Утилизация мусора и твердых бытовых отходов (ТБО) становится одной из важнейших проблем современного хозяйства, как с экологической, так и экономической точки зрения. В России уже скопились более 100 млрд. тонн различных отходов, в том числе токсичных, что в пересчете составляет по 700 тонн на каждого жителя страны (1) и по этому показателю, мы, к сожалению, занимаем первое место в мире. Какие меры необходимо предпринять, чтоб извлечь пользу из этой проблемы?
В последнее время по инициативе европейских предприятий делаются попытки рассортировать мусорные места с помощью сенсорной сортировки отходов, 250 систем которых установлено на 60 предприятиях мира (2).
По оценкам аналитиков, мировой оборот бизнеса по переработке мусора достигает 50 млрд. долларов США в год. Во многих европейских странах в переработку идет более 50% ТБО. Из пластика там делают почти все: от деталей одежды и посуды до мебели, стройматериалов и даже шпал для железных дорог. В России в отсутствие раздельного сбора практически все отходы идут на свалку или сжигаются. Имеет место недопонимание проблемы «мусорного коллапса». Лишь за 2013 год Росприроднадзор выявил более 24 тыс.мест несанкционированного хранения ТБО.
Мировой мусорный рынок сегодня оценивается примерно в 120 млрд. долларов США. А в России переработка отходов, по подсчетам различных компаний, может приносить от 2,0 до 3,5 млрд.долларов США в год. Известно, что все полимерные отходы, включая полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), полистирол (П/С), поливинилхлорид (ПВХ), поликарбонат (ПК), полиуретаны (ПУ), полиэтилентерефталат (ПЭТ) и др. составляют более 50% ТБО. На отходы ПЭТ, преимущественно в виде отработанных бутылок, приходится около 25% от общей массы полимерных отходов (3). В настоящее время это самый перерабатываемый и технологически удобный пластик в мире, поскольку он легко гомогенизируется, не требует пластификации, обладает относительно стабильным химическим составом.
В 2013г. мировой выпуск первичного ПЭТ –гранулята бутылочного назначения превысил 20 млн.т (для полиэфирных волокон его выпуск составил около 47 млн.т.), из которого было изготовлено 500 млрд. бутылок различной емкости и назначения, т.е. в среднем 70 ПЭТ-бутылок на душу населения. Если бы среднестатистический житель планеты собрал бы за собой бутылки, что использовал, то по описанныой здесь технологии фирмы «Barmag Bruekner Engineering» («BBE»), Германия, можно было бы из них наработать полновесную паковку (2,8 кг) высококачественной полиэфирной (ПЕФ) текстурированной нити 167 дтекс.
Согласно рис.1, мировой сбор ПЭТ-отходов в 2012 г. составил 8,2 млн.т, из них более 3 млн.т (≈30%) в Китае; 1,5 млн.т (17%) в Западной Европе; 1,3 млн.т (14,5%) в Северной Америке и лишь 162 тыс.т (1,8%) в Восточной Европе (4). В 2013 г. увеличился до 9,0 млн.т. В 2014 г. планировалось собрать в мире 9,7 млн.т (5). Тогда за вычетом технологических потерь (1,9 млн.т) масса годных к переработке отходов ПЭТ составит около 7,8 млн.т. Прогнозируется (5) дальнейший рост переработки ПЭТ-рециклинг (Р) до 13 млн.т в 2018 г. и 15 млн.т в 2020 г.
Уровень сбора и переработки вторичного ПЭТ в целом в мире не превышает 50% (6), но сильно колеблется в различных регионах (рис. 2). Например, в Китае и в Японии объем сбора использованных бутылок в 2013 г. составил около 80%, в Швейцарии – 70%, в странах ЕС в среднем балее 50%, а в Восточной Европе – ниже 20%. В Западной Европе утилизация ПЭТ-бутылок подвергнута государственному регулированию, принцип которого заключается в том, что производители бутылок (преформ) платят специальный налог, в которой заложено стоимость рециклинга. Как следствие, в Германии перерабатывают 80-85% использованных ПЭТ-бутылок, в Швеции – 90-95% (наибольший показатель в Европе).
В России почему-то утилизация таких отходов считается нерентабельной, называя в качестве причин высокие цены на энергоносители и сырье. Поэтому объем сбора не превышает 10%, а объем переработки пластиковых бытовых отходов едва достигает 3%. На российском рынке объем переработки вторичного ПЭТ в 2013 г. составил около 100 тыс.т, т.е. более чем в 5 раз меньше чем объем переработанного в преформы первичного ПЭТ ( при этом из-за проблем со сбором использованных ПЭТ-бутылей 15% этих отходов импортируется). Для общего представления отметим: в России объем ТБО в 2012 г. оценивался в 53 млн.т, а доля в них пластиковых отходов – всего 4 млн.т, в которых соответственно на основе ПЭТ – около 15%
В мире в целом в 2014 г., по данным PCI (PET Packaging a Resycling Ltd.), около 71% собранной ПЭТ-тары переработано в волокно (преимущественно грубых титров для нетканых материалов и наполнителя), 11% в пленки, 12% - в бутылки пищевого и непищевого назначения, 4% - в обвязочные ленты, прочее – 2% (итого 100% - 7,8 млн.т ПЭТ-Р).Применение этого сырья для производства ПЭФ –комплексных нитей, как технического, так и текстильного(в т.ч. текстурированных нитей) назначения в силу дополнительных требований к ним по качеству, практически не известно. В частности, в США в 2013 г. из бутылочного ПЭТ-рециклинга было изготовлено (в тыс.тонн): волокна-наполнителя – 90, нетканых материалов (НМ) – 130, обивочных материалов на основе ковров – 40, технических тканей – 5, коврового жгутика BCF -60, текстильного наполнителя – 20 и т.п. (5).
Пожалуй, решающим условием применения ПЭТ-Р для производства ПЭФ-штапельного волокна являлась относительно низкая цена бутылочных хлопьев: 50-60% от стоимости первичного гранулята( в зависимости от цвета), что обеспечивало значительную прибыль, особенно при изготовлении волокна для нетканых материалов (НМ) и в качестве наполнителя. Недавнее установление мировых цен на хлопья на уровне 70-80% относительно первичного ПЭТ сохранило преимущество применения вторичного ПЭТ-Р для различных видов НМ, волокон-наполнителей и некоторых типов комплексных нитей. Это делает ПЭТ-Р все более креативным во многих областях применения, чему способствует так же увеличение объемов его выпуска. Например, по оценке PCI, сегодня объем производства ПЭФ- волокон на базе рециклинга для прямого потребления и промышленных целей примерно 4,5 млн.т в год, в том числе 95% в виде штапельного волокна (а в Китае 30% от общего выпуска их в стране) и совсем немного текстильных нитей. Говоря о китайском рынке, отметим его ориентацию на выпуск волокна из рециклята ПЭТ-Р для процессов прядения, получения наполнителей и НМ. Нормальное развитие этого рынка обеспечивается так же за счет импорта (около 40%) бутылочных отходов. Сегодня в Китае перерабатывают 53% от общемирового объема собранных бутылок.
Европейский рынок переработки вторичного ПЭТ довольно значителен. За счет него внутренние поставки ПЭФ штапельного волокна составляют около 80%, а комплексных нитей – не более 5% от общего производства. Последнее практически не дает ощутимой экономии.
В США, где сбор бутылок составляет около 0,8 млн.т в год, помимо общеизвестных областей применения штапельного волокна из вторичного ПЭТ, широко применяют его для ковровой пряжи, наибольшая часть ПЭФ комплексных нитей – для одежды, домашнего текстиля в виде коврового жгутика типа BCF и т.п. Цена на штапельное волокно зависит от выбора отходов в качестве сырья – бутылочные хлопья или регранулят. Первые, как будет показано ниже, дешевле. Во втором квартале 2013 г. в США начат выпуск ПЭФ малоразвесного коврового жгутика типа BCF, состоящего из 100% ПЭТ –рециклинга, полученного из бутылок пищевого назначения.
Как уже говорилось выше, значительные ограничения существуют для применения ПЭТ-Р в производстве ПЭФ текстильных нитей типа POY, DTY и FDY, микрофиламентов, шинного корда или высококачественных биаксильных пленок (БООП). Как будет показано ниже, технология Компании «BBE» (Barmag/Bruekner/Engineering), презентованная 21 января 2015 г. в г.Ремшайде, (Германия), дала вполне аргументированный ответ на решение этой важной проблемы. Главное- добиться чистоты отходов ПЭТ (в т.ч. из отработанных бутылок и взятых из мусоросборников), максимально приближающихся к качеству первичного сырья.
В презентации приняли участие 111 представителей различных компаний из 14 стран. Наиболее представительными были делегации Турции, России, Германии, Бельгии, Египта, Индии, Италии, Китая и др. Участниками прослушано 4 доклада, вызвавших дополнительные вопросы и обсуждение.
1.Доктор В.Эрнст («ВВЕ») – «Волокна из вторичного ПЭТ – возможности, рынки и технологии»;
2. Ф.Дикмайс («ВВЕ») – «Решения по экструзии при переработке ПЭТ».
3. Р.Моргенрот («ВВЕ») – «Вторичный гранулят ПЭТ – сложности в производстве нити»
4. Т.Шлитт («Clariant») – «Устойчивое развитие и окрашивание в массе – союз на будущее».
С подробным содержанием упомянутых докладов можно ознакомиться на сайте Компании. Здесь мы проведем краткий их итог, позволяющий сформулировать требование к отходам ПЭТ, составу технологической и аппаратурной схемы их переработки в ПЭФ текстильные нити заданного качества, что ранее никому в мире полностью не удавалось.
Наиболее известны два основных способа рециклинга ПЭТ (7-9):
Химический – гидролиз или гликолиз отходов ПЭТ до мономеров (или олигомеров), их фильтрация и поликонденсация. В результате получают достаточно чистый продукт, что позволяет при прямом формовании нити POY/DTY добавлять до 20% рециклята ПЭТ-Р. Однако, этот способ отличается высокой трудоемкостью и повышенными энергозатратами и широкого распространения он не получил.
Самый распространенный и экономичный метод переработки отходов ПЭТ – т.н. механо-химический, когда измельченные и очищенные отходы, например, в виде бутылочных хлопьев (флексов) последовательно, в единой технологической цепочке расплавляются, гомогенизируются, очищаются от загрязнений и фильтруются в экструдере с дегазацией под вакуумом.
Существуют различные виды применения отработанных ПЭТ-бутылок:
- в виде хлопьев (или флексов) для производства менее ответственных продуктов (штапельное волокно, волокно-наполнитель и т.п.), после гранулирования и специальной обработки для производства новых бутылок (т.н. технология «бутылка из бутылки») и высококачественных ПЭТ –волокон и нитей. Если указанное сырье предполагается использовать для производства товаров с более высокой добавочной стоимостью, то после измельчения бутылок и получения так называемых бутылочных хлопьев (или флексов), последние подвергают многократной мойке, сушке, расплавлению в экструдере, фильтрации расплава. Число обычных примесей велико: этикетки, этикеточный клей, песок, металлы, пыль и т.д. Их невозможно полностью удалить, только лишь путем измельчения и промывания. Фильтрация расплава является одним из наиболее важных этапов, поскольку удаление загрязнений – это основное условие бесперебойного и стабильного производственного процесса, например, при формовании ПЭФ волокон.
Хлопья, полученные от использованных ПЭТ-бутылок, имеют ряд особенностей, иногда негативных. Характеристическая вязкость (ή) находится в пределах 0,76÷0,82, т.е. близка к исходному первичному грануляту. По сыпучести хлопья /флексы значительно отличаются от гранулята. Насыпная плотность ниже, чаще всего в диапазоне 0,25÷0,35 кг/дм3, да и форма сильно отличается: хлопья имеют плоскую продолговатую конфигурацию размером от 7 до 12 мм, иногда и больше. При переработке отходов бутылок важно следить за удалением посторонних примесей, прежде всего ПВХ, остающегося от этикеток, клея и т.п.
Кроме того, содержание твердых примесей необходимо держать на самом минимальном уровне, чтобы обеспечить максимально продолжительное время работы фильтра в потоке. В таб.1 приведены основные качественные показатели, предъявляемые к бутылочным хлопьям (10).
Чаще всего бутылочные хлопья перерабатывают непосредственно в штапельное волокна, нити или во вторичный гранулят ПЭТ-Р. В последнем случае хлопья сначала высушивают, затем направляют на экструзию, дегазацию под вакуумом (для выделения летучих примесей), фильтрацию и в конечном итоге – на гранулирование. Здесь очень важно обеспечить предварительную сушку хлопьев ПЭТ, чтобы в начале процесса экструзии поддерживалось, как минимум, постоянная влажность. Если она будет отличаться от партии к партии, это приведет к варьированию значений (ή), что, в свою очередь ведет к изменениям технических характеристик нити прежде всего прочности и удлинения. Кроме того, при применении хлопьев необходимо учитывать изменение условий на участке транспортировки и сушки из-за специфичных показателей насыпной плотности и размеров частиц. Основные отличия отмеченных выше материалов приведены в табл.2, из которой очевидны качественные преимущества первичного и вторичного ПЭТ-Р перед хлопьями, но экономический анализ, как будет показано ниже, расставляет приоритеты наоборот.
Естественно, с указанными в таб.2 показателями хлопьев ПЭТ требуется частичная реконструкция действующей установки в тех ее частях, где проявляется специфика этого продукта. В частности, при проектировании транспортных устройств (трубопроводы, промежуточные емкости и т.п.) учитывается пониженная «текучесть» хлопьев и их меньшая насыпная плотность. По этой же причине необходимо существенно увеличить объем сушилки (если таковая предусмотрена в технлогической схеме) при неизменной ее производительности. Различия насыпной плотности и характеристической вязкости обуславливают некоторую корректировку конструкции экструдера, в первую очередь изменение профиля шнека и коэффициента компрессии.
Когда речь идет о переработке отходов ПЭТ, независимо от их товарного вида, важное место уделяется фильтрации расплава, содержащего посторонние примеси. Фирма «ВВЕ» рекомендует для бутылочных хлопьев использовать две фильтрации как показано на рис.3. Первая – применение фильтра непрерывного действия (двухкасетная конфигурация) с большой поверхностью 5 м2, за счет чего даже при тонкой фильтрации до 20 мкм перепады давления остаются довольно умеренными и не приводит к продавливанию посторонних частиц через сетки фильтра. После первого фильтра с большой фильтрующей поверхностью устанавливается второй узел на участке фильерного пакета, т.е. в верхней части формовочной машины. При фильтрации расплава первичного ПЭТ фильерные пакеты (комплекты) обычно заполняются металлическим порошком, имеющим недостаточную поверхность фильтрации, требуемую в случае вторичного ПЭТ или бутылочных хлопьев. Поэтому были модифицированы ранее применяемый фильтр «3LA», благодаря чему фильтрующая поверхность новых фильерных пакетов стала почти в 8 раз превышать площадь стандартной фильтрации металлическим порошком. При этом тонкость фильтрации составляла менее 40 мкм, фильтрующая площадь около 0,07 мк. при максимальной производительности 10-15 кг/час.
Успешная переработка бутылочных хлопьев в ПЭФ текстильные нити стало возможной благодаря описанным выше усовершенствованиям технологии и оборудования. В меньшей степени это коснулось стадии намотки нити, которая не отличается от обычных намоточных устройств, установленных на традиционных машинах Компании «Оерликон Бармаг» типа «WINGS POY».
На рис.4 схематически представлена комплектная машина «VarioFil R/R+» для формования предориентированной («POY») нити, крашенной в массе, напрямую из бутылочных хлопьев.
Итак, ясно, как получать из использованных бутылок ПЭФ текстильную нить. Посмотрим, насколько это оправдано с экономической точки зрения и достижения требуемого качества готовой продукции. При реализации приведенной в настоящем сообщении одностадийной технологии применения бутылочных хлопьев можно получить существенную экономию энергоресурсов, в т.ч. и по сравнению с двухступенчатой переработки вторичного ПЭТ в виде гранул (табл.3)
Преимущество переработки бутылочных хлопьев здесь очевидно: 45% экономии энергоресурсов, а для завода мощностью 3 тыс.т/год ПЭФ предорентированной POY нити можно сэкономить до 5 млн.руб. в год.
При строгом соблюдении требований, изложенных в табл.1 к бутылочным хлопьям, и описанных чуть выше технологических параметров их переработки, можно получить ПЭФ текстильную нить того качества, как и при использовании первичного стандартного ПЭТ, что подтверждается данными табл.4, где приведены характеристики суровой и окрашенной нитей, полученных из хлопьев.
Табл.4 констатирует прежде всего о том, что качество ПЭФ текстильных нитей, полученных из бутылочных отходов ПЭТ, является альтернативным вариантом нитям, сформованным из первичного гранулята или стандартного расплава ПЭТ.
Таким образом, был продемонстрирован не только один из примеров решения важной экологической задачи утилизации ТБО, но и показала эффективные пути энерго- и ресурсосбережения при использовании отходов для производства высококачественной текстильной продукции. Изображенная схематично на рис.4 комплектная машина «VarioFil R/R+» способна переработать на одном экструдере до 480 кг ПЭТ-хлопьев, обеспечивая бесперебойную работу 4-х рабочих мест с приемкой на каждое 10÷12 паковок ПЭФ нитей титром от 110 до 330 дтекс. Рассмотренный в данном сообщении процесс символизирует значимый шаг в создании экологически чистой и экономически эффективной безотходной технологии в промышленности химических волокон и призван активизировать работы по превращению обилия использованных бутылок из ПЭТ в высокооцененное текстильное сырье с широким спектром применения в современном хозяйстве.
Литература:
1. Е.Донской, И.Кодзасова и др. «Аргументы и Факты», 2014г.
2. Химия и бизнес №2-3 (186), август 2014, с.8-10
3. Mrcplast.ru/25 июля 2012г.
4. В.Керницкий, Н.Жир /ПЭТ-2014, доклад АРПЭТ, 20.02.2014г.
5. Fibers & Filaments the experts magazin/ Oerlikon Barmag, выпуск 16.08.2013, стр.20.
6. В.Эрнст/Конференция SYFAб Шарлотт, США, сентябрь 2014г.
7. U.Thiele/Man-made Fiber Year Bjjk 2012, s.19.
8. РЕТ planet, №06-07 2014(vol.15), s.24-25
9. Пластикс, № 4 (133) 2014, с. 15
10. В.Эрнст/ Презентации на конференции, г.Ремшайд, Германия, 21.01.2015г.
