Рациональная утилизация полимерных отходов

Хорошо известно, что экологической угрозой для всего мира стали места складирования полимерных отходов (ПО), продуктами разложения которых являются вещества, оказывающие вредное воздействие на окружающую среду (ОС). В РФ только 13 % полимерных отходов подвергаются вторичной переработке, все остальные захораниваются на свалках. В целом в России под мусорные свалки отчуждено 0,8 миллиона гектаров земель, среди которых не только пустыри, овраги и карьеры, но и плодородные чернозёмы. Следует отметить, что неэффективное, экологически неоправданное использование территории представляет собой угрозу экологической безопасности. Из СМИ известны многочисленные случаи введения ЧС вблизи горящих свалок в связи с повышенными выбросами в атмосферу продуктов горения. Загрязнение окружающей среды полимерными отходами в настоящее время, по-видимому, можно рассматривать как экологическое бедствие («ситуация на участках территории (или акватории) РФ, где в результате хозяйственной или иной деятельности произошли глубокие необратимые изменения ОС, повлекшие существенное ухудшение здоровья населения, разрушение природных экосистем, деградацию флоры и фауны»), например, по данным Комитета ООН по охране природы, ежегодно ПО являются причиной смерти 1 миллиона птиц, 100 тысяч морских млекопитающих и неисчислимого количества рыб.

Ежегодно в РФ образуется примерно 4,8 млн т ПО. Мировое производство пластмасс ежегодно возрастает на 5 - 6%, приводя к увеличению количества ПО .

На сегодняшний день в мировой практике реализовано более десятка технологий переработки ПО. Каждая технология имеет определённые преимущества и недостатки, и, соответственно, свои оптимальные области применения. Однако универсального решения проблемы уничтожения ПО пока не найдено, т. к. уничтожение оказалось не менее сложным и дорогостоящим, чем их производство.

Одним из факторов, определяющим целесообразность переработки ПО, является их высокий энергетический ресурс. ПО содержат большие количества водорода, к которому в последнее десятилетие в мире наблюдается большой интерес: «водородная энергетика, зародившаяся на фоне мирового нефтяного кризиса 1970-х гг., к настоящему времени переросла в динамично развивающееся научно-техническое направление, поддержка которого возведена в ранг приоритетов политики международных сообществ, национальных правительств, коммерческих компаний и общественных организаций...» [7]. Следует отметить, что водород обладает максимальной удельной энергоёмкостью на единицу массы, производство энергии с использованием водорода является экологически безопасным процессом, добавка водорода к обычному топливу двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин приводит к увеличению КПД и уменьшению вредных выбросов.

Оценка показала, что из захораниваемых ПО ежегодно можно получать до 1 млн т водорода. Очевидно, что для России такое малое количество водорода пока не актуально, однако, например, для Япония и Израиля, где мусора много, это важно. По данным специалистов, в таких странах семья производит в год достаточно мусора, чтобы на водороде, полученном из семейных отходов, мог бы целый год работать автомобиль.

Таким образом, принципиальное решение в области предотвращения экологической катастрофы, сложившейся вследствие химического загрязнения ОС ПО, целесообразно обеспечить за счёт разработки экологически безопасного и энергетически эффективного способа производства водорода и другой ликвидной продукции из ПО.

В работе предложен универсальный экологически безопасный плазменно-химический способ переработки ПО в ликвидную продукцию. Основная идея этого способа заключается в использовании двух последовательных по времени процессов: диссоциации молекул ПО за счёт физического воздействия и ассоциации продуктов диссоциации друг с другом и реагентом, выборе в качестве реагента - паров металла, в качестве физического воздействия - высоковольтного импульсно-периодического разряда, хорошо изученного и широко применяющегося в лазерах на самоограниченных переходах атомов металлов. Анализ, выполненный в предположении, что пары кальция используются как реагент, показал, что продуктами переработки различных ПО являются водород, окись углерода, хлорид кальция, карбид кальция и т. д. В табл. 1 приведены результаты оценки массы продуктов переработки М, затрат кальция МСа на переработку одного килограмма полиэтилена (ПЭ), поливинилхлорида (ПВХ) и полиэтилентерефталата (ПЭТ).

Расчёты показали, что энергетическая эффективность этого способа производства водорода (эффективность преобразования энергии, затраченной на переработку ПО, в энергию сгорания водорода, полученного в результате этой переработки) из ПО не превышает 10 %. В статье предложен способ, обеспечивающий повышение энергетической эффективности производства водорода из ПО, в основе которого лежит пиролиз молекул перерабатываемых веществ за счёт энергии, выделяющейся в процессе трёхчастичной ассоциации продуктов диссоциации ПО друг с другом и парами металла (рис. 1).

На вход узла пиролиза 11 подаётся подогретая смесь инертного газа, постоянно циркулирующего по реакционной камере 1, и паров ПО, переведённых в газообразное состояние с помощью нагревателя-холодильника 8. Инициация пиролиза осуществляется впрыском паров реагента (кальция). По мере продвижения газовой смеси вдоль узла пиролиза её температура возрастает, способствуя пиролизу всё большей части молекул ПО. В итоге на выходе узла пиролиза 11 образуется газовая смесь, преимущественную часть которой составляют продукты переработки ПО.

При анализе эффективности преобразования энергии, затраченной на переработку ПО, в энергию сгорания водорода, полученного в результате этой переработки (эффективности производства водорода), предполагалось, что температура на входе узла пиролиза Твх = 300 К, связи С=С, С=О в молекулах ПО в процессе пиролиза сохраняются, отношение концентраций атомов инертного газа и молекул ПО пПО равно 5.

В результате анализа определена температура Тmах на выходе узла пиролиза 11, соответствующая максимально возможной переработке молекул ПО и оценена их доля у, не подвергнувшаяся переработке за счёт пиролиза (табл. 2).

Оценка минимальной эффективности производства водорода б1 произведена в предположении, что электрическая энергия тратится на нагрев газа до Твх и на диссоциацию не подвергнувшейся в результате пиролиза переработке доли молекул ПО. Максимальная эффективность производства водорода б2 оценена в предположении, что электрическая энергия тратится на нагрев газа до Твх, а не подвергнувшиеся в результате пиролиза переработке молекулы исходных веществ перерабатываются за следующий цикл протока инертного газа по узлу пиролиза. Реальные значения эффективности производства водорода будут лежать в диапазоне от б1 до б2 (табл. 2).

Таким образом, найдены условия, при которых энергоэффективность производства водорода из ПО превышает единицу. Ещё большее повышение эффективности производства водорода можно достичь путём подбора реагентов, обеспечивающих более высокое выделение энергии при образовании соответствующих продуктов переработки (например, бор и молибден).

Заключение

Предложенный способ позволяет рационально утилизировать ПО за счёт экологически безопасного и энергоэффективного производства водорода и другой ликвидной продукции, обеспечивая минимизацию воздействия ПО на окружающую среду и, как следствие, нормальную жизнедеятельность и безопасность населения.

Предложенный способ в долгосрочной перспективе может стать одним из способов выработки водородного топлива для нового поколения энергетических установок из любых органических соединений, в том числе и из природных ископаемых.