Серьезные сдвиги

Не так давно газета «Советская Россия» опубликовала фельетон под названием «Золотой дым». Вот отрывки из него:

«Очередное заседание городской комиссии по охране окружающей среды открылось на природе. Председатель комиссии, обведя ласковым взором могучие дубравы, цветущие луга, родниковые ручьи и озера, с чувством произнесла:

— Друзья! Наш долг — оставить эту красоту в целости и сохранности потомкам ...»

Все, казалось бы, хорошо, все правильно. Но — буквально через считанные секунды после торжественной тирады и председатель, и все члены комиссии «как подкошенные, повалились на землю». Они попали в полосу дыма, принесенного со стороны городской свалки. А на свалке жгли отходы производства два местных предприятия «Балаковорезинотехника» и «Химволокно». Только в прошлом году здесь сожжено 240 тысяч кубометров полимерных отходов.

Скорее всего, после газетной публикации соответствующие органы приняли меры — наказали виновных. Но вот вопрос: прекратят ли резинотехнические и химические заводы сжигать на свалках или закапывать в землю различные полимерные отходы? Не прекратят, как это ни грустно, ибо другого выхода у них нет.

Создалось парадоксальное положение. Всюду говорят и пишут о растущем дефиците нефти. Затраты на производство полимеров — резины, пластиков, волокон — неуклонно растут. Все эти продукты дефицитны. И в то же время десятки и сотни заводов, производящих эти материалы (и изделия из них), изыскивают способы, как отделаться от тех же полимеров в виде отходов, бракованной и некондиционной продукции.

Но это еще не все. Использованные автопокрышки, изношенные резиновые изделия, отработавшая свое пластмассовая тара, одноразовые упаковки и различные бытовые отходы из синтетических полимеров — все это в гигантских масштабах накапливается на городских свалках, загрязняет окружающую среду.

Что делать с отходами

Изношенную полиэтиленовую пленку собирают, моют, режут на куски, расплавляют в экструдере и из такого вторичного полиэтилена формуют различные изделия. Существует еще вторичный капрон, который тоже используют для производства ширпотреба. Термин «вторичный» как-то не очень радует слух — напрашивается аналогия с «второсортным». Так оно и есть, поскольку качество термопластов при повторной переработке страдает. Сортировка, очистка, предварительная подготовка требуют чрезмерных затрат. А многие полимерные материалы, резина в первую очередь, вообще не плавятся.

Восемь десятилетий непрерывно росло производство полимерных материалов, расширялся ассортимент изделий из них. Про отходы все это время думали так: органика, следовательно, должна гореть. И горела, и сегодня горит. Не жалко?

В последние 25—30 лет появилось немало идей, конечная цель которых — всеобщая и универсальная утилизация полимерных отходов. Химики предлагали разлагать отходы в специальных установках при высоких температурах на специально подобранных катализаторах с тем, чтобы получать мономеры или другие простые органические вещества. Но этот путь оказался слишком сложным, дорогим и энергоемким.

Предлагали вводить в состав полимеров такие химические группы, которые потом легко разрушались бы микроорганизмами или ультрафиолетовыми лучами. Но такие биоразлагаемые полимеры пока не нашли широкого применения.

Предлагали размалывать полимерные отходы в порошок и использовать его как наполнитель для пластмасс, бетона, линолеума. Эта идея заслуживает внимания, так как отвечает требованию универсальности и выглядит довольно простой в осуществлении. Остановимся на ней подробнее.

Наполнители из отходов

Обычно наполнителями для пластмасс и резин бывают тонкодисперсные порошки. Мел, тальк, каолин, а также сажа и древесная мука — пять главных, самых массовых наполнителей. Порошки из отходов пластмасс и волокон могут и должны стать шестым. Они легче минералов, дешевле (по расчету!) сажи и древесной муки, лучше совмещаются с полимерами. Последнее очень важно.

Измельченная в порошок отработанная или бракованная резина могла бы стать первоклассным наполнителем для резиновых изделий. Защищено немало диссертаций на эту тему, показано, например, что введение такого наполнителя увеличило бы срок службы автомобильных покрышек на 30%.

Остается совсем чуть-чуть: организовать массовый сбор резиновых и полимерных отходов, измельчить их и... Но вот тут-то нам придется задержаться и вспомнить, что мы знаем о технологии измельчения твердых тел.

Измельчение, дробление, помол, размол, перемалывание, истирание, порошкообразование, пульверизация — это все названия процессов, чрезвычайно распространенных в технике. Ступка с пестиком — простейшее и, по-видимому, древнейшее устройство для этих целей. В наши дни существуют дробильные агрегаты, способные перемолоть за час десятки тонн твердого вещества. Размалывают руду, уголь, минералы, цемент, зерно, кофе, какао-бобы и множество других веществ и продуктов. Примерно 10% производимой в мире энергии тратят на эти операции. Казалось бы, среди громадного разнообразия измельчающих машин можно подобрать устройства для дробления резины и полимеров, но... Опять «но».

Почти все измельчающие машины основаны на одном из двух принципов — ударном воздействии на дробящийся материал или резании. В патентной литературе описаны многие сотни различных устройств, основанных на двух этих принципах. А в промышленности распространены шаровые мельницы, в которых продукт перемалывают металлические шары. В струйных мельницах сжатый воздух с силой ударяет куски вещества о стенку. В дезинтеграторах продукт попадает в зазор между двумя зубчатыми дисками, которые быстро вращаются навстречу друг другу. Однако к. п. д. всех измельчающих устройств поразительно низок и составляет всего несколько процентов: при соударении твердых тел значительная часть кинетической энергии переходит в тепловую.

Покуда речь идет о минералах, цементе или о таких хрупких веществах, как зерно, кофе или какао-бобы, с этим недостатком существующих устройств для измельчения еще можно мириться.

Но вот представьте себе, что раздробить в порошок нужно полимеры. Тепло, выделяющееся при дроблении, размягчит их. Вязкой упругой массе вроде густого теста или вара ударные нагрузки нипочем. Измельчаться такая масса не будет. Резина же и при обычных температурах обладает высокой упругостью. В лабораториях растереть в порошок небольшие количества полимера и резины можно, в промышленных условиях это чрезвычайно трудно.

Зная особенности поведения полимеров, можно, конечно, кое-что придумать. Например, сделать их хрупкими, применив низкие и сверхнизкие температуры. Резина, обработанная жидким азотом, раскрошится в порошок в обычной дробилке. Но холод энергетически дорог. Криогенная технология измельчения полимеров на практике нашла весьма ограниченное применение.

Остроумную идею предложил четверть века назад профессор В. Е. Гуль: грузить старые шины на баржи и сплавлять по Оби, Енисею, Лене за Полярный круг. Там резина станет достаточно хрупкой, её можно потом вернуть, раздробив. Но идею забраковали: «За морем телушка — полушка, да дорог перевоз».

Предложить экономически эффективный промышленный способ измельчения резины и полимеров до последнего времени никто в мире не смог.

Экструзионная технология измельчения полимеров

Академик Николай Сергеевич Ениколопов заинтересовался проблемой измельчения несколько лет назад, когда возглавил целевую комплексную программу по наполненным полимерам. В Институт химической физики тогда стали приходить изобретатели и конструкторы измельчительной техники, а на стендах экспериментальной базы в НПО «Норпласт» появились различные дробильные машины.

Испытания этих машин подтвердили то, что читателю уже известно: получить порошок из резины и большинства полимеров в обычных условиях весьма сложно.

А тем временем в научном коллективе, возглавляемом Н. С. Ениколоповым, были выполнены две не связанные друг с другом исследовательские работы. В одной из них изучали воздействие

на полимеры огромных давлений в сочетании с деформацией сдвига. О результатах этих работ уже рассказывалось и в научной, и в популярной литературе (см., в частности, «Науку и жизнь», 1982, № 7). Поэтому здесь мы отметим только главное: деформация сдвига сильно влияет на свойства полимеров.

В другой работе исследовали возможность получения порошка из расплавленного полиэтилена при резком его охлаждении водой и перемешивании.

Сопоставляя результаты, Н. С. Ениколопов пришел к неожиданному выводу: под действием сравнительно небольших напряжений сдвига в определенной области температур может происходить измельчение, превращение в порошок эластомеров и вязких полимерных расплавов.

Оказалось, что сдвиг воздействует на полимер совсем не так, как ударная нагрузка. При сдвиге материал работает на разрыв, и энергия, необходимая для разрушения, пропорциональна его разрывной прочности. Специалистам известно, что с повышением температуры прочность материалов на разрыв падает. Для полимеров она минимальна около температуры размягчения. Выходит, разрушение сдвигом эффективнее при повышенных, а не низких температурах, материалы нужно нагревать, а не охлаждать. Энергозатраты при этом существенно меньше.

Оставалось сконструировать подходящее устройство и проверить идею. Поиски подходящих устройств привели к экструдеру — традиционной машине для формовки изделий из полимеров, известной уже сто лет. С помощью экструдеров производят полимерные листы, трубы, пленки, нити, гранулы для литья под давлением.

Основной рабочий орган любого экструдера — шнек, по сути — цилиндр со спиральными витками. Ближайшая родственница шнекового экструдера — домашняя мясорубка. Шнек экструдера, врящаясь, выполняет одновременно несколько функций: перемещает материал, нагревает его (за счет внутреннего трения), перемешивает (путем сдвига), сдавливает и наконец проталкивает через формующее устройство.

Когда Н. С. Ениколопов предложил испытать экструдер для измельчения полимеров, то все, буквально все: инженеры, техники, операторы и механики, занятые эксплуатацией экструзионной техники, принялись его отговаривать. Их доводы: экструдер — тонкая, сложная и дорогая машина; если на нем попытаться охлаждать расплавленный полимер, то вязкость и сопротивление последнего станут стремительно возрастать и это приведет к неминуемой поломке ценной машины. Но переубедить академика не смогли. Это было не просто упрямство. Расчеты показали, что вязкость порошка сравнима с вязкостью расплава полимера и, следовательно, она несравненно ниже вязкости сплошного твердого тела. Очень многое должно зависеть от скорости перехода расплав — порошок, и, если расчеты верны, экструдер должен измельчать и при этом не ломаться. Риск был по меньшей мере оправдан: как «Париж стоит обедни», так и проверка «шальной» идеи стоит поломанного аппарата. Бьют же на полигоне под Дмитровом новенькие «Лады» и «Москвичи» — ради этих самых машин, ради новых технологических идей.

Нужно ли говорить о том, что на решающий эксперимент собралось множество заинтересованных лиц. Был очень напряженный момент во время пуска, когда вместо ожидаемого порошка из экструдера посыпалась полимерная стружка, а двигатель натужно загудел. Но после выхода на расчетный режим экструдер стал исправно выдавать порошок. Расход энергии при этом был не больше обычного.

Скептики были посрамлены

Конечно же, впоследствии в конструкцию экструдера были внесены некоторые изменения. Они сейчас запатентованы, и мы не будем раскрывать секреты. Изобретением заинтересовались иностранные фирмы, начались переговоры о продаже лицензий. Это естественно: драгоценные отходы резины и полимеров захламляют весь мир, эта проблема важна для всех.

Перспективы

Можно ли говорить о революции в технологии измельчения? Не слишком ли громко звучит? Попробуем трезво оценить перспективы.

Полагаем, что не зря начали эту статью с фрагментов фельетона про химиков из Балаково. Именно там на «Балаковорезинотехнике» в 1983 г. смонтирована первая промышленная установка экструзионного измельчения отходов резины. Многое еще предстоит сделать: помимо самого экструдера надо изготовить, опробовать, довести систему подготовки сырья и некоторые другие агрегаты. Но уже сейчас ясно, что новая технология эффективна и не так уж далек день, когда с городских свалок отходы резинового производства повезут назад на предприятия.

Опытную установку в НПО «Нор-пласт» уже посетили многие руководители промышленности и сельского хозяйства. Особо агитировать их за новую технологию не приходится. Достаточно показать и дать пощупать. У многих гостей немедленно появляются идеи, что еще можно попробовать размолоть и где переход на порошкообразное сырье может дать наибольший эффект. Ведь только отходов резины в нашей стране за год собирается около миллиона тонн. Резиновая «мука» пойдет для наполнения той же резины и пластмасс, для антикоррозионной защиты. А только для покрытия магистральных трубопроводов нам нужно 200 тысяч тонн полимеров в год.

Одна промышленная установка экструзионного измельчения на нынешнем уровне технического развития способна дать 3000 тонн материала в год. Затраты на ее создание должны окупаться за полгода. Вот и считайте, сколько нам нужно таких установок.

Откуда их взять? Ведь нужно по крайней мере удвоить существующий парк экструдеров.

Производство этих машин освоено отечественным машиностроением. Отличные машины производит ГДР. Нужно объединить усилия и быстрее обеспечить народное хозяйство этой техникой.

Новые повороты

Прошлой весной Николай Сергеевич пришел как-то в лабораторию с номером «Химии и жизни» в руках.

— Читали статью Патта про хлеб (см. «Химию и жизнь», 1982, № 1.)? — спросил он.
— Читали.
— Ну и как?
— Интересно.
— А задачу для экструзионной тех­нологии увидели?
— Какую?!
— А вот послушайте. — И рассказал о том, что увидел в популярной статье, прочел между строк и знал из других источников.

Высокопроизводительные валковые мельницы для зерна, которые мы, кстати, покупаем в Швейцарии у фирмы «Бюллер», утеряли свойство, присущее древним жерновам. Они не измельчают отруби — оболочку зерна. А в отрубях содержится масса витаминов, микроэлементов, клетчатки. Все это крайне необходимо человеческому организму.

— Но ведь выпускается диетический хлеб из отрубей? — заметил кто-то.
— Выпускается, но из отрубей грубого помола. А тонко измельчать их для добавки в обычный хлеб никто не умеет. Впрочем, я договорился с В.А. Паттом, и он будет пробовать нашу технологию. Я абсолютно уверен, что жернова, а я их видел в детстве в Нагорном Карабахе, работают по принципу «давление плюс сдвиг». Следовательно, наш экструдер может измельчить отруби до нужной кондиции...

Очень скоро после этого разговора сотрудники НИИ хлебопекарной промышленности и Института питания АМН СССР привезли в НПО «Норпласт» аккуратные буханочки «экструзионного» хлеба. Хлеба с тонко перемолотыми отрубями. Генеральный директор НПО «Норпласт» доктор технических наук В. В. Коврига первым преломил хлебец: «Деревней пахнет...»

Успех нового (старого!) хлеба был столь велик, что, когда Институт питания попросил время для дополнительных исследований его ценности, президент Академии наук СССР академик А. П. Александров написал на официаль­ной бумаге резолюцию, которую стоит привести полностью: «Тов. Ениколопову. Объясните товарищам, что такой хлеб ели на Руси 1000 лет и изучать тут нечего».

Институту химической физики все же было предписано подготовить доклад о традициях хлебопечения на Руси. К счастью, такой доклад любезно согласились написать в НИИ хлебопекарной промышленности...

Потребность нашей страны в таком хлебе составляет около 3 миллионов тонн в год. И опять тот же вопрос: сколько же надо экструдеров?!

Итак, резина, полимеры, отруби...

Что еще по силам новой технологии?

Раз удалось смолоть резину, то почему бы не попробовать молоть каучук? Порошкообразный каучук произвел бы революцию в технологии производства резиновых изделий.

Если измельчаются полимеры, то почему бы не пустить в дело отходы искусственной и натуральной кожи?

А почему бы не измельчать в экструдерах солому и заодно не проводить тут же, в экструдере, ее гидролиз до сахара? Из экструдера, таким образом, будут выходить полноценные корма.

А почему бы таким способом не по­лучать древесную муку? Современная технология ее производства находится на техническом уровне конца прошлого века.

А почему бы не измельчать в экструдере целлюлозу и тем самым не модернизировать микробиологическую промышленность? Таких «а почему бы» может быть еще много, но, видимо, пора поставить точку.