С каждым годом человечество все больше использует полимеры и материалы на их основе. Стремительный рост объемов производства приведет к тому, что к 2050 году на полигонах накопится около 12 миллиардов тон полимерных отходов. Время полного разложения пластика в природе значительное — от десятков до сотен лет, а срок эксплуатации большинства изделий очень короткий. Традиционные виды механической переработки возможны только для цельных полимеров, однако многие изделия включают в себя несколько слоев пластика, содержат красители и иные компоненты, затрудняющие получение чистого вторичного полимера. В связи с этим актуален поиск новых методов утилизации таких отходов. Ученые Пермского Политеха предлагают перерабатывать многокомпонентные и загрязненные полимеры с помощью процессов медленного пиролиза. Метод заключается в длительном разложении материала под действием температуры. Такой способ позволит получить продукты, применимые в качестве топлива или модификаторов битума, что снизит нагрузку на окружающую среду и в будущем позволит уменьшить объем добычи ископаемых ресурсов.
Статья опубликована в журнале «Транспорт. Транспортные сооружения. Экология», №3, 2023 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Основные способы переработки пластиковых отходов имеют много недостатков. Механическая переработка невозможна, если изделия состоят из нескольких типов полимеров, загрязнены пищевыми продуктами или содержат в своем составе различные примеси. В таком случае они отправляются на полигоны или сжигаются. Некоторые пластики при отсутствии других возможностей утилизации можно сжигать, но необходимо учитывать, что при этом из полимеров, содержащих в своем составе серу, азот, галогены, выделяются вещества, потенциально опасные для окружающей среды и человека. Вторичное использование многослойных материалов, например, отработанных покрышек (внешняя сторона автомобильных шин), в большинстве случаев трудоемко и дорого, так как при переработке требуется специальное оборудование.
Альтернативный способ утилизации — медленный пиролиз. Способ безопасен для окружающей среды, потому что горение происходит в изолированной камере с откачанным кислородом. Технология позволяет перерабатывать многокомпонентные и загрязненные полимерные отходы в новые продукты в виде топлива и модификаторов битума, которые используются для дорожного покрытия.
Ученые ПНИПУ провели экспериментальные исследования. В качестве сырья использовали полиэтилен низкой плотности, полипропилен, резиновую крошку, а также добавляли «загрязнители» в виде сосновых опилок и подсолнечного масла.
Медленный пиролиз политехники проводили с помощью стального трубчатого реактора, в который помещали исследуемый образец массой 20 грамм. Для начала процесса реактор располагали в печи, затем нагревали до требуемой температуры при определенном давлении. После завершения его доставали и охлаждали, а образец извлекали для дальнейшего анализа.
— В результате пиролиза чистых полиэтилена и полипропилена с примесями опила и масла при температурах 510-590 °С и времени термообработки 30-60 минут во всех случаях мы получили жидкости, по внешнему виду и запаху напоминающие продукты из природной нефти. Полученные нами образцы пиролизного топлива содержат в своем составе достаточно легкие фракции, начинают испаряться уже при комнатной температуре, — рассказывает кандидат технических наук, научный сотрудник кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ Марина Красновских.
Исследование теплоты сгорания полимерных образцов показало значения в 50-56 МДж/кг, что близко к традиционным видам жидкого топлива. Это подтверждает идею, что совместный пиролиз полимеров с загрязняющими веществами, например, с маслами или растительными целлюлозосодержащими отходами, приводит к продуктам в виде топлива с увеличенной теплотворной способностью в технологически удобном жидком состоянии.
Аналогично политехники провели эксперимент с резиновой крошкой из отработанных покрышек с добавлением растительных масел. В результате получили битумоподобный продукт, потенциально применимый в качестве модификатора битума, который используют для дорожных покрытий.
Ученые ПНИПУ доказали, что медленный пиролиз позволяет перерабатывать загрязненные полимерные пластиковые отходы в топливо или модификаторы битума. Предложенный метод может способствовать снижению добычи полезных ископаемых, а также уменьшить выбросы углекислого газа и негативное влияние полимеров на окружающую среду.
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60% — региональные университеты.