Aspekty recyklingu tworzyw sztucznych
Szybki rozwój światowego przemysłu, wzrost liczby ludności oraz nieracjonalna gospodarka zasobami naturalnymi są głównymi przyczynami zanieczyszczenia i degradacji środowiska naturalnego, którego ochrona i utrzymanie stało się jednym z najważniejszych problemów XXI w. Zagrożeniem dla środowiska jest gwałtowny wzrost ilości odpadów polimerowych w postaci różnych opakowań.
W ostatnich latach zaobserwowano tendencję wzrostową produkcji tworzyw sztucznych (rocznie na poziomie 9,9%), a więc coraz poważniejszy staje się problem zagospodarowania odpadów polimerowych. Dla uświadomienia skali problemu należy podkreślić, że produkcja tworzyw sztucznych w Polsce w 2004 r. wyniosła ok. 1,5 mln ton, z czego 261 tys. ton przeznaczono na eksport, a 873 tys. ton tworzyw importowano. Rocznie w kraju powstaje 800 tys. ton odpadów z materiałów polimerowych. Zużycie tworzyw sztucznych w Polsce na osobę wynosi ponad 50 kg, a jest to i tak prawie dwukrotnie mniej, niż wynosi średnia dla krajów UE. Zdecydowaną większość odpadów z tworzyw stanowią odpady budowlane (25%), opakowaniowe (21%), elektrotechniczne (15%), farby (10%), części motoryzacyjne (7%) i inne.
Priorytetowe zadanie
Z tego względu powtórne przetwórstwo zwane (recyklingiem) w krajach o dużym stopniu rozwoju przemysłowego, stało się priorytetowym zadaniem badawczym zarówno z punktu widzenia ochrony środowiska, jak i ekonomiczności produkcji. W literaturze funkcjonuje kilka terminów określających produkt uzyskany w wyniku recyklingu materiałowego, np. regranulat, recyklat, tworzywo wtórne.
Odpady z tworzyw sztucznych, z racji zajmowania znacznych objętości w stosunku do swojej masy, stanowią podstawowy składnik gromadzonych na składowiskach odpadów. Badania Amerykańskiej Agencji ds. Ochrony Środowiska – EPA (United States Environmental Protection Agency) wykazały, że odpady z tworzyw sztucznych zajmują prawie 20% objętości składowisk.
Dlatego ponowne wykorzystanie tych materiałów jest istotne dla redukcji odpadów stałych na składowiskach, co przyczynia się do ochrony środowiska. Z tego powodu podejmowane są działania zmierzające do udoskonalania technologii produkowania i przetwarzania tworzyw sztucznych w tzw. technologiach bezodpadowych. Istotne jest wprowadzanie takich uregulowań prawnych w zakresie składowania i zagospodarowywania odpadów, które zwiększyłby świadomość ekologiczną społeczeństwa. Przekonywanie do aktywnego i świadomego uczestnictwa ludzi w działaniach proekologicznych oraz popularyzowanie wyrobów wykonanych z materiałów odpadowych powinno być celem dla instytucji państwowych, naukowych oraz organizacji zainteresowanych tym problemem.
Większość poruszonych zagadnień wiąże się z technologiami przetwórstwa i użytkowania polimerów termoplastycznych. Ze względów ekonomicznych i środowiskowych bardzo mocno rozwinęły się badania naukowe dotyczące zagospodarowania tego rodzaju odpadów. Odpady te powstają w procesie przetwórczym – wówczas najczęściej po rozdrobnieniu, z powrotem zawracane do są produkcji. Odpady z polimerów termoplastycznych pochodzące ze strumienia odpadów komunalnych i poużytkowych są zbierane, segregowane, oczyszczane, suszone, rozdrabniane, aglomerowane i powtórnie przetwarzane. Na ogół taki materiał, zależnie od wymagań, jest dodawany w ilościach od kilku do ok. 20% swej masy do polimeru pierwotnego. Często stosuje się odzyskiwane tworzywo jako jeden ze składników mieszanek polimerów z uwzględnieniem ich kompatybilności. Odpad polimerowy możemy zagospodarować poprzez recykling materiałowy, surowcowy i termiczny.
Od zderzaka do spalarni
Włoski przemysł samochodowy ze względu na degradację i starzenie się polimerów zaproponował tzw. kaskadową sekwencję wtórnego użytkowania odpadów. Przykładem takiego rozwiązania może być metoda recyklingu polipropylenowych zderzaków samochodowych, które po użyciu i wtórnym przetworzeniu wykorzystywane są do produkcji obudowy nagrzewnic lub osłon systemów klimatyzacyjnych czy przewodów wentylacyjnych. Ten sposób zastosowania odpadu nazwany został pierwszą generacją. Gdy skończy się żywotność tego wyrobu, wówczas można wyprodukować np. dywaniki samochodowe. Ten etap nazywany jest drugą generacją. Wreszcie, gdy dalsze wykorzystanie polimeru nie jest uzasadnione ze względu na degradację, jaka wystąpiła w poprzednich dwukrotnych przetwarzaniach, wyrób kieruje się do spalarni, co stanowi trzecią generację.
Każdy etap recyklingu powoduje degradację polimeru, mającą bezpośredni wpływ na pogorszenie jego właściwości mechanicznych. Z tego względu z recyklatów wykonuje się produkty, które nie są wykorzystywane do priorytetowych celów, tylko do mniej ważnych zadań, np. opakowania jednorazowe, miesza się z polimerami pierwotnymi oraz dodaje się, jako masę uzupełniającą do betonów i asfaltów.
W każdym cyklu wtórnego wykorzystania odpadów technologicznych lub pokonsumpcyjnych występują pewne zjawiska strukturalne, które ułatwiają lub utrudniają proces wielokrotnego przetwarzania. Zmiany te, wywołane działaniem temperatury, naprężeń mechanicznych, czynników atmosferycznych i innych, powodują, że charakterystyki materiałowe recyklatów są odmienne aniżeli polimerów pierwotnych. Dlatego każdego specjalistę przetwórstwa recyklatów interesuje, w jakim zakresie i jak daleko (z uwzględnieniem charakterystycznych cech danego polimeru) może on poddać materiał obróbce mechanicznej i cieplnej. Przetwórca winien także mieć świadomość, iż kolejne działanie przetwórcze może zmienić właściwości fizykochemiczne polimeru.
Niedoskonałe tworzywa wtórne
W celu optymalnego wykorzystania regranulatów do produkcji detali o poprawnych i powtarzalnych właściwościach, prowadzi się szeroko zakrojone badania, zmierzające do otrzymania surowców wtórnych o zdefiniowanych cechach użytkowo-przetwórczych. Działania te skupiają się na określeniu wpływu recyrkulacji tworzyw sztucznych na strukturę i wytrzymałość otrzymanych recyklatów polimerowych.
Obecnie w badaniach części maszyn wykonanych z tworzyw sztucznych rozpatruje się mechanizmy pękania i wytrzymałości tworzyw sztucznych z uwzględnieniem np. teorii dyslokacji, gdzie podkreśla się wpływ struktury oraz warunków otoczenia i starzenia, związanego często z obciążeniami zmiennymi itp. Kryteria niszczenia materiałów polimerowych można także opisać makroskopowo, biorąc pod uwagę defekty w postaci pęknięć lub rys, pęknięć zmęczeniowych i propagacji pęknięć podczas pełzania.
Wytwarzanie nowych produktów z odzyskiwanych materiałów napotyka na problemy wynikające z faktu, że bardzo często tworzywa wtórne mają nieodpowiednie, obniżone właściwości mechaniczne w stosunku do polimerów pierwotnych oraz gorszą estetykę. Natomiast zaletą wielu tworzyw z recyklingu są niższe ceny, a w marketingu wykorzystuje się fakt, że są to produkty ekologiczne. W pewnych przypadkach konsument jest gotów zapłacić większą kwotę w zamian za korzyści energetyczne i ekologiczne, np. zmniejszenie ilości odpadów, oszczędność materiału i energii, zmniejszenie emisji substancji toksycznych.
Oczywiście prawidłowy sposób postępowania przy poszukiwaniu nowych zastosowań nie powinien być oparty na podobnych rozważaniach, ale na zgodności pomiędzy właściwościami wymaganymi dla danego wyrobu i przeciętnymi cechami typowymi dla różnych surowców wtórnych.
Jak już wspomniano, obniżone właściwości mechaniczne są z pewnością największą przeszkodą dla szerszego wykorzystywania tworzyw wtórnych. W niektórych przypadkach barierą nie do pokonania jest zakaz wykorzystywania tych tworzyw do pewnych zastosowań, np. obowiązujący w niektórych państwach zakaz kontaktu tworzyw z recyklingu ze środkami spożywczymi.
Ekologia i ekonomia recyklingu
Należy również wspomnieć o pojawiających się problemach związanych z przetwórstwem recyklatów. Ogólnie przetwarzanie tych materiałów wymaga regulacji parametrów procesu zarówno z tego względu, że polimer jest częściowo zdegradowany, jak i zanieczyszczony.
Niekiedy powtórne wykorzystanie może pociągać za sobą niekorzystne skutki dla przedsiębiorstwa oraz użytkownika. Przykładowo ponowny recykling może być bardziej pracochłonny niż przetwarzanie surowców pierwotnych, co pociąga za sobą wzrost kosztów produkcji wyrobów finalnych (dopłaty), wymaga zainstalowania dodatkowych maszyn i urządzeń (filtry). Przetwórstwo wyrobów wtórnych ze względu na ich niższe wskaźniki technologiczne jest na ogół trudniejsze niż surowców pierwotnych. Niektóre cechy technologiczne powodują czasami obniżenie wskaźników użytkowych i jakościowych produkowanych wyrobów z tych surowców.
Z punktu widzenia ochrony środowiska naturalnego i ze względów ekonomicznych konieczne jest postrzeganie odpadów z tworzyw sztucznych jako potencjalnie wartościowych materiałów wtórnych. Jednak odzyskiwanie wartości surowcowych lub energetycznych, tkwiących w zużytych wyrobach, ciągle stanowi margines stosowanych rozwiązań technologicznych, ponieważ najczęściej trafiają one jako odpady na składowiska.
Światowe doświadczenia
Nad rozwiązaniem problemów dotyczących usuwania, utylizacji i likwidacji zużytych opakowań w krajach zachodnich od wielu lat pracują jednostki badawcze i sztaby specjalistów. Wiele organizacji w wysoko uprzemysłowionych krajach świata interesuje się problemem odpadów z tworzyw sztucznych. American Plastics Council (APC) rozwija technologie w celu zaspokojenia potrzeby przemysłu skomercjalizowania nowych metod recyklingu. Jednym z punktów tego programu jest uzyskiwanie z tworzyw sztucznych surowców wyjściowych do ich powtórnej syntezy, innym zaś odzyskiwanie wyrobów z tworzyw sztucznych do bezpośredniego zastosowania, np. elementów z sprzętu komputerowego, AGD i samochodów.
Na przykład w Niemczech, biorąc pod uwagę aspekty ekonomiczne i ekologiczne recyklingu tworzyw sztucznych, stwierdzono, że stosowany system jest efektywny, ale kosztowny. Niemieckie przepisy nie pozwalają na spalanie z odzyskiem energii, a mechaniczne zawracanie do obiegu surowców wtórnych może być stosowane tylko dla części tworzyw sztucznych.
Konieczność racjonalnego wykorzystania surowców naturalnych wymaga wprowadzenia szerszych działań prorecyklingowych. W USA opracowano program Plastic Cup Recycling, który został skierowany głównie do instytucji, np. szpitali, używających dużych ilości jednorazowych wyrobów z polistyrenu (kubki, talerze itp.).
Zagospodarowanie odpadów poużytkowych dla całego świata jest więc ważnym problemem, a ekologia – obok ekonomii – istotnie wpływa na decyzje związane z rozwojem gospodarczym nowoczesnych społeczeństw. Dzięki przepisom prawnym w wielu państwach nakazano przetwórcom stosowanie mechanicznego recyklingu wyrobów zużytych, co znacznie zwiększyło ilości materiałów wtórnych na rynku. To z kolei oznacza, że wyzwania, jakie stawia recykling tworzyw, nie polegają tylko na samym odzysku materiałów, ale także na poszukiwaniu nowych aplikacji dla pełnowartościowych surowców, jakimi są recyklaty polimerowe.
dr inż. Dorota Czarnecka-Komorowska
Zakład Tworzyw Sztucznych
Politechnika Poznańska
W ostatnich latach zaobserwowano tendencję wzrostową produkcji tworzyw sztucznych (rocznie na poziomie 9,9%), a więc coraz poważniejszy staje się problem zagospodarowania odpadów polimerowych. Dla uświadomienia skali problemu należy podkreślić, że produkcja tworzyw sztucznych w Polsce w 2004 r. wyniosła ok. 1,5 mln ton, z czego 261 tys. ton przeznaczono na eksport, a 873 tys. ton tworzyw importowano. Rocznie w kraju powstaje 800 tys. ton odpadów z materiałów polimerowych. Zużycie tworzyw sztucznych w Polsce na osobę wynosi ponad 50 kg, a jest to i tak prawie dwukrotnie mniej, niż wynosi średnia dla krajów UE. Zdecydowaną większość odpadów z tworzyw stanowią odpady budowlane (25%), opakowaniowe (21%), elektrotechniczne (15%), farby (10%), części motoryzacyjne (7%) i inne.
Priorytetowe zadanie
Z tego względu powtórne przetwórstwo zwane (recyklingiem) w krajach o dużym stopniu rozwoju przemysłowego, stało się priorytetowym zadaniem badawczym zarówno z punktu widzenia ochrony środowiska, jak i ekonomiczności produkcji. W literaturze funkcjonuje kilka terminów określających produkt uzyskany w wyniku recyklingu materiałowego, np. regranulat, recyklat, tworzywo wtórne.
Odpady z tworzyw sztucznych, z racji zajmowania znacznych objętości w stosunku do swojej masy, stanowią podstawowy składnik gromadzonych na składowiskach odpadów. Badania Amerykańskiej Agencji ds. Ochrony Środowiska – EPA (United States Environmental Protection Agency) wykazały, że odpady z tworzyw sztucznych zajmują prawie 20% objętości składowisk.
Dlatego ponowne wykorzystanie tych materiałów jest istotne dla redukcji odpadów stałych na składowiskach, co przyczynia się do ochrony środowiska. Z tego powodu podejmowane są działania zmierzające do udoskonalania technologii produkowania i przetwarzania tworzyw sztucznych w tzw. technologiach bezodpadowych. Istotne jest wprowadzanie takich uregulowań prawnych w zakresie składowania i zagospodarowywania odpadów, które zwiększyłby świadomość ekologiczną społeczeństwa. Przekonywanie do aktywnego i świadomego uczestnictwa ludzi w działaniach proekologicznych oraz popularyzowanie wyrobów wykonanych z materiałów odpadowych powinno być celem dla instytucji państwowych, naukowych oraz organizacji zainteresowanych tym problemem.
Większość poruszonych zagadnień wiąże się z technologiami przetwórstwa i użytkowania polimerów termoplastycznych. Ze względów ekonomicznych i środowiskowych bardzo mocno rozwinęły się badania naukowe dotyczące zagospodarowania tego rodzaju odpadów. Odpady te powstają w procesie przetwórczym – wówczas najczęściej po rozdrobnieniu, z powrotem zawracane do są produkcji. Odpady z polimerów termoplastycznych pochodzące ze strumienia odpadów komunalnych i poużytkowych są zbierane, segregowane, oczyszczane, suszone, rozdrabniane, aglomerowane i powtórnie przetwarzane. Na ogół taki materiał, zależnie od wymagań, jest dodawany w ilościach od kilku do ok. 20% swej masy do polimeru pierwotnego. Często stosuje się odzyskiwane tworzywo jako jeden ze składników mieszanek polimerów z uwzględnieniem ich kompatybilności. Odpad polimerowy możemy zagospodarować poprzez recykling materiałowy, surowcowy i termiczny.
Od zderzaka do spalarni
Włoski przemysł samochodowy ze względu na degradację i starzenie się polimerów zaproponował tzw. kaskadową sekwencję wtórnego użytkowania odpadów. Przykładem takiego rozwiązania może być metoda recyklingu polipropylenowych zderzaków samochodowych, które po użyciu i wtórnym przetworzeniu wykorzystywane są do produkcji obudowy nagrzewnic lub osłon systemów klimatyzacyjnych czy przewodów wentylacyjnych. Ten sposób zastosowania odpadu nazwany został pierwszą generacją. Gdy skończy się żywotność tego wyrobu, wówczas można wyprodukować np. dywaniki samochodowe. Ten etap nazywany jest drugą generacją. Wreszcie, gdy dalsze wykorzystanie polimeru nie jest uzasadnione ze względu na degradację, jaka wystąpiła w poprzednich dwukrotnych przetwarzaniach, wyrób kieruje się do spalarni, co stanowi trzecią generację.
Każdy etap recyklingu powoduje degradację polimeru, mającą bezpośredni wpływ na pogorszenie jego właściwości mechanicznych. Z tego względu z recyklatów wykonuje się produkty, które nie są wykorzystywane do priorytetowych celów, tylko do mniej ważnych zadań, np. opakowania jednorazowe, miesza się z polimerami pierwotnymi oraz dodaje się, jako masę uzupełniającą do betonów i asfaltów.
W każdym cyklu wtórnego wykorzystania odpadów technologicznych lub pokonsumpcyjnych występują pewne zjawiska strukturalne, które ułatwiają lub utrudniają proces wielokrotnego przetwarzania. Zmiany te, wywołane działaniem temperatury, naprężeń mechanicznych, czynników atmosferycznych i innych, powodują, że charakterystyki materiałowe recyklatów są odmienne aniżeli polimerów pierwotnych. Dlatego każdego specjalistę przetwórstwa recyklatów interesuje, w jakim zakresie i jak daleko (z uwzględnieniem charakterystycznych cech danego polimeru) może on poddać materiał obróbce mechanicznej i cieplnej. Przetwórca winien także mieć świadomość, iż kolejne działanie przetwórcze może zmienić właściwości fizykochemiczne polimeru.
Recyklaty polipropylenu i polistyrenu
Niedoskonałe tworzywa wtórne
W celu optymalnego wykorzystania regranulatów do produkcji detali o poprawnych i powtarzalnych właściwościach, prowadzi się szeroko zakrojone badania, zmierzające do otrzymania surowców wtórnych o zdefiniowanych cechach użytkowo-przetwórczych. Działania te skupiają się na określeniu wpływu recyrkulacji tworzyw sztucznych na strukturę i wytrzymałość otrzymanych recyklatów polimerowych.
Obecnie w badaniach części maszyn wykonanych z tworzyw sztucznych rozpatruje się mechanizmy pękania i wytrzymałości tworzyw sztucznych z uwzględnieniem np. teorii dyslokacji, gdzie podkreśla się wpływ struktury oraz warunków otoczenia i starzenia, związanego często z obciążeniami zmiennymi itp. Kryteria niszczenia materiałów polimerowych można także opisać makroskopowo, biorąc pod uwagę defekty w postaci pęknięć lub rys, pęknięć zmęczeniowych i propagacji pęknięć podczas pełzania.
Wytwarzanie nowych produktów z odzyskiwanych materiałów napotyka na problemy wynikające z faktu, że bardzo często tworzywa wtórne mają nieodpowiednie, obniżone właściwości mechaniczne w stosunku do polimerów pierwotnych oraz gorszą estetykę. Natomiast zaletą wielu tworzyw z recyklingu są niższe ceny, a w marketingu wykorzystuje się fakt, że są to produkty ekologiczne. W pewnych przypadkach konsument jest gotów zapłacić większą kwotę w zamian za korzyści energetyczne i ekologiczne, np. zmniejszenie ilości odpadów, oszczędność materiału i energii, zmniejszenie emisji substancji toksycznych.
Oczywiście prawidłowy sposób postępowania przy poszukiwaniu nowych zastosowań nie powinien być oparty na podobnych rozważaniach, ale na zgodności pomiędzy właściwościami wymaganymi dla danego wyrobu i przeciętnymi cechami typowymi dla różnych surowców wtórnych.
Jak już wspomniano, obniżone właściwości mechaniczne są z pewnością największą przeszkodą dla szerszego wykorzystywania tworzyw wtórnych. W niektórych przypadkach barierą nie do pokonania jest zakaz wykorzystywania tych tworzyw do pewnych zastosowań, np. obowiązujący w niektórych państwach zakaz kontaktu tworzyw z recyklingu ze środkami spożywczymi.
Recyklat polipropylenu
Ekologia i ekonomia recyklingu
Należy również wspomnieć o pojawiających się problemach związanych z przetwórstwem recyklatów. Ogólnie przetwarzanie tych materiałów wymaga regulacji parametrów procesu zarówno z tego względu, że polimer jest częściowo zdegradowany, jak i zanieczyszczony.
Niekiedy powtórne wykorzystanie może pociągać za sobą niekorzystne skutki dla przedsiębiorstwa oraz użytkownika. Przykładowo ponowny recykling może być bardziej pracochłonny niż przetwarzanie surowców pierwotnych, co pociąga za sobą wzrost kosztów produkcji wyrobów finalnych (dopłaty), wymaga zainstalowania dodatkowych maszyn i urządzeń (filtry). Przetwórstwo wyrobów wtórnych ze względu na ich niższe wskaźniki technologiczne jest na ogół trudniejsze niż surowców pierwotnych. Niektóre cechy technologiczne powodują czasami obniżenie wskaźników użytkowych i jakościowych produkowanych wyrobów z tych surowców.
Z punktu widzenia ochrony środowiska naturalnego i ze względów ekonomicznych konieczne jest postrzeganie odpadów z tworzyw sztucznych jako potencjalnie wartościowych materiałów wtórnych. Jednak odzyskiwanie wartości surowcowych lub energetycznych, tkwiących w zużytych wyrobach, ciągle stanowi margines stosowanych rozwiązań technologicznych, ponieważ najczęściej trafiają one jako odpady na składowiska.
Recyklat polistyrenu
Światowe doświadczenia
Nad rozwiązaniem problemów dotyczących usuwania, utylizacji i likwidacji zużytych opakowań w krajach zachodnich od wielu lat pracują jednostki badawcze i sztaby specjalistów. Wiele organizacji w wysoko uprzemysłowionych krajach świata interesuje się problemem odpadów z tworzyw sztucznych. American Plastics Council (APC) rozwija technologie w celu zaspokojenia potrzeby przemysłu skomercjalizowania nowych metod recyklingu. Jednym z punktów tego programu jest uzyskiwanie z tworzyw sztucznych surowców wyjściowych do ich powtórnej syntezy, innym zaś odzyskiwanie wyrobów z tworzyw sztucznych do bezpośredniego zastosowania, np. elementów z sprzętu komputerowego, AGD i samochodów.
Na przykład w Niemczech, biorąc pod uwagę aspekty ekonomiczne i ekologiczne recyklingu tworzyw sztucznych, stwierdzono, że stosowany system jest efektywny, ale kosztowny. Niemieckie przepisy nie pozwalają na spalanie z odzyskiem energii, a mechaniczne zawracanie do obiegu surowców wtórnych może być stosowane tylko dla części tworzyw sztucznych.
Konieczność racjonalnego wykorzystania surowców naturalnych wymaga wprowadzenia szerszych działań prorecyklingowych. W USA opracowano program Plastic Cup Recycling, który został skierowany głównie do instytucji, np. szpitali, używających dużych ilości jednorazowych wyrobów z polistyrenu (kubki, talerze itp.).
Zagospodarowanie odpadów poużytkowych dla całego świata jest więc ważnym problemem, a ekologia – obok ekonomii – istotnie wpływa na decyzje związane z rozwojem gospodarczym nowoczesnych społeczeństw. Dzięki przepisom prawnym w wielu państwach nakazano przetwórcom stosowanie mechanicznego recyklingu wyrobów zużytych, co znacznie zwiększyło ilości materiałów wtórnych na rynku. To z kolei oznacza, że wyzwania, jakie stawia recykling tworzyw, nie polegają tylko na samym odzysku materiałów, ale także na poszukiwaniu nowych aplikacji dla pełnowartościowych surowców, jakimi są recyklaty polimerowe.
dr inż. Dorota Czarnecka-Komorowska
Zakład Tworzyw Sztucznych
Politechnika Poznańska
