Ученые Пермского Политеха предлагают способ утилизации загрязненных полимерных 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».

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.

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.