Методы утилизации отходов полимеров

Ежегодно население нашей планеты увеличивается, а с ростом численности населения происходит увеличение различных отходов. Отходы производства и потребления - вещества или предметы, которые образованы в процессе производства, выполнения работ, оказания услуг или в процессе потребления, которые удаляются, предназначены для удаления или подлежат удалению в соответствии с настоящим Федеральным законом. Соответственно стоит остро вопрос не только о сокращении количества отходов, но и о способах его переработки.

Существует несколько способов утилизации отходов – это сжигание, захоронение, переработка, брикетирование, химические методы и т. д. Способы переработки зависят непосредственно от вида отходов. Можно выделить следующие основные классификации в зависимости от их характеристик:

По происхождению делятся на три основные категории: бытовые, промышленные и военные. Бытовые образуются в результате повседневной жизнедеятельности человека. Промышленные формируются на производственных предприятиях и включают остатки сырья, технологические шлаки, металлическую стружку, химические вещества и другие компоненты, часто содержащие вредные или тяжелые элементы. Военные возникают в процессе эксплуатации вооружений, проведения учений или боевых действий, а также на объектах оборонного комплекса и требуют особого контроля, строгой утилизации и соблюдения повышенных норм безопасности.

По составу отходы делятся на биологические, техногенные и смешанные. Биологические имеют органическое происхождение, техногенные образуются в процессе промышленной и строительной деятельности и включают неорганические материалы, смешанные содержат элементы нескольких категорий и требуют комплексного подхода к сортировке и переработке.

По степени опасности. Определение степени опасности – важный этап в управлении их переработкой и утилизацией. Отходы делятся на несколько категорий, каждая из которых имеет свои особенности обращения:

• Класс 1 – крайне опасные, требующие особого контроля и специальных способов утилизации. Они способны вызвать необратимые последствия для экосистемы и здоровья человека. В эту группу входят токсичные вещества, ядерные отходы, ртутьсодержащие материалы и другие опасные компоненты.
• Класс 2 – высокоопасные, такие отбросы могут повредить окружающую среду. Примеры: кислотные растворы, отработанные аккумуляторы, нефть и другие опасные вещества. Для восстановления экосистемы после их воздействия может понадобиться более 30 лет.
• Класс 3 – умеренно опасные, такой мусор представляет собой умеренную угрозу. К нему относятся бензин, дизельное топливо, этиловый спирт и подобные вещества. Воздействие таких отходов восстанавливается в экосистеме в течение 10 лет.
• Классы 4 и 5 – малоопасные и практически безопасные, оказывают минимальное воздействие на природу и легко поддаются переработке или утилизации. Включают строительные материалы, органические отходы, бумагу и другие безопасные материалы.

В рамках данной статьи мы рассмотрим методы утилизации полимерных отходов. Такие отходы могут быть как промышленными, так и бытовыми, и их относят к 3-4 классу опасности. Например, затвердевшая пластмасса (тара или упаковка, бракованная продукция предприятий по производству полимерных изделий), отходы пластификаторов, шламы и эмульсии полимерных материалов, отходы незатвердевших пластмасс и их компонентов (если в их составе присутствуют формальдегиды, фталаты, стиролы или винилхлориды). Поэтому перерабатывать отходы полимеров необходимо правильно и безопасно.

Тип пластика можно определить по его маркировке, а также благодаря ей можно определить его свойства, возможность переработки. Существует система маркировки, известная как коды маркировки пластика. Обычно наносятся на пластиковую продукцию в виде треугольника с числом внутри. Каждое число соответствует определенному типу пластика, указывает на его основные свойства - возможность переработки, степень биоразлагаемости:

1. ПЭТ (полиэтилентерефталат). Из него делают бутылки для напитков. Может перерабатываться в новые бутылки или волокно для одежды.
2. ПЭ (плотный полиэтилен). Из него производят бутылки для молока, упаковки для мыла и шампуней и крышки. Может перерабатываться в трубы, ящики и др.
3. ПВХ (поливинилхлорид). Применяется при производстве труб, окон, обивки мебели и др. У него ограниченные возможности в части переработки. Некоторые его разновидности поддаются вторичной переработке.
4. ПЭНП (полиэтилен низкой плотности). Из него производят пакеты, пищевую плёнку, мусорные мешки, брезенты и линолеум. Можно использовать повторно.
5. ПП (полипропилен). Из него производят крышки для бутылок, вёдра, стаканчики для йогурта, некоторые виды пластиковой упаковки. Такой пластик перерабатывается.
6. ПС (полистирол). Бывает обычный и вспененный. Из вспененного делают пенопласт, контейнеры для яиц, подложки для мяса, а также фасовки. Из обычного – стаканчики для йогурта, упаковку для компакт-дисков, а также различные виды одноразовой посуды. Также подлежит переработке.
7. Прочие (включая ПЦ, ПА, ПТФЭ, др.). Возможность переработки зависит от конкретного типа.

Все методы переработки отходов полимеров можно разделить на несколько категорий: повторное использование, рециклинг, деструкция, захоронение, биологическая переработка, переработка в энергию. Естественно все методы имеют свои особенности, преимущества и недостатки (табл.). Повторное использование – это наилучший с экологической точки зрения вариант, так как он не требует энергозатрат на переработку и сохраняет первоначальную форму и свойства материала. Механическая переработка, или рециклинг – самый распространенный промышленный метод. Отходы сортируют, очищают, измельчают и переплавляют в новое сырье (гранулы, флекс) или изделия. Биологическая переработка – использование микроорганизмов или ферментов для разложения полимеров. Активно развивается, но пока не так широко применим, так как данный способ занимает большое количество времени и применим не ко всем видам пластика. Химическая переработка – деструкция – метод, при котором длинные молекулы полимеров расщепляются на более короткие с получением исходных мономеров, олигомеров или других химических продуктов. Это перспективное направление, позволяющее вернуться к «началу цикла». Основные виды: пиролиз, гидролиз, гликолиз, метанолиз, фотокатализ.

Таблица

Сравнительная таблица методов

Особое внимание хочется уделить относительно молодому методу утилизации отходов полимеров – фотокатализу (фотокаталитическое разложение). Фотокаталитическое разложение – это процесс, при котором под действием света (обычно ультрафиолетового или даже видимого) в присутствии специального вещества-катализатора длинные молекулы полимеров (пластика) расщепляются на более простые и безвредные соединения, такие как вода (H₂O) и углекислый газ (CO₂), или даже на полезные химические продукты (водород, углеводороды). Представьте, что молекула пластика – это длинная цепь. Фотокатализатор под действием света действует как «молекулярные ножницы», которые разрывают звенья этой цепи на мелкие кусочки.

Ключевыми компонентами такой системы являются:

1. Фотокатализатор:

• Диоксид титана (TiO₂): Наиболее популярный из-за стабильности, низкой стоимости и нетоксичности. Однако он работает в основном под УФ-светом.
• Модифицированный TiO₂: Ученые модифицируют TiO₂ (например, допируют его азотом, серой, металлами), чтобы он мог работать под видимым светом, что делает процесс дешевле и эффективнее.
• Другие фотокатализаторы: Оксид цинка (ZnO), нитрид углерода (g-C₃N₄), перовскиты.

2. Источник света: Солнечный свет (идеальный и бесплатный вариант) или искусственные УФ-лампы.

3. Полимерный субстрат – сам пластик. Процесс эффективен для многих полимеров, таких как полиэтилен (PE), полипропилен (PP), полистирол (PS), поливинилхлорид (PVC) и других.

Процесс фотокатализа происходит в несколько этапов. Первый этап – это поглощение света. Катализатор (чаще всего диоксид титана TiO₂) поглощает фотон света с достаточной энергией. Это «заряжает» катализатор. Затем происходит образование активных частиц: поглощенная энергия приводит к генерации электрон-дырочных пар. Дырка (h⁺) – это область с положительным зарядом, обладающая высокой окислительной способностью. Положительные дырки (h⁺) реагируют с водой или гидроксильными группами (OH⁻) на поверхности катализатора, образуя чрезвычайно активные гидроксильные радикалы (•OH). Эти гидроксильные радикалы атакуют длинные углеродные цепи полимера, отрывая от них атомы водорода или разрывая сами связи C-C. Это запускает цепную реакцию окисления. Завершением процесса является полное разложение. Процесс продолжается до тех пор, пока полимер не распадется на конечные продукты – CO₂ и H₂O. Если процесс остановить на промежуточной стадии, можно получить ценные химические вещества.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что фотокаталитическая переработка отходов полимеров – перспективный метод утилизации пластиковых отходов, который сочетает экологичность и экономическую выгоду. Процесс не требует использования токсичных химикатов и минимизирует образование вредных побочных продуктов. Возможность использования солнечной энергии снижает затраты на электроэнергию. Метод подходит для различных типов пластиков, включая полиэтилен высокой плотности (HDPE) и полиэтилен низкой плотности (LDPE). И не менее важное преимущество – получение полезных продуктов – например, водорода или углеводородов, которые могут быть использованы в качестве источников энергии.

Фотокаталитическое разложение полимеров – это мощная и экологичная технология будущего, которая может стать частью решения глобальной проблемы загрязнения пластиком. Хотя сегодня она в основном находится в стадии лабораторных исследований, быстрый прогресс в области материаловедения дает надежду, что в ближайшие десятилетия мы увидим первые коммерческие установки, особенно для переработки сложных или загрязненных пластиковых отходов.