Разработка методов утилизации отходов полиэтилентерефталата

 

ГЛАВА 2

МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ  ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА

 

2.1. Состояние, проблемы и перспективы развития технологий переработки полиэтилентерефталата в Украине

 

Проблема переработки  тары из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) в Украине стоит весьма остро. Подтверждения тому не нужно искать, доказательства в буквальном смысле лежат у нас под ногами. Безусловно, без вмешательства государства ситуация вряд ли изменится. Речь идёт о льготах для организаций, занимающихся переработкой полимерных отходов, а также об ужесточении требований к организациям − производителям полимерных изделий по переработке и повторному применению в производственных процессах вторичных полимеров. В настоящий  момент решение проблемы утилизации полимерных отходов все ещё находится в начальной стадии, когда коммерческие организации, при апатии государства к данному вопросу, пытаются  найти пути  наиболее рационального экономически при емлемого использования вторичных полимеров [21].

Возможностей утилизации полимерных отходов, и в частности, ПЭТФ предостаточно, начиная от весьма сложных технологий по деструкции данного полимера на исходные компоненты и заканчивая простейшим наполнением дроблёных бутылок песком и производством из них различных стройматериалов. Тем не менее, в данной ситуации самым логичным кажется путь получения из использованной тары из ПЭТФ исходного сырья для производства все той же тары. Упаковочная индустрия занимает самый большой сегмент потребления этого материала, и возврат переработанного ПЭТФ в производство упаковки решит ряд проблем, к которым относятся экологическая, сырьевая и экономическая [4, 21].

В Украине накоплен большой  негативный опыт внедрения, на первый взгляд, казалось бы, простой технологии: переработки использованных полимерных бутылок. Однако из десятков организованных производств «выжить» и «стать на ноги» смогли лишь единицы. Причиной тому есть отнюдь не дефицит сырья и не конкурентная борьба, а неверный выбор оборудования, а также пренебрежительное отношение к режиму переработки. Ещё одной достаточно весомой причиной является тот факт, что перерабатывая мусор, которым, по сути, и являются использованные бутылки из ПЭТФ, производства постоянно сталкиваются с проблемами свойств и качества входного сырья, решение которых не всегда бывает простым. Большинство заводов по утилизации использованных бутылок из ПЭТФ работают по одной общей технологии, которую можно представить следующим образом (табл. 2) [10].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2

Операции технологического процесса переработки использованных бутылок из ПЭТФ [15].

Стадия процесса переработки	Основные операции процесса, а также возможные варианты проведения операций.
Сортировка входного сырья	Ручная – при такой  сортировке из общей массы сырья  извлекаются посторонние включения: стекло, бумага, металл, визуально отличимые  типы полимеров. Происходит также сортировка сырья по цвету. Автоматическая − все перечисленные в первом варианте операции выполняются автоматически.
Очистка сырья	1 этап. Дробление сырья:  влажное или сухое. 2 этап. Очистка сырья от  загрязнений. Как правило, на этапе очистки проводятся операции холодной мойки, центрифугирования и горячей мойки. 3 этап. Высушивание сырья.  После высушивания на выходе  получают готовый продукт −  чистые ПЭТФ-хлопья разгром 10-14 мм.
Грануляция	Применение экструдера − гранулятора. Применение экструдера − гранулятора с системой фильтрации. Применение кристаллизатора, а затем экструдера − гранулятора с системой фильтрации.
Получение изделий	Переработка ПЭТФ методом  литья под давлением. Переработка  ПЭТФ методом экструзии. Переработка  ПЭТФ методом экструзии с раздувом. Переработка ПЭТФ методом прессования. Все вышеперечисленные варианты, за исключением последнего, включают как переработку только гранул вторичного ПЭТФ, так и переработку композиций на его основе.

 

Большинство предприятий  по переработке вторичного ПЭТФ на выходе технологического процесса получают чистые хлопья, которые потом направляют на реализацию. Это обусловлено тем, что для обеспечения всех перечисленных выше стадий процесса необходима моечная линия для получения чистых хлопьев, линия грануляции для получения гранул, и комплекс оборудования (как правило, это литьевое или экструзивное оборудование) для получения готовых изделий. По сути это три различных процесса, которые реализуют три технологии переработки полимеров и, самое главное, это затраты на организацию трёх производственных процессов, сведённых в одну цепочку. Спросом пользуются как хлопья и гранулы, так и изделия из них. Многие организации начинают с получения хлопьев и на этом останавливаются, не видя надобности инвестировать в расширение ассортимента продукции. Остановимся па процессах мойки и грануляции, рассмотрев все, что с ними связано. Оптимальной для переработки является спрессованная кипа использованных бутылок из ПЭТФ. Как правило, предприятия имеющие линии по переработке ПЭТФ-сырья или мини заводы, приобретают такие кипы, которые затем разбирают, сортируют и перерабатывают. Под термином «сортируют» следует понимать удаление из разобранной кипы, которая движется по конвейеру, посторонних предметов, сами же бутылки в кипах, как правило, уже отсортированы по цвету. Качество ручной сортировки полностью зависит от рабочего персонала, следовательно, на качество конечной продукции влияет добросовестный неквалифицированный и достаточно тяжёлый труд, а это является негативным аспектом. К позитивным же сторонам ручного сортирования относится более низкая цена всего комплекса оборудования, обусловленная отсутствием дорогостоящих сенсоров, детекторов, а также систем захвата материала [16,19].

За сортировкой входного сырья следует его измельчение и очистка. Измельчение используется, как правило, влажное. В данном случае, в первую очередь, решается задача охлаждения ножей дробилки, а как дополнительный эффект можно указать на так называемое предварительное замачивание измельчённой массы. Здесь узким звеном являются дробилки, а именно их ножи. В основном в моечных линиях используются роторные дробилки, при этом проблему долговечности ножей каждый производитель решает по-своему. Наиболее эффективное на данный момент решение − использование наборных ножей со сменными режущими элементами [22].

Что касается мойки, то следует отметить, что западные производители стараются применять технологии минимизирующие использование воды, идущей на мытье измельчённого сырья. Считается, что чем больше воды используется процессе очистки ПЭТФ-сырья, тем лучше. Это действительно так, однако в этом случае весь моечный комплекс должен быть обеспечен надёжной системой водоочистки, способной обеспечить высокую фильтрующую производительность. Поэтому для снижения количества моечного оборудования, а также снижения затрат на его обслуживание не в настоящее время производители оборудования для переработки полимерной тары и упаковки применяют технологии интенсивной мойки, а также сухой очистки материала. Сухая фрикционная очистка является самой последней разработкой производителей моечного оборудования. Такие системы дорогостоящие и используются в странах Западной Европы [20, 23].

Если рассматривать классическую схему мойки, то она делится на такие лапы: горячая мойка (как  правило, с химикатами), центрифугирование  и промывка или холодная мойка. При этом стараются воду, которая используется в моечных процессах, завести в цикл, включающий её очистку и повторное использование. Этап очистки ПЭТФ является самым важным, т. к. в данном случае выбираются режимы мойки и необходимые реактивы, и все это зависит от того, какое сырье поступило. Здесь учитывается: степень загрязнения сырья, какие этикетки наклеены на бутылки и каким клеем [23].

Заключительный этап очистки ПЭТФ-хлопьев − это их сушка. В процессе сушки с поверхности материала удаляется влага. При этом возможен простой отжим (так называемое механическое высушивание или центрифугирование) или термическое высушивание, возможна также комбинация отжима и термической сушки.  Параллельно с сушкой возможно отделение от общей массы ПЭТФ-хлопьев частиц посторонних включений (до 1 мм). В данной работе мы не будем рассматривать подробно отделение от дроблёной массы ПЭТФ материалов, из которых сделаны крышки и этикетки, т. к. в данном случае во всех технологиях используют стандартные методы флотационного (для крышек) разделения и выделение в потоке воздуха лёгких фракции (пыли, этикеток). В конечном итоге на выходе получаются ПЭТФ-хлопья, дальнейшее применение которых зависит от их качества. Таким образом, можно назвать ещё одну причину, по которой при комплектации предприятии по переработке бутылок из ПЭТФ ограничиваются только моечными линиями. Эта причина − жёсткие требования к входному сырью при его грануляции. В данном случае имеется в виду получение гранул, пригодных для производства тары и упаковки. Втаблице3 приведены технические требования к ПЭТФ-хлопьям европейской компании-производителя линии грануляции [23, 25].

 

Таблица 3

Технические требования к  ПЭТФ-хлопьям [25]

 

Размер хлопьев, мм, не более	10
Влажность, % не более	0,5
Содержание ПВХ, ppm	5
Содержание клея, ppm	20
Содержание алюминия, ppm	20
Содержание цветного ПЭТ, ppm	30
Другие загрязнения, ppm	10
Пыль, % не более	1

 

При получении гранул вторичного ПЭТФ преследуются две цели: во-первых, это обеспечение технологичности последующей переработки, так как переработка практически всех термопластов осуществляется исключительно в гранулированном виде, и во-вторых, это дополнительная очистка перерабатываемого материала. Именно в связи с дополнительной очисткой для получения гранул вторичного ПЭТФ используют специальные грануляторы. В таких грануляторах применяются: система дегазации (например, вакуумного отсоса летучих), а также система тонкой фильтрации расплава (например, самоочищающиеся сетчатые фильтры). Таким образом, в отличие от обычных, в грануляторах предназначенных для переработки измельчённых полимерных отходов, особое внимание уделяется дегазации и фильтрации материала. Но это не основная особенность линий грануляции ПЭТФ [28, 32].

Таким образом, используй современное оборудование, можно получить из переработанных хлопьев ПЭТФ-гранулы, которые по своим свойствам мало чем будут отличаться от первичного материала. Кроме того, этот материал допускается для производства упаковки, контактирующей с пищевыми продуктами. Технология производства гранул в общем виде выглядит следующим образом. ПЭТФ-хлопья подвергаются кристаллизационной сушке, после чего они попадают в экструдер. В экструдере происходит плавление, дегазация и фильтрация материала. В данном случае качество гранулята будет зависеть от качества фильтрации. Часто бывает, что изделия из вторичного ПЭТФ имеют черные включения. Это говорит о том, что расплав материала во время грануляции не был должным образом отфильтрован. Все достаточно просто: чем тоньше фильтрация, тем лучше [33].

Однако с этим выводом  вступает в конфликт тот факт, что при снижении размеров ячеек фильтров повышается давление расплава, сдвиговые деформации, также возможен застой материала, а это влечёт за собой повышение термоокислительных дистракционных процессов. Гранулированный материал после порезки проходит осушитель и кристаллизатор, а затем попадает в реактор. Там под действием температуры и вакуума проходит реакция поликонденсации, за счёт чего качество вторичного ПЭТФ выводится на уровень исходного полимера. Теперь рассмотрим особенности организации производства по утилизации ПЭТФ-тары, особенности технологии и оборудования. На рынке Украины имеются предложения, как отечественного моечного оборудования, так и зарубежного. Проанализировав имеющиеся предложения, следует отметить, что наиболее оптимальными являются моечные линии производительностью 500 или 1000 кг/час. При слабо организованном сборе сырья предпочтительно перерабатывать 500 кг/час. В данном случае следует иметь в виду и сезонность такого производства. Следует отметить, что качество ПЭТФ-хлопьев напрямую зависит от моечного оборудования, а следовательно, моечное оборудование задаёт возможности для дальнейшей переработки хлопьев. К вопросу выбора такого оборудования следует отнестись крайне серьёзно. В выборе моечного и грануляционного оборудования большую роль играет возможность техобслуживания и поддержка (как техническая, так и технологическая) со стороны изготовителя. Кроме того, следует учитывать особенности входного сырья, которое планируется перерабатывать [16, 19].

При переработке ПЭТФ в гранулы есть ещё одна проблема. На входе имеется сырье неопределённого качества, при этом на выходе из моечной линии к промежуточному материалу предъявляются весьма жёсткие требования. Характерно, что ни один производитель оборудования не предлагает комплексного решения проблемы. Все ограничиваются либо предложением моечного оборудования, либо линии грануляции. Кроме того, на рынке Украины нет технологически грамотных предложений, связанных с выбором технологии, оборудования и его компоновки в единую производственную цепочку. Это основная проблема, и она не всегда решается грамотно. Другой проблемой является обеспечение производства водой для мытья и последующей водоочистки. Бывает, что заключив контракты на поставку оборудования и получив его, инвестор сталкивается с проблемой: где это оборудование разместить. Это задача организационного плана [12].

 

2. Методы переработки ПЭТФ

 

В настоящее время в  мире наиболее распространены два основных метода переработки отходов ПЭТФ-материалов в изделия длительного пользования: механический и химический рециклинг.

Типичная технологическая  схема механической утилизации ПЭТФ может быть представлена следующим образом.

ПЭТФ-бутылки сортируют, удаляют пробки, этикетки, посторонние загрязнения. После материал измельчают на ножевой дробилке до частиц размером 3-10 мм, потом промывают водой или раствором каустической соды и высушивают при температуре до 130 ⁰С [10].

Материал сушат в остаточной влажности 0,02-0,05%. Промывную воду обычно фильтруют и снова вводят в  цикл. Тщательная сушка принципиальна, поскольку наличие остаточной влажности  при последующей переработке  при повышенных температурах приводит к частичному гидролизу цепей  и необратимому ухудшению физико-химических свойств полимера. Высушенный материал перерабатывают на обычных литьевых машинах при 260-286 градусах. Во время  процесса потребляется довольно много  электроэнергии: суммарное энергопотребление  такой установки по переработке  отходов составляет 500-600кВТ, то есть примерно 1 кВт/час на килограмм выходного  продукта [10, 11].

В данный момент большинство  предприятий предлагают использовать вторичный ПЭТФ:

• Для получения дешёвых волоконных материалов бытового и технического назначения (фильтры, нетканые материалы, автомобильные сидения, сумки, рюкзаки, и пр.);
• Для получения строительных материалов (полимербетоны, черепица и т.п.)
• Для получения плёнок технического назначения, бандажных лент;
• Для изготовления тары технического назначения или не предназначенных для контакта с пищевыми продуктами (ящиков, коробок, вешалок, подставок);
• В виде добавок в другие полимеры;
• В качестве наполнителя в композиционных материалах и автомобильных пластиках и т.п [14].