Рециклиране на смесени пластмасови отпадъци

Пластмасите са все по-широко използвани, а високата им устойчивост на разграждане ги прави едни от най-опасните замърсители. Редица нови решения откриха възможности за преодоляване на тези трудности. Има технологии както за разделяне на многобройните видове пластмаси за получаване на нови продукти от същите чисти материали, така и за рециклиране на смесени, дори и замърсени пластмаси в екологични алтернативи на конвенционални материали.

Пластмасите представляват дълги високомолекулни въглеродни вериги, наречени полимери, които са синтезирани основно от нефт и природен газ. Ако пластмасите се състояха от един вид полимер, рециклирането им щеше да е много опростено. Суровината щеше да е готова за повторно използване само след почистване и нарязване. В действителност обаче полимерите са хиляди. В тях участват различни добавъчни вещества, които формират разнотипни връзки във веригите и така формират различни материали.

Най-често използвани видове пластмаси
Пластмасите са два основни класа – термопластични и термоустойчиви. Термопластичните пластмаси при нагряване омекват, а при охлаждане се втвърдяват. Тук се отнасят поливинилхлорид (PVC) във вид на туби, тръби, дограми, тапети, балатуми; полиетилентерефталат (PET) - бутилки за напитки и опаковки за хранителни продукти; поливинилиденхлорид (PVDC) - опаковки за храни; полиетилен висока плътност (HDPE) – бутилки, тръби, играчки; полиетилен ниска плътност (LDPE) – стреч фолио, торби, бутилки; полипропилен (PP) – бутилки, туби, каси, капачки, чаши, сламки за пиене; полиетилен (PE) – пликове за пазаруване; полистирен (PS) – стиропорени чаши, чинии и опаковки; полипропиленсулфид (PPS) – помпи, хирургически уреди; кополимери за медицински приложения и други.

Термоустойчивите пластмаси не се разтопяват от топлина, те са втвърдени с химични втвърдители. В тази група се отнасят: полиуретан (PUR) – бои, мазилки, хидро- и топлоизолации в строителството, подметки за обувки; епоксидни смоли – адхезиви и електрически компоненти; фенолати - автоматични части и циркулиращи механизми. Много разпространени са и композитните материали, като например съчетания на пластмаси и метали за композитни панели в строителството, както и композитни автомобилни джанти на полиамидна основа и композити за стоматологията. Това са само част от голямото разнообразие пластмаси.

Смесено рециклиране за получаване на иновативни материали
Надали бихме се сетили за сфера от съвременния живот, в която пластмасите да не се използват в многобройните си разновидности. Затова те са значителна част от ежедневно изхвърляните битови и промишлени отпадъци. Когато обаче пластмасовите отпадъци са смесени, а освен това са и замърсени, например с храна, лепила, хартия, метали и други, рециклираният материал вече ще има съвсем нови качества, които ще варират според суровината. В конвенционалното рециклиране това смесване дълго се отхвърляше, тъй като не позволява да се възстановят чисти потоци от отделните видове пластмаси. Това прави невъзможно рецилкирането на отпадъците в същите продукти, от които са дошли. Получава се смесен материал с не така ценни качества. Това обаче не винаги е така. Вече има алтернативни рециклиращи технологии, които обработват различни видове пластмаси заедно, при това и с други примеси, като се получават напълно нови продукти, които могат да имат ценни качества и да заместват традиционните материали.

Пример за това е производството на компания 2К Manufacturing в Лутън, Англия, в което смесени пластмаси се рециклират в композитни плочи, наречени EcoSheet. Те струват почти колкото шперплат и се използват в много приложения като направа на рекламни съоръжения и кофражи за бетон, но имат редица предимства – не се разцепват, устойчиви са на атмосферни влияния, не гният, нямат нужда от защитни покрития и имат дълъг експлоатационен срок. За разлика от плочите шперплат, които често се оказват на депото, тъй като имат лепила, консервиращи покрития и пирони, новите композитни плочи се рециклират в същия материал, дори да са боядисани или пълни с пирони.

Производственият процес използва форма на капсулиране, при което смелените на прахообразни люспи смесени пластмасови отпадъци се разстилат на отделни полимерни пластове един над друг и се слепват. Това е процес на синтероване, т.е. нанасяне на праховите частици в слой и загряване точно под точката им на топене, за да се слепнат с основата и помежду си. След като материалът се охлади и втвърди, той придобива механична якост от своята композитна структура.

Този процес дава възможност новите плоскости да се произведат на 100% от нисък клас смесени отпадъчни пластмаси - материали, които е изключително трудно да се рециклират и затова иначе често се депонират или изгарят. Не се използват никакви нови материали и природни ресурси. Липсва замърсяване, а рециклирането на плочите осигурява затваряне на целия цикъл. Технологията е носител на бизнес и екологични награди, тъй като показва революционен подход към управлението на британските пластмасови отпадъци и производството на иновативни строителни материали.

Техники на сортиране на смесения поток
Всеки полимер има уникални химични и физични свойства, приложения и възможности за рециклиране. За да разберем по-добре различната степен на рециклиране на различни пластмаси и сложността на рециклиране на смеси, трябва да имаме предвид, че различните полимери може да не са съвместими помежду си, защото разнородните им молекулярни структури могат да се отблъскват. Полимерните смеси могат също да доведат до влошаване на механичните характеристики на пластмасовите продукти, ако не са подбрани правилно.

Молекулите, които изграждат различни полимерни смоли имат различни размери и химически състав. Например, PVC съдържа хлор, докато HDPE и LDPE съдържат само въглерод и водород. Пластмасите освен това имат добавки, които забавят горенето, правят материалите по-гъвкави или устойчиви на UV лъчи. Всички тези фактори правят трудно получаването на хомогенна смес, от която да се изработи пластмаса с единни механични свойства. Когато полимерите се разделят, могат да се рециклират в същите продукти, от които са дошли отпадъците, а освен това рециклирането е по-евтино и не така сложно. Ето защо пластмаси, които по принцип се разделят по-лесно, като PET и HDPE, имат по-високи нива на рециклиране. Важно е процесът на сортиране да бъде добре регулиран, за да гарантира получаване на чиста суровина.

Въпреки че сортирането е стъпка в процеса на рециклиране, която има най-голямо въздействие върху качествата на продукта, то все още трудно се автоматизира и е трудоемко, което обяснява защо пластмасите имат ниски нива на рециклиране – около 20-28% от отпадъчните опаковки в ЕС се рециклират механично и 0.45% се рециклират до изходна суровина, докато депонирането е над 40%, а енергийното оползотворяване – около 30%. Сортирането може да бъде направено чрез механични или физични методи. Сортирането чрез механични методи изискват пластмасата първо да се шредира и след това да се измие. Механичните технологии включват една или повече техники, които използват разликите в химичните съединения или в качествата на всеки полимер. Например, един от процесите, наречен „изплуване-потъване”, сортира пластмасите по плътност. При него шредираните и измити пластмасови отпадъци се поставят в сепаратори с вода. Така по-плътните видове потъват, а по-леките изплуват. Въпреки това, някои пластмаси, като PET и PVC, имат сходна плътност, така че е необходимо допълнително механично третиране за пълно отделяне.

Една възможна техника използва рентгенова флуоресценция за откриване на хлорни атоми в проба, което позволява отделяне от сместа на видове полимери със сходен брой хлорни атоми. Друга техника е инфрачервено сортиране, което изисква пластмасовите парчета да бъдат изложени на инфрачервена светлина. Това предизвиква пластмасовите отпадъци да излъчват светлина с определена дължина на вълната, уникална за техния химически състав, което позволява разделяне на различните компоненти по вид полимер.

Тези механични методи за сортиране обаче не винаги работят. Оцветяване, лепила, остатъци и добавки, прилагани при производството на пластмаси, могат да повлияят на процеса на механично сортиране. Алтернативата е физическо сортиране, което понякога може да бъде по-икономично от механичните методи. В този случай, пластмасовите отпадъци се движат на транспортна лента, а оператори ги разделят въз основа на форма и цвят. Недостатъкът на тази процедура е, че е много трудоемка и са възможни човешки грешки, които да нарушат чистотата и качествата на продуктите от рециклирана пластмаса. Тъй като трудностите в процеса на сортиране са една от основните причини за ниските проценти на рециклиране на пластмаса, вече са разработени нови технологии, които подобряват или премахват тази стъпка.

Селективното разтваряне премахва необходимостта от сортиране
Един телефон може да има много малки части, състоящи се от дузина различни видове и цветове пластмаси. В случаи като този може да се установи, че ресурсите, които ще се вложат за отделяне и сортиране на пластмасите, далеч надхвърлят стойността им и елементите се изхвърлят. За да не отидат за депониране, за тях има друга нова възможност за рециклиране.

Като използват различните физични и химични свойства на полимерите, нови процеси елиминират етапа на сортиране. Една такава технология разчита на процес, известен като селективно разтваряне. Това е по-сложна стъпка в сравнение с конвенционалното рециклиране. По принцип този процес започва като смесените пластмаси се раздробяват, промиват се и се изсушават. След това попадат в реактор с разтворител ксилен, където при 150°С полистиролът се разтваря и изтича през филтър, за да се раздели от разтворителя и да отиде в резервоар за съхранение.

После се добавя още ксилен и температурата се повишава до разтваряне на следващия полимер. Процесът се повтаря, докато в сместа от целия микс останат само PET и PVC. Тези пластмаси след това се преместват в по-малък реактор за разтваряне за по-добро смесване и процесът се повтаря с разтворител ксилен-циклохексанон и по-висока температура. Всички отделени полимери се съхраняват в отделни резервоари, като преди това се обработват за отделяне на разтворителя и за освобождаването на пари. Чистите полимерни смоли могат да бъдат нарязани на пелети и транспортирани до преработвателните предприятия, за да бъдат направени нови продукти.

Сравнението между тази технология и физическото сортиране показва, че процесът на селективно разтваряне включва повече технологични нива и оборудването е по-сложно. Въпреки това, тази техника е доказала, че с нея се получава рециклирана пластмаса, която се конкурира икономически с първични пластмаси, като по този начин осигурява стимул за увеличаване нива на рециклиране.

Биоразградими пластмаси – още едно решение за смесено рециклиране
Изграждането на нови материали като биоразградими полимери може да бъде дългосрочно решение за премахване на пластмасите от депата, тъй като те могат да се рециклират смесено и по по-лесен начин. Биоразградимите полимери, както подсказва името им, могат се разграждат с помощта на микроорганизми.

Биоразградими полимери или BPs (biodegradable polymers), могат да бъдат направени от различни материали, като например нишесте, целулоза и полиестери. Биополимери от нишесте и целулоза се произвеждат от растения, извличат се от тях и се смесват със синтетични полимери до получаване на биоразградими полимери. Чрез вариране на количествата нишесте, целулоза и синтетични полимери в сместа, могат да се постигнат различни свойства на пластмасите. След производство биоразргадимите пластмаси могат да се използват за много приложения, като например за опаковъчна пяна, дръжки за четки за зъби, самозалепващи се ленти, съдове и други.

След употреба, при достигане до общинските центрове за отпадъци, могат да бъдат изпратени на места за компостиране на биологични отпадъци, където ще бъдат разградени от микроорганизми до въглероден диоксид, вода, биомаса и хумусни вещества, всички от които служат като хранителни вещества за растенията. С добавянето на слънчева светлина, растенията могат да растат и произвеждат друга партида ресурс за биоразградими полимери, като цикълът се затваря и повтаря.

Друг начин да се създадат биоразградими полимери е производството на полиестери от бактериална ферментация на захари и липиди, извлечени от растения. Има пет вида полиестери – PHA (полихидрокси-алканоат), пулулан и ксантан се отделят директно, докато PLA (полимлечна киселина) и ТРА (терефталова киселина) се екстрахират след ферментация. Тези биоразградими полимери могат да бъдат модифицирани със синтетични или естествени полимери като нишесте и целулоза, за да се направят нови материали, например опаковки за шампоани, влакна, торби за боклук, прибори за хранене. BPs осигуряват дългосрочно решение за замяна на опасните неразградими пластмаси, които често попадат в депата, задържат се там стотици години и отделят потенциално опасни вещества в инфилтрата, като по този начин могат да застрашат здравето на хората и да окажат вредно въздействие на околната среда.

Развитие в бъдещето
Пластмасите са твърде важни, за да бъдат елиминирани като потребителски продукти, но тяхното депониране е проблем за околната среда, който не може да бъде пренебрегван. Текущите нива на рециклиране на пластмаси са много ниски, поради трудността при разделянето на различните полимери. Нови методи за рециклиране на смесени пластмаси елиминират нуждата от етапа на сортиране чрез използване на химичните свойства на всеки полимер. Въпреки това, този процес все още се нуждае от много енергия и използването на химически разтворители.

Ето защо, по-дългосрочно решение има за цел да замени сегашните пластмаси с биоразградими полимери, които могат да се компостират смесено с други органични отпадъци. Новите материали от този тип ще спрат изтичане на опасни вещества в инфилтрата от депата и ще елиминират отделяне на опасни токсини като диоксини и фурани от изгарянето. Чрез развитие на процесите, учени и инженери предлагат получаване на нови различни видове пластмаси, които няма нужда да бъдат сортирани, за да се рециклират. С повишаване на осведомеността на потребителите, развитие на производствените процеси и правителствени стимули, тези технологии имат потенциала да създадат по-устойчив начин на живот и по-здравословна околна среда.