до 70 °С). Стойностите за коефициента на топлопроводност на всяка проба са получени като средноаритметични от всички резултати.
Резултати и обсъждане
В резултат на проведените три схеми на първична обработка и екстракция са получени очистени от задържания на тях димен кондензат филтърни материали, с различна степен на раздробеност (три изходни обработени материала от цигарени филтри, показани на фигура 1). Цветът им е визуално възприеман като бял, без доловим мирис. Съставът и количеството на остатъчните вещества в екстрахирания филтърен материал (определен с методите на GC/ MS, непубликувани данни на авторите) не предполага инфилтриране във вода или отделяне на летливи компоненти при по-нататъшна обработка и употреба в строителството и др. области.
За варианти 1 и 4 За варианти 2 и 5 За варианти 3 и 6
Фигура 1. Изходен обработен филтърен материал от цигарени угарки
Получените плоскости от обработен филтърен материал по трите схеми, както и контролната проба, са илюстрирани съответно: на фигура 2 - със свързващ компонент лепило Ц-200 и на фигура 3 - със свързващ компонент модифицирано тапетно лепило.
Вариант 3
Контрола
Фигура 2. Плоскости от обработен филтърен материал със свързващ компонент
лепило Ц-200
Вариант 6
Фигура 3. Плоскости от обработен филтърен материал със свързващ компонент ПВА
модифицирано лепило за тапети
Резултатите от определянето на някои физични показатели (влажност и плътност) на получените плоскости от обработен филтърен материал и свързващо лепило са посочени в таблица 1.
Таблица 1. Показатели на плоскости от материал, получен от цигарени филтри
Вариант Влажност, % Плътност, kg/m3
С лепило Ц-200
Вариант 1 2,59 210,17
Вариант 2 2,69 227,97
Вариант 3 2,83 218,64
Контрола 2,08 232,20
С ПВА лепило за тапети
Вариант 4 4,25 117,80
Вариант 5 4,65 180,51
Вариант 6 3,91 144,92
Влажностите на опитните варианти от сериите със съответния свързващ компонент (лепило Ц-200 и ПВА модифицирано лепило за тапети) са много близки. По-високи са влажностите на вариантите с лепило за тапети, обяснимо със състава и водоотделянето на свързващия компонент. Независимо от това, влажността е ниска и благоприятства
приложението на плоскостите. Влажността на контролата е по-ниска от тази на опитните варианти с лепило Ц-200, което е логично следствие от предварителната обработка и нарушаването на целостта на филтърния материал от угарките при варианти 1 ^ 3.
Плътността на опитните варианти с лепило Ц-200 (варианти 1 - 3) се проявява в много тесни граници. Очаквано, тяхната плътност е по-ниска от тази на контролата, при която филтърните отрязъци са в ненарушено (нераздробено) състояние. Плътността на опитните варианти с ПВА модифицирано лепило за тапети (варианти 4 - 6) е по-ниска от тази на серията с лепило Ц-200. По-висока стойност на плътността се наблюдава при вариант 5 (както и при вариант 2 с лепило Ц-200), което явно се дължи на наличието на парченца цигарена, филтрообвивна и филтросвързваща хартия в изходния материал.
От гледна точка насоката на приложение на така получените плоскости (напр. като топлоизолационни материали в строителството) е проведен микробиологичен анализ, тъй като материалът не бива да предполага развитието на микробиологични процеси. Оценката е проведена с варианти 1 и 4, отличаващи се с най-благоприятно проявление на плътността, като резултатите за определените микробиологични показатели са показани в таблица 2.
Таблица 2. Микробиологични показатели на плоскости от материал, получен от
цигарени филтри
Показател Вариант 1 Вариант 4
Общо микробно число 10 CFU/g 10 CFU/g
Плесени 10 CFU/g 10 CFU/g
Escherichia coli < 10 CFU/g < 10 CFU/g
Получените резултати показват ниски стойности на микробна осемененост, които изключват развитието на микробиологични процеси в изследваните плоскости.
Получените стойности на коефициента на топлопроводност 1 ^/(т.К)) на изследваните варианти материал от цигарени филтри са посочени в таблица 3.
Таблица 3. Коефициент на топлопроводност на плоскости от материал, получен от
цигарени филтри
Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Контрола Вариант 4 Вариант 5 Вариант 6
l, W/ (m.K) 0,046 0,047 0,042 0,058 0,054 0,065 0,046
Получените резултати показват много добри топлоизолационни свойства на всички опитни варианти със свързващ компонент лепило Ц-200 (варианти 1 - 3), близки до тези на експандирания полистирол (стиропор), за който 1 = 0,036 ^ 0,044 W/(m.K). По-високи стойности на коефициента на топлопроводимост са отчетени при опитни варианти 4 и 5 (с ПВА лепило за тапети) спрямо съответните варианти с лепило Ц-200, което се дължи не само на топлопроводимостта на свързващото вещество, но и на неговото проникване и разпределение в обема от смлян филтърен материал. От плоскостите, изработени с ПВА лепило за тапети с най-добри топлоизолационни свойства, близки до тези на стиропора и вариантите с лепило Ц-200, е вариант 6 (1 = 0,046 W/(m.K). Чистият материал (контролата) с лепило Ц-200 е с по-лоши топлоизолационни свойства от опитните варианти, което се обяснява с променената структура на материала в тях, вследствие на проведената технологична обработка по възприетите схеми (смилане, промиване) и по-големия обем въздушни пространства, разпределени в плоскостите.
На базата на комплексното разглеждане на получените резултати за коефициента на топлопроводимост, плътност и влажност, по-нататък изходният материал, използван
25
за варианти 3 и 6 е избран за изработване на два варианта плоскости, тип сандвич, с две свързващи вещества - гипс и лепило за фаянс и теракота TERAKOL® и положена на повърхностите армираща мрежа за топлоизолация. Така изработените плоскости са пригодни за шпакловка без необходимост за използване на грунд или други вещества, подобряващи контактната повърхност.
Заключение
Проведените изследвания за определяне на коефициента на топлопроводност и плътност на плоскости, получени от обработени и очистени цигарени угарки с различни свързващи вещества, показват техните много добри топлоизолационни свойства. С най-добри показатели се отличават плоскостите, изработени от екстрахирани цели филтърни сегменти без филтрообвивна, филтросвързваща и остатъчна цигарена хартия, като получените стойности за коефициента на топлопроводност (1 = 0,042 W/(m.K)) са близки до тези на експандирания полистирол (стиропор). Получените резултати за топлофизични характеристики на цигарените угарки потвърждават техния потенциал за рециклиране и алтернативно приложение чрез включването им в топлоизолационни плоскости.
Благодарности
Изследването е подпомогнато от проект 5/15-Н на фонд „Наука" на УХТ - Пловдив.
Литература
Ach A., Biodegradable plastics based on cellulose acetate, J. Macromol Sci Pure Appl Chem, 1993, A30: 733-740.
ASH Fact Sheet on Tobacco and the Environment, 2015, Available at http://ash.org.uk/category/ information-and-resources/fact-sheets/ .
Barnes R.L., Regulating the disposal of cigarette butts as toxic hazardous waste, Tobacco Control, 2011, 20 (S 1): i45-i48.
Burich B., Process and method for recycling cigarette butts, US Patent US7560059B2, 14 July 2009.
Eriksen M., J. Mackay, H. Ross, The tobacco atlas. 4th ed. Atlanta, GA: American Cancer Society; New York, NY: World Lung Foundation; 2012, Available at http://www.tobaccoatlas.org
Kadir A.A., A. Mohajerani, F. Roddick, J. Buckeridge, Density, strength, thermal conductivity and leachate characteristics of light-weight fired clay bricks incorporating cigarette butts, Int J Civil Envir Eng, 2010, 2(4):179-184.
Keep America Beautiful, Litter in America. Key findings: cigarette butt litter, 2010, Available at https:// www.kab.org/news-info/research .
Martinez-Ribes L., G. Basterretxea, M. Palmer, J. Tintore, Origin and abundance of beach debris in the Balearic Islands, ScientiaMarina, 2007, 71(2): 305-314.
Moriwaki H., S. Kitajima, K. Katahira, Waste on the roadside, 'poi-sute' waste: Its distribution and elution potential of pollutants into environment, Waste Management, 2009; 29(3):1192-7.
Oigman-Pszczol S.S, J.C. Creed, Quantification and classification of marine litter on beaches along Arma^ao dos Buzios, Rio de Janeiro, Brazil, Journal of Coastal Research, 2007, 23 (2): 421-428.
Sawdey M., R. P. Lindsay, T. E. Novotny, Smoke-free college campuses: no ifs, ands or toxic butts, Tobacco Control, 2011, 20 (Suppl 1): i21-i24.
Tiessen J., P. Hunt, C. Celia, M. Fazekas, H de Vries, L. Staetsky, S. Diepeveen, L. Rabinovich, H. Ridsdale, T. Ling, TR-823-EC, RAND Europe, 2010, Available at http://ec.europa.eu/health/tobacco/docs/ tobacco_ia_rand_en.pdf .
За контакти:
гл. ас. д-р Таня Антониева Иванова
Катедра «Технология на тютюна, захарта, растителните и етерични масла»
Университет по хранителни технологии
бул. «Марица» 26, 4002 Пловдив
E-mail: tantonieva@mail.bg
