Термическая утилизация полимерных отходов, содержащих поливинилхлорид

На основе поливинилхлорида (ПВХ) получают более 3000 видов композиционных материалов и изделий, используемых в электротехнической, лёгкой, пищевой, автомобильной промышленности, машиностроении, судостроении, при производстве стройматериалов, медицинского оборудования и т.д., что обусловлено его уникальными физико-механическими, диэлектрическими и другими эксплуатационными свойствами.

Однако в настоящее время применение ПВХ постепенно ограничивается, что связано, прежде всего, с экологическими проблемами, возникающими при эксплуатации изделий, их утилизации и вторичной переработке. При старении полимеров на основе ПВХ наряду с потерей физико-механических свойств наблюдается негативное воздействие на окружающую среду и человека, обусловленное процессами дегидрохлорирования ПВХ, усиливающимися при температуре 50 — 80 °С (образуются высокотоксичные хлорсодержащие полиароматические соединения).

Это определяет актуальность проблемы разработки безопасных технологий утилизации и переработки отработанных изделий, содержащих ПВХ.

К основным способам утилизации отходов полимерных материалов относятся:

• термическое разложение в инертной атмосфере (пиролиз);

• сжигание;

• разложение с получением исходных низкомолекулярных соединений (деполимеризация);

• вторичная переработка (литье под давлением, экструзия, прессование и др.).

Наиболее сложно решаются вопросы утилизации смеси полимерных отходов, содержащих наряду с ПВХ полиолефины (полиэтилен, полипропилен), полистирол, полиуретаны, полиамиды и др.

Анализ существующих технологий обезвреживания смеси полимерных отходов позволяет сделать вывод о целесообразности использования термической переработки, основанной на процессах деструкции в инертной атмосфере.

При пиролизе полимеров образуются газы, часть которых способна конденсироваться с образованием высококалорийного жидкого топлива, некондесируемые газы, содержащие метан и водород, обладающие высокой теплотворной способностью, и карбонизат, который может найти применение в технологических процессах. Высокий энергетический потенциал пиролизных газов позволяет проводить процесс утилизации в автотермическом режиме.

Термическая деструкция полиолефинов, полистиролов, полиамидов достаточно хорошо исследована, установлен температурный интервал их переработки - 400 - 500 °С.

При исследовании процессов деструкции ПВХ были использованы методы термодинамического моделирования, позволяющие определить равновесный состав системы в зависимости от температуры и установить режимы проведения термической утилизации отходов, обеспечивающие безопасность образующихся продуктов.

Термодинамические расчеты пиролиза ПВХ проводили с применением программного продукта "ИВТАНТЕРМО", разработанного в центре данных о термодинамических свойствах индивидуальных веществ "ТЕРМОЦЕНТР им. академика В.П. Глушко".

При термодинамическом моделировании деструкции ПВХ было принято следующее допущение: результаты расчетов, проведенные для 10 — 20 структурных звеньев ПВХ, справедливы для всего полимера в целом.

Известно, что при энергетических воздействиях на ПВХ возможны дегидрохлорирование, окисление, деструкция макроцепей с образованием алканов, структурирование, ароматизация и графитизация, образование хлоралканов, термодинамическая вероятность и глубина протекания которых зависят, прежде всего, от температуры.

Ниже приведены результаты расчетов равновесного состава системы, образующейся при пиролизе ПВХ, содержащего 20 структурных звеньев (-СН2-СНС1-)20 (С (графит) — в конденсированной фазе, остальные — в газовой): Расчет продуктов пиролиза проведен при 1000 К, состав смеси указан при охлаждении продуктов пиролиза до 298 К, масса исходного продукта 1250 г, его состав, моль: [С] = 40; [Н] = 60; [С1] = 20.

Расчеты показали, что все атомы хлора, содержащиеся в ПВХ, расходуются на образование хлороводорода. Основные продукты пиролиза — пироуглерод (графит), хлороводород НС1 и метан СН4, содержание которых зависит от температуры (рис. 1).

Карбонизация ПВХ начинается при температуре выше 400 К, максимальное содержание пироуглерода достигается при 800 — 900 К.

Основной реакцией при деструкции ПВХ является дегидрохлорирование, которое активно протекает при 400 — 650 К. Содержание НС1 в равновесной системе уменьшается при температуре выше 1000 К, что можно объяснить термической диссоциацией образующегося хлороводорода (см. рис. 1, б).

Анализ зависимости изменения концентрации метана в пиролизных газах от температуры процесса показал, что его содержание снижается при температуре выше 800 К в результате крекинга (температура начала разложения 780 К) (см. рис. 1, в)

Другие статьи по экологии

Элективный курс Агрономия в школьном курсе экологии
В современных условиях значительно меняется содержание среднего химического образования, утверждены многочисленные альтернативные учебные программы и учебники по химии для средней школы, поя ...

Динамика изменения значений индекса загрязненности морской воды акватории Северного Каспия с 2001 по 2004 год
Каспийское море - самый крупный в мире внутриконтинентальный водоем, не связанный с мировым океаном, площадью более 398000 км3. Расположено оно на крайнем юго-востоке Европейской территории ...

Проблемы экологического бизнеса в биоэнергетике
Новой формой социальной экологической практики во всем мире становится экологический или "зеленый" бизнес. Ключевые понятия экобизнеса: очистка, сокращение, вторичное использование ...