Problemy odzysku tworzyw sztucznych
Możliwość odzysku surowców lub energii z odpadów w znacznej mierze zależy od ich składu jakościowego. Badania składu odpadów komunalnych z ostatnich 10 lat wykazują wzrastające ilości tworzyw sztucznych. Szczególną funkcję pełnią one na rynku opakowaniowym, gdzie nie tylko chronią i konserwują równie dobrze jak te z surowców naturalnych, ale także mają mniejszą wagę i są bardziej atrakcyjne pod względem estetycznym.
Krótkowzroczne rozwiązywanie problemu odpadów tworzyw sztucznych poprzez deponowanie ich na składowiskach nie jest rozwiązaniem na przyszłość, zgodnym z zasadami zrównoważonego rozwoju. Na składowiska powinno się kierować tylko odpady w stanie przetworzonym i nie nadające się już do jakiegokolwiek zagospodarowania. Taki kierunek gospodarki odpadami uzasadniony jest również kurczącymi się zasobami terenów pod budowę nowych składowisk oraz wzrostem cen gruntu. Początek drogi do celu, jakim jest odzysk tworzywa sztucznego, to analiza stopnia jego zanieczyszczenia i możliwości jego wyodrębnienia z całego strumienia odpadów. Trzeba bowiem mieć świadomość, że wykorzystanie odpadów tworzyw sztucznych w produkcji w celu wytworzenia z nich wysokiej jakości wyrobu jest możliwe tylko pod warunkiem, że tworzywa nie są zestarzałe (czyli pozbawione swoich właściwości mechaniczno-chemicznych), są oczyszczone z zanieczyszczeń i domieszek, osuszone i posortowane według typów.
Przy odzysku odpadów takich jak tworzywa sztuczna należy każdorazowo uwzględniać rachunek ekonomiczny, w tym koszty zbierania, transportu, obróbki wstępnej oraz recyklingu. Szacunkowe koszty selektywnej zbiórki tworzyw sztucznych to ok. 3 zł/kg, a koszty obróbki wstępnej zależą od stopnia ich zanieczyszczenia i wynoszą ok. 7,5 zł/kg.
Porównanie wad i zalet metod sortowania tworzyw sztucznych
Metody odzysku tworzyw sztucznych można podzielić na materiałowe (tworzywa przetwarza się w spełniający wymogi jakościowe produkt), surowcowe (przetwarzające odpady do postaci polimerów, olejów ciężkich lub gazów technicznych, które mają zastosowanie w energetyce lub przemyśle chemicznym) oraz energetyczne (spalanie tworzyw z odzyskiem energetycznym w spalarniach odpadów, cementowniach lub hutach). Biorąc pod uwagę warunki, jakie należy spełnić, aby odzysk materiałowy lub surowcowy był możliwy oraz ekonomicznie uzasadniony, wydaje się celowe zawężenie go do odpadów tworzyw pochodzących ze zbiórki selektywnej lub z punktów demontażu odpadów wielkogabarytowych. Alternatywną metodą odzysku jest odzysk surowcowo-energetyczny pod warunkiem odpowiedniego przygotowania mieszanki paliwowej oraz wkomponowania instalacji zgazowującej w istniejący lokalnie system zaopatrzenia w energie lub ciepło. Natomiast najbardziej odpowiednią metodą odzysku wydaje się być odzysk energetyczny, niewymagający tak intensywnej obróbki wstępnej mającej na celu usuniecie zanieczyszczeń.
Jedną z form odzysku surowcowego ze zmieszanych i zanieczyszczonych domieszkami tworzyw sztucznych jest uwodornienie. W początkowej fazie tego procesu prowadzona jest depolimeryzacja (w niej zaś odzysk chloru w postaci uwodnionego kwasu solnego), a następnie właściwy proces uwodornienia, w którym pod ciśnieniem 150-400 barów i w temperaturze 380-500°C syntetyzowane są gazy, tj. metan, etan i propan oraz oleje ciężkie i odzyskiwane jest aluminium.
Inną formą odzysku surowcowego jest zgazowanie (rys. 1), przebiegające dwustopniowo. Do zgazowania używa się dwutlenku węgla oraz pary wodnej. W pierwszym etapie w warunkach niedoboru powietrza oraz stosunkowo niskiej temperaturze (600-800°C) materiał wsadowy w postaci zbrykietowanego węgla brunatnego oraz tworzyw sztucznych zostaje przetworzony w gaz palny i mineralną pozostałość. W drugim etapie gaz palny przepływa rurociągiem do komory dopalania, gdzie w temperaturze 1000-1400°C jest dokładnie spalany. Górna warstwa tej strefy składa się ze świeżego materiału poddawanego odgazowaniu, w warstwie środkowej znajduje się materiał skarbonizowany, poddawany zgazowaniu, a w dolnej popiół zawierający pozostałości nieorganiczne. Odgazy z komory spalania zostają schłodzone szokowo w reaktorze, aby nie dopuścić do powstania dioksyn i furanów. Produktem syntezy w procesie zgazowania jest metanol. W procesie tym można prowadzić odzysk energetyczny. Wszystkie metale ciężkie i część siarki wprowadzona wraz z materiałem pozostają w popiele. W wyniku prowadzenia procesu zgazowania powstaje od 2 do 4% popiołu, który może być surowcem do produkcji farb antykorozyjnych.
Obróbka wstępna odpadów
Każda z form odzysku wymaga odpowiedniej obróbki wstępnej, której pierwszym etapem musi być rozdrabnianie (do którego stosuje się rozdrabniarki walcowe i nożowe, młyny lub rozdrabnianie kriogeniczne). Po rozdrobnieniu ziarna powinny być podzielone według rozmiarów na frakcje.
Drugim etapem obróbki jest mycie, które jednocześnie powinno umożliwić wydzielenie zanieczyszczeń typu papier, drewno, tekstylia, olej, farby oraz zanieczyszczenia organiczne. Oczyszczanie z zanieczyszczeń jest bardziej istotne przy odzysku materiałowym, ponieważ jakość regranulatu tworzyw zależy w głównej mierze od stopnia czystości i zawartości domieszek. Oczyszczanie tworzyw z zanieczyszczeń jest skuteczne dzięki zastosowaniu długiego czasu namaczania oraz intensywnemu mieszaniu w specjalnych urządzeniach (takich jak wirówki czy hydrocyklon). W przypadku tworzyw przeznaczonych do odzysku energetycznego można pominąć etap mycia.
Trzecim etapem obróbki jest suszenie. Jest ono niezbędne w odzysku materiałowym, gdzie dopuszczalne jest pozostawienie tylko 1% wilgotności. Najczęściej stosuje się suszenie metodami mechaniczno-termicznymi. Tworzywa sztuczne, nieprzeznaczone do odzysku materiałowego, poddaje się procesowi suszenia przed zbrykietowaniem. Po obróbce wstępnej dla zrealizowania odzysku materiałowego niezbędne jest posortowanie tworzyw sztucznych według rodzajów.
Metody mechaniczne
W metodach mechanicznych stosuje się hydrocyklon, flotacje oraz centryfugę.
W hydrocyklonie (rys. 2), w którym rozdzielanie frakcji następuje w wypełnionej cieczą komorze w kształcie stożka, wykorzystuje się siły odśrodkowe. Na skutek działania tej siły podczas wirowania stożka wokół własnej osi cięższe frakcje zostają „wypompowane” z cylindra dołem, natomiast frakcja lekka zostaje zassana do rury zanurzonej w cieczy w górnej części cylindra. Problemem może być fakt niejednolitego rozdrobnienia odpadów. Istotne jest więc wstępne skuteczne rozdrobnienie materiału i przesianie go na jednolite frakcje przed skierowaniem do hydrocyklonu.
Z kolei różnica ciężaru właściwego wykorzystywana jest w urządzeniach, gdzie podział na frakcje następuje przy wykorzystaniu zjawiska flotacji (rys. 3). Materiał doprowadzany jest pod powierzchnię cieczy wypełniającej zbiornik: ciężka lub nasiąkliwa frakcja opada na dno, natomiast lekka zbierana jest z powierzchni cieczy. Zbiorniki mogą być połączone kaskadowo i wypełniane różnymi roztworami w zależności od rodzaju frakcji, jaką chce się wydzielić.
Z kolei Censor działa na zasadzie centryfugi (rys. 4), w której wykorzystane są właściwości zarówno hydrocyklonu, jak i flotacji. Ciecz wypełniająca cylinder pod wpływem jego obrotów tworzy zewnętrzny pierścień, w osi centryfugi umieszczone są zbieracze ślimakowe o różnych średnicach. Jeden zbiera lekką frakcję unoszącą się na powierzchni pierścienia cieczy, natomiast frakcja ciężka gromadzi się na ściankach cylindra, pod powierzchnią cieczy, i jest odprowadzana w przeciwprądzie drugim przenośnikiem ślimakowym o większej średnicy.
Metody precyzyjne
Metody, w których stosuje się tak precyzyjne urządzenia jak laser spektroskopowy lub sortowanie wykorzystujące elektrostatyczne właściwości materiału, nie będą miały zastosowania w przypadku odpadów zmieszanych, gdyż wymagają one wysokiej czystości materiału.
Pod pojęciem identyfikacji spektrofotometrycznej polimerów należy rozumieć sortowanie odpadów tworzyw sztucznych przy zastosowaniu fal o długości = 200 nm (podczerwień, promieniowanie UV, laserowa analiza emisji LIESA, metoda spektroskopowe, promienie rentgena). Spektroskopia fotometryczna polega na analizie spektrofotometrem wiązki światła odbitej przez materiał. Właściwości adsorpcyjne zależą bowiem od molekularnej struktury tworzywa. Podobnie działa spektroskopia laserowa, będąca jeszcze w fazie badań i rozwoju. Przez spektroskop analizowane jest widmo gazów powstających w wyniku działania wiązki lasera na materiał. Pod wpływam temperatury odparowuje mikroskopijna ilość materiału. Ponieważ każdy materiał emituje charakterystyczne spektrum gazowe, możliwa jest identyfikacja materiału na podstawie analizy składu gazu.
Precyzyjna jest też metoda elektrostatyczna, która należy do jednych ze skuteczniejszych metod selekcji tworzyw sztucznych. Tworzywa sztuczne są słabymi przewodnikami i ładunki elektryczne gromadzą się na ich powierzchni. Materiał przechodzi przez pole elektrostatyczne i zostaje naelektryzowany, a następnie jest gromadzony na elektrodach w zależności od ładunku, jaki zgromadzi na swojej powierzchni. Jest to metoda bardzo skuteczna przy wyłapywaniu PCW, które charakteryzuje skrajnie ujemna polaryzacja.
Metody z wykorzystaniem rozpuszczalników
Metody wykorzystujące rozpuszczalność tworzywa w określonym rozpuszczalniku są bardzo kosztowne i mają zastosowanie jedynie w odzysku materiałowym czystych tworzyw na dużą skalę. Przeprowadzenie procesu wymaga dostosowania odpowiednich parametrów, takich jak temperatura i ciśnienie, w celu uzyskania danego rodzaju tworzywa. Dla przykładu PET rozpuszcza się w ksylolu w temperaturze 142°C, natomiast PCW w 138°C. Mieszanina tworzywa i rozpuszczalnika gromadzona jest w zbiorniku. Rozpuszczalnik zostaje odparowany i zawracany do procesu.
Małgorzata Niestępska
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa, Ciechanów
Krótkowzroczne rozwiązywanie problemu odpadów tworzyw sztucznych poprzez deponowanie ich na składowiskach nie jest rozwiązaniem na przyszłość, zgodnym z zasadami zrównoważonego rozwoju. Na składowiska powinno się kierować tylko odpady w stanie przetworzonym i nie nadające się już do jakiegokolwiek zagospodarowania. Taki kierunek gospodarki odpadami uzasadniony jest również kurczącymi się zasobami terenów pod budowę nowych składowisk oraz wzrostem cen gruntu. Początek drogi do celu, jakim jest odzysk tworzywa sztucznego, to analiza stopnia jego zanieczyszczenia i możliwości jego wyodrębnienia z całego strumienia odpadów. Trzeba bowiem mieć świadomość, że wykorzystanie odpadów tworzyw sztucznych w produkcji w celu wytworzenia z nich wysokiej jakości wyrobu jest możliwe tylko pod warunkiem, że tworzywa nie są zestarzałe (czyli pozbawione swoich właściwości mechaniczno-chemicznych), są oczyszczone z zanieczyszczeń i domieszek, osuszone i posortowane według typów.
Przy odzysku odpadów takich jak tworzywa sztuczna należy każdorazowo uwzględniać rachunek ekonomiczny, w tym koszty zbierania, transportu, obróbki wstępnej oraz recyklingu. Szacunkowe koszty selektywnej zbiórki tworzyw sztucznych to ok. 3 zł/kg, a koszty obróbki wstępnej zależą od stopnia ich zanieczyszczenia i wynoszą ok. 7,5 zł/kg.
Porównanie wad i zalet metod sortowania tworzyw sztucznych
Metoda sortowania | Zalety | Wady |
| Sortowanie ręczne |
|
|
| Hydrocyklon |
|
|
| Spektroskopia oraz metoda laserowa |
|
|
| Separator odśrodkowy Censor |
|
|
| Flotacja |
|
|
| Elektrostatyczna |
|
|
| Z wykorzystaniem rozpuszczalników |
|
|
Metody odzysku tworzyw sztucznych można podzielić na materiałowe (tworzywa przetwarza się w spełniający wymogi jakościowe produkt), surowcowe (przetwarzające odpady do postaci polimerów, olejów ciężkich lub gazów technicznych, które mają zastosowanie w energetyce lub przemyśle chemicznym) oraz energetyczne (spalanie tworzyw z odzyskiem energetycznym w spalarniach odpadów, cementowniach lub hutach). Biorąc pod uwagę warunki, jakie należy spełnić, aby odzysk materiałowy lub surowcowy był możliwy oraz ekonomicznie uzasadniony, wydaje się celowe zawężenie go do odpadów tworzyw pochodzących ze zbiórki selektywnej lub z punktów demontażu odpadów wielkogabarytowych. Alternatywną metodą odzysku jest odzysk surowcowo-energetyczny pod warunkiem odpowiedniego przygotowania mieszanki paliwowej oraz wkomponowania instalacji zgazowującej w istniejący lokalnie system zaopatrzenia w energie lub ciepło. Natomiast najbardziej odpowiednią metodą odzysku wydaje się być odzysk energetyczny, niewymagający tak intensywnej obróbki wstępnej mającej na celu usuniecie zanieczyszczeń.
Jedną z form odzysku surowcowego ze zmieszanych i zanieczyszczonych domieszkami tworzyw sztucznych jest uwodornienie. W początkowej fazie tego procesu prowadzona jest depolimeryzacja (w niej zaś odzysk chloru w postaci uwodnionego kwasu solnego), a następnie właściwy proces uwodornienia, w którym pod ciśnieniem 150-400 barów i w temperaturze 380-500°C syntetyzowane są gazy, tj. metan, etan i propan oraz oleje ciężkie i odzyskiwane jest aluminium.
Rys. 1. Gazogenerator ciśnieniowy
Inną formą odzysku surowcowego jest zgazowanie (rys. 1), przebiegające dwustopniowo. Do zgazowania używa się dwutlenku węgla oraz pary wodnej. W pierwszym etapie w warunkach niedoboru powietrza oraz stosunkowo niskiej temperaturze (600-800°C) materiał wsadowy w postaci zbrykietowanego węgla brunatnego oraz tworzyw sztucznych zostaje przetworzony w gaz palny i mineralną pozostałość. W drugim etapie gaz palny przepływa rurociągiem do komory dopalania, gdzie w temperaturze 1000-1400°C jest dokładnie spalany. Górna warstwa tej strefy składa się ze świeżego materiału poddawanego odgazowaniu, w warstwie środkowej znajduje się materiał skarbonizowany, poddawany zgazowaniu, a w dolnej popiół zawierający pozostałości nieorganiczne. Odgazy z komory spalania zostają schłodzone szokowo w reaktorze, aby nie dopuścić do powstania dioksyn i furanów. Produktem syntezy w procesie zgazowania jest metanol. W procesie tym można prowadzić odzysk energetyczny. Wszystkie metale ciężkie i część siarki wprowadzona wraz z materiałem pozostają w popiele. W wyniku prowadzenia procesu zgazowania powstaje od 2 do 4% popiołu, który może być surowcem do produkcji farb antykorozyjnych.
Obróbka wstępna odpadów
Każda z form odzysku wymaga odpowiedniej obróbki wstępnej, której pierwszym etapem musi być rozdrabnianie (do którego stosuje się rozdrabniarki walcowe i nożowe, młyny lub rozdrabnianie kriogeniczne). Po rozdrobnieniu ziarna powinny być podzielone według rozmiarów na frakcje.
Drugim etapem obróbki jest mycie, które jednocześnie powinno umożliwić wydzielenie zanieczyszczeń typu papier, drewno, tekstylia, olej, farby oraz zanieczyszczenia organiczne. Oczyszczanie z zanieczyszczeń jest bardziej istotne przy odzysku materiałowym, ponieważ jakość regranulatu tworzyw zależy w głównej mierze od stopnia czystości i zawartości domieszek. Oczyszczanie tworzyw z zanieczyszczeń jest skuteczne dzięki zastosowaniu długiego czasu namaczania oraz intensywnemu mieszaniu w specjalnych urządzeniach (takich jak wirówki czy hydrocyklon). W przypadku tworzyw przeznaczonych do odzysku energetycznego można pominąć etap mycia.
Rys. 2. Hydrocyklon
Trzecim etapem obróbki jest suszenie. Jest ono niezbędne w odzysku materiałowym, gdzie dopuszczalne jest pozostawienie tylko 1% wilgotności. Najczęściej stosuje się suszenie metodami mechaniczno-termicznymi. Tworzywa sztuczne, nieprzeznaczone do odzysku materiałowego, poddaje się procesowi suszenia przed zbrykietowaniem. Po obróbce wstępnej dla zrealizowania odzysku materiałowego niezbędne jest posortowanie tworzyw sztucznych według rodzajów.
Metody mechaniczne
W metodach mechanicznych stosuje się hydrocyklon, flotacje oraz centryfugę.
W hydrocyklonie (rys. 2), w którym rozdzielanie frakcji następuje w wypełnionej cieczą komorze w kształcie stożka, wykorzystuje się siły odśrodkowe. Na skutek działania tej siły podczas wirowania stożka wokół własnej osi cięższe frakcje zostają „wypompowane” z cylindra dołem, natomiast frakcja lekka zostaje zassana do rury zanurzonej w cieczy w górnej części cylindra. Problemem może być fakt niejednolitego rozdrobnienia odpadów. Istotne jest więc wstępne skuteczne rozdrobnienie materiału i przesianie go na jednolite frakcje przed skierowaniem do hydrocyklonu.
Z kolei różnica ciężaru właściwego wykorzystywana jest w urządzeniach, gdzie podział na frakcje następuje przy wykorzystaniu zjawiska flotacji (rys. 3). Materiał doprowadzany jest pod powierzchnię cieczy wypełniającej zbiornik: ciężka lub nasiąkliwa frakcja opada na dno, natomiast lekka zbierana jest z powierzchni cieczy. Zbiorniki mogą być połączone kaskadowo i wypełniane różnymi roztworami w zależności od rodzaju frakcji, jaką chce się wydzielić.
Rys. 3. Flotacja
Z kolei Censor działa na zasadzie centryfugi (rys. 4), w której wykorzystane są właściwości zarówno hydrocyklonu, jak i flotacji. Ciecz wypełniająca cylinder pod wpływem jego obrotów tworzy zewnętrzny pierścień, w osi centryfugi umieszczone są zbieracze ślimakowe o różnych średnicach. Jeden zbiera lekką frakcję unoszącą się na powierzchni pierścienia cieczy, natomiast frakcja ciężka gromadzi się na ściankach cylindra, pod powierzchnią cieczy, i jest odprowadzana w przeciwprądzie drugim przenośnikiem ślimakowym o większej średnicy.
Metody precyzyjne
Metody, w których stosuje się tak precyzyjne urządzenia jak laser spektroskopowy lub sortowanie wykorzystujące elektrostatyczne właściwości materiału, nie będą miały zastosowania w przypadku odpadów zmieszanych, gdyż wymagają one wysokiej czystości materiału.
Rys. 4. Centryfuga
Pod pojęciem identyfikacji spektrofotometrycznej polimerów należy rozumieć sortowanie odpadów tworzyw sztucznych przy zastosowaniu fal o długości = 200 nm (podczerwień, promieniowanie UV, laserowa analiza emisji LIESA, metoda spektroskopowe, promienie rentgena). Spektroskopia fotometryczna polega na analizie spektrofotometrem wiązki światła odbitej przez materiał. Właściwości adsorpcyjne zależą bowiem od molekularnej struktury tworzywa. Podobnie działa spektroskopia laserowa, będąca jeszcze w fazie badań i rozwoju. Przez spektroskop analizowane jest widmo gazów powstających w wyniku działania wiązki lasera na materiał. Pod wpływam temperatury odparowuje mikroskopijna ilość materiału. Ponieważ każdy materiał emituje charakterystyczne spektrum gazowe, możliwa jest identyfikacja materiału na podstawie analizy składu gazu.
Precyzyjna jest też metoda elektrostatyczna, która należy do jednych ze skuteczniejszych metod selekcji tworzyw sztucznych. Tworzywa sztuczne są słabymi przewodnikami i ładunki elektryczne gromadzą się na ich powierzchni. Materiał przechodzi przez pole elektrostatyczne i zostaje naelektryzowany, a następnie jest gromadzony na elektrodach w zależności od ładunku, jaki zgromadzi na swojej powierzchni. Jest to metoda bardzo skuteczna przy wyłapywaniu PCW, które charakteryzuje skrajnie ujemna polaryzacja.
Metody z wykorzystaniem rozpuszczalników
Metody wykorzystujące rozpuszczalność tworzywa w określonym rozpuszczalniku są bardzo kosztowne i mają zastosowanie jedynie w odzysku materiałowym czystych tworzyw na dużą skalę. Przeprowadzenie procesu wymaga dostosowania odpowiednich parametrów, takich jak temperatura i ciśnienie, w celu uzyskania danego rodzaju tworzywa. Dla przykładu PET rozpuszcza się w ksylolu w temperaturze 142°C, natomiast PCW w 138°C. Mieszanina tworzywa i rozpuszczalnika gromadzona jest w zbiorniku. Rozpuszczalnik zostaje odparowany i zawracany do procesu.
Małgorzata Niestępska
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa, Ciechanów
