ПЕРЕРАБОТКА ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ

Во всем мире наблюдается рост производства полимеров. Однако утилизация и переработка полимерных отходов по-прежнему является проблемой современного мира [1].

Производство полимеров всегда было отягощено проблемой дальнейшей утилизации после использования. Ежегодно выбрасываются десятки миллионов тонн отработанных полимерных материалов. Это приводит к экологическим и социальным проблемам. Размещение отходов на свалках становится все более непривлекательным из-за его низкой устойчивости, увеличения стоимости и уменьшения доступного пространства [2].

В перспективе объемные потоки отработанных полимеров могут стать важным источником сырья для производства пластмасс и текстильных изделий, мономеров для синтеза других полимеров, а также топлива и энергии.

Первичная механическая переработка.

Первичная механическая переработка представляет собой повторное использование незагрязненного отработанного полимера в новый продукт без потери свойств. В большинстве случаев первичную механическую переработку промышленных отходов производит сам производитель. Поэтому этот процесс часто называют рециркуляцией с обратной связью. Бытовые отходы также могут быть подвергнуты первичной переработке, однако в этом случае может возникнуть ряд дополнительных сложностей, таких как необходимость выборочного сбора и ручной сортировки. Такие проблемы могут значительно увеличить стоимость вторсырья [3]. В связи с чем такой метод переработки менее популярен среди переработчиков.

Перед реинтеграцией использованного материала в новый продукт необходимо произвести дробление или измельчение. Эти процессы делают материал более однородным и его легче смешивать с добавками и другими полимерами для дальнейшей обработки. Разобранный материал также можно более контролируемо интегрировать в общий производственный процесс. Кроме того, становится легче очищаться [4].

После плавления получившемуся материалу можно придать новую форму. Наиболее известными методами такого рода переработки являются литье под давлением, ротационное формование, термопрессование и экструзия [5]. Поэтому только термопластичные полимеры могут перерабатываться данным методом.

Рециркуляция по замкнутому циклу реализуется следующим образом:

• отбракованные материалы быстро возвращаются обратно;
  в производственный цикл;
• примеси удаляются напрямую и не играют никакой роли в конечном продукте;
• полимер достаточно стабилен для повторного проведения высокотемпературных процессов;
• переработанные материалы обрабатываются так же, как и первичные материалы.

Вторичная механическая переработка

Вторичная механическая переработка в отличие от первичной включает в себя разделение/очистку. Как и в случае первичной переработки обычно перерабатываются только термопластичные полимеры.

Полимер не изменяется при вторичной переработке, но его молекулярная масса падает из-за разрывов цепи, происходящих в присутствии воды и кислот.

Это может привести к снижению механических свойств. Этому явлению можно хотя бы частично противодействовать интенсивной сушкой, применением вакуумной дегазации и использованием различных стабилизирующих добавок [6]. Другой причиной падения механических свойств после переработки является загрязнение основного полимера другими полимерами. Большинство полимеров несовместимы друг с другом.

Важными факторами вторичной переработки являются:

• доступность отходов для переработки (логистика, объемы), затраты на сбор, хранение и транспортировку;
• форма;
• состав (моно или комплекс, разница температур плавления компонентов);
• степень чистоты (наличие примесей может отрицательно сказаться на утилизации или даже сделать ее невозможной);
• разница в цене между первичным и вторичным сырьем (вторичная переработка даже небольшого количества дорогостоящих технических полимеров может быть очень привлекательной с финансовой точки зрения);
• наличие желательных и нежелательных добавок;
• экологические аспекты (пылеобразование, шумовое загрязнение при измельчении, энергоемкость, токсичность применяемых растворителей).

Третичная переработка сырья

Третичная переработка представляет собой тип переработки полимеров, при котором полимерные цепи преобразуются в более мелкие молекулы с помощью химических процессов. Примерами таких процессов являются гидролиз, пиролиз, гидрокрекинг и газификация [7]. Типичными продуктами конверсии являются жидкости и газы, которые можно использовать в качестве сырья для производства топлива, новых полимеров и других химических веществ.

Полимеры, образующиеся в результате реакций поликонденсации, такие как полимолочная кислота (ПМК), и полиуретан (ПУ), могут быть эффективно деполимеризованы посредством каталитических реакций. Таким образом, полученные мономеры могут быть повторно использованы для синтеза исходных полимеров.

Важной особенностью гидролиза ПУ является то, что он может производить как полиолы, так и амины. Полиолы также можно использовать в качестве топлива, тогда как оба они могут быть повторно использованы в качестве исходных материалов для синтеза новых полиуретанов. Однако гидролиз ПУ неэкономичен, в основном из-за больших энергозатрат: температура в процессе должна быть выше 280°С.

Биологическая деградация

Некоторые полимеры могут разлагаться в присутствии воздуха и воды на более мелкие молекулы бактериями, грибами и некоторыми другими микроорганизмами, которые биосинтезируют соответствующие ферменты. Эта форма деградации рассматривается некоторыми исследователями [8] как форма вторичной переработки, поскольку она также сохраняет внутреннюю ценность отходов и возвращает их в биологический цикл.

В большинстве случаев существующие полимеры являются биоразлагаемыми. Однако из этого принципа есть исключения. Например, политиоэфиры синтезируются бактериями путем полимеризации меркаптоалкановых кислот в присутствии полигидроксиалканоатсинтазы и не подвергаются биологическому разложению.

Параметры процесса (давление, наличие определенных микроорганизмов, рН и т. д.) определяют, можно ли легко преобразовать полимеры в компост или другие вещества. Как правило, биосинтезированные полимеры (целлюлоза, хитин и т. д.) могут быть эффективно подвергнуты биологическому разложению в широком диапазоне технологических параметров. Существует система маркировки для классификации полимеров, которые являются биологически разлагаемыми.

Сжигание или четвертичная переработка

Сжигание также может быть классифицировано как форма переработки. Такой метод переработки по-прежнему остается очень популярным. В Европе это наиболее распространенный метод утилизации выброшенного пластика. Этот метод особенно используется для переработки смешанных и сильно загрязненных отходов, которые не могут быть легко и экономично переработаны каким-либо другим способом. При сжигании энергоемких отходов может образовываться тепло, электричество или другие виды энергии, которые могут быть непосредственно использованы в технологических процессах или для обогрева зданий.

Четвертичная переработка уменьшает объем отходов примерно до 1% от первоначального объема и разлагает токсичные и заразные отходы. Таким образом, он идеально подходит для переработки медицинских изделий и упаковки опасных товаров. Неорганические компоненты превращаются в инертный шлак путем сжигания и могут использоваться для строительства дорог.

Для сжигания используются различные установки и методы. Пластиковые отходы используются в качестве энергоемкого топлива для высокотемпературных процессов: теплотворная способность синтетических полимеров обычно выше, чем у угля. Он подходит, например, для цементных печей, установок для сжигания химических отходов и печей для плавки металлов.

Кросс-сопряжение

Кросс-сопряжение — это метод, который можно использовать для улучшения механических свойств выбрасываемых смесей полимеров: для создания химических связей между полимерными цепями в процессе переработки, например, при реактивной экструзии, используются специальные химические вещества [9]. Эти агенты в основном представляют собой химически активные системы, которые взаимодействуют с полимерными цепями, что приводит к снижению или отсутствию деградации свойств.

Такой метод может решить проблему несовместимости, но делает будущую переработку материала весьма проблематичной из-за полной или частичной потери термопластичности. Кросс-сопряжение превращает термопластичный полимер в термореактивный материал, форму которого изменить очень сложно. Однако такие термореактивные полимеры можно смешивать с аналогичными термопластичными первичными материалами после измельчения и впоследствии интегрировать в конечные продукты. Эту интеграцию также можно улучшить за счет химического или термического связывания.