Актуальность: Одной из важнейших проблем, с которой столкнулось мировое сообщество в настоящее время, является проблема загрязнения окружающей среды отходами полимерных материалов, в частности пластмасс на основе полиэтилена (ПЭ) и полипропилена (1111). Из всех типов существующих отходов именно пластиковые отходы становятся основным загрязняющим фактором благодаря их естественному разнообразию и довольно быстрому накапливанию.
До недавнего времени основными методами утилизации таких отходов было их складирование на полигонах твердых бытовых отходов (ТБО) или простое сжигание без изначальной сортировки и отдельной обработки в зависимости от типов утилизируемых отходов. Традиционная утилизация пластиковых отходов бесспорно приводит к загрязнению окружающей среды, так как в случае захоронения отходов на полигонах для большинства полимерных материалов просто не существует микроорганизмов, способных превращать (перерабатывать) их в безопасные для окружающей среды вещества. А при сжигании образуется значительное количество газообразных и твердых отходов, которые, в свою очередь, также необходимо утилизировать.
Существует ряд методов вторичного использования ПЭ и ПП. В большинстве этих способов используются различные методы и устройства вторичного формования изделий из отходов пластмасс. Основным недостатком этих методов является то, что механические свойства изделий из вторичных пластмасс ухудшаются на 15-20% по сравнению с исходными изделиями [1].
Среди известных технологий переработки отходов следует особо выделить пиролиз - метод контролируемого термического разложения исходного сырья без доступа кислорода. В результате пиролизной переработки сырья получается кондиционная продукция: котельное (печное) топливо (используется по прямому назначению и для получения компонентов дизельной (бензиновой) фракции при наличии ректификационной колонны); пиролизный газ (используется в качестве топлива для работы установки); сухой углеродный остаток 4-го класса опасности (используется на местные, строительные и рекультивационные нужды, а также вводится как наполнитель в бетонные смеси); тепло, выделяемое в процессе переработки (используется для обогрева помещений).
Пиролиз представляет собой совокупность элементарных реакций разложения (деструкции) органического вещества на продукты с меньшей молекулярной массой. Реакции протекают как последовательно, так и параллельно и при этом неразрывно связаны между собой.
На сегодняшний день существует ряд классификаций пиролиза, а именно:
- сухой пиролиз (без доступа кислорода) и окислительный пиролиз (при частичном сжигании отходов или в результате прямой обработки отходов горячими дымовыми газами);
- низкотемпературный пиролиз (300-550°C), направленный преимущественно на получение продуктов жидкой фракции; среднетемпературный пиролиз (550-800°C), направленный на получение продуктов всех фракций;
- высокотемпературный пиролиз (свыше 900°C), направленный на получение газообразных продуктов процесса;
- пиролиз, реализуемый в установках циклического (периодического) и непрерывного действия.
Однако в странах СНГ, включая Россию и Украину, процесс переработки отходов методом пиролиза пока не получил большого распространения. Причиной этого является, во-первых, сложность в эксплуатации представленных на рынке стран СНГ технологий и оборудования, во-вторых, отсутствие опыта у местных производителей, не дающих гарантии функционирования установок, и, в-третьих, отсутствие эффективных технологий пиролиза и устройств, реализующих эти технологии. Как следствие - высокая стоимость зарубежных аналогов.
Цель работы- исследование утилизации твердых полимерных отходов методом пиролиза, выбор наиболее перспективного направления и научно обоснованная разработка способа переработки отходов карбоцепных термопластов.
Для достижения поставленной цели решения требуют следующие задачи:
1. Обосновать актуальность и необходимость выбранной темы для выпускной квалификационной работы.
2. Собрать статистические данные образования отходов полимеров.
3. Исследовать имеющиеся на данный момент технологии утилизации отходов полимеров и произвести их сравнительный анализ.
4. Рассмотреть малоизвестные, но перспективные методы, не нашедшие широкого применения на сегодняшний день, для утилизации отходов.
5. Провести патентный поиск и на его основе предложить способ переработки отходов.
Объект исследования: способы, направления переработки, готовые патентные решения (изобретения).
Предмет исследования: возможность переработки отходов карбоцепных термопластов методом пиролиза, определение состава продуктов пиролиза термопластичных полимеров.
Научная новизна:
Предложен способ, который относится к переработке и утилизации синтетических полимерных материалов и может быть применено для переработки отходов карбоцепных термопластов в смесь низкомолекулярных углеводородов с последующим выделением из полученной смеси мономеров - исходных соединений для производства полимеров. Способ переработки отходов карбоцепных термопластов включает стадию термоожижения сырья, стадию его термического разложения, стадии выделения продуктов разложения и их фракционирования. При этом стадию термического разложения проводят методом пиролиза при температуре 500-600°С и атмосферном или небольшом избыточном давлении в токе газа-разбавителя. Переработка отходов карбоцепных термопластов данным способом может быть совмещена с пиролизом нефтяного сырья в производстве этилена.
Практическая значимость работы:
Разработана принципиальная схема переработки отходов термопластов, которая вдальнейшем может внедряться на производства, например, этилена. Полученью программы отдельных фракций могут использоваться для дальнейшего изучения структуры термопластов и фракционного состава по компонентно. Расчет колонны для абсорбции показал, возможность использования описанного метода на практике.
Положения, выносимые на защиту:
Научная обоснованность и достоверность
Апробация работы и публикации:
Работа опубликована на научной конференции ТГУ от 19.04.19 и подана заявка на патент № 2018141306/05
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из трех глав, введения, заключения и списка использованных источников. Работа изложена на 91 листе, 6 рисунков и 10 таблиц.
Накопление бытовых и промышленных отходов в Поволжском регионе увеличивается с каждым годом в основном из-за стремления людей к лучшему уровню жизни и экономически выгодным для них материалам (изделиям). Однако это ухудшает состояние окружающей среды. Перспективной альтернативой может стать переработка карбоцепных термопластов методом пиролиза.
В результате выполненной диссертационной работы мной были получены результаты, описанные далее.
При сравнении разных направлений утилизации, а также дальнейшего их использования и эколого-экономических составляющих, было принято решение остановится на таком методе как пиролиз, и в последствии произведен патентный обзор опираясь именно на пиролиз твердых бытовых отходов.
Анализ изобретений разных авторов и знакомство с их работами заставил задуматься о рассмотрении и составлении принципиальной «Блок-схемы», состоящей из таких узлов как термоожижение, пиролиз, охлаждение, адсорбция, десорбция, компримирование и газоразделение, и последующей возможности реализации ее на производстве.
Разработанная схема также поставила ряд не решенных вопросов, таких как определение состава продуктов пиролиза термопластичных полимеров и рентабельность узлов, обозначенных на схеме.
Для ответа на первый вопрос был поставлен лабораторный опыт, на установке, в состав которой входили пиролизёр, пиролитическая приставка (печного типа) и газовый хроматограф, оснащённый капиллярной колонкой и пламенно-ионизационным детектором, проводили пиролиз пробы отходов полиэтилена, полипропилена, полистирола и смеси (полиэтилен, полипропилен, полистирол) всего получилось 4 опыта, однако стадию термического разложения проводили методом пиролиза при температуре 500-600°С и давлении не более 0,107 МПа в токе газа-разбавителя. Таким образом, предложенным способом переработки отходов карбоцепных термопластов были получены смеси низкомолекулярных углеводородов, из которой могли быть выделены мономеры (этилен, пропилен, изобутилен, бутадиен-1,3, стирол), другими словами это исходные соединения для производства полимеров.
Используя данные эксперимента произведен расчёт двух абсорбционных колон (насадочная и тарельчатая), в которых сырьем были полиэтилен и смесь, описанная ранее, в двух случаях наиболее выгодной оказалась насадочная колонна, поэтому для того чтобы тщательнее рассмотреть эту задачу, проводились расчеты различных видов насадок, в результате наиболее рентабельной оказалась насадка «Инталокс».
Таким образом, технический результат от использования предложенного технического решения заключается в создании возможности переработки отходов карбоцепных термопластов в мономеры для их использования в дальнейшем производстве.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
