Состав и структура полимерсодержащих отходов ОАО «Белцветмет»

УДК 678.024

О. И. Карпович, М. М. Ревяко, Е. З. Хрол, А. В. Дубина

Белорусский государственный технологический университет

СОСТАВ И СТРУКТУРА ПОЛИМЕРСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ

ОАО «БЕЛЦВЕТМЕТ»

Определены состав и параметры структуры полимерсодержащих отходов, образующихся в ОАО «Белцветмет» в результате механической разделки отработавших автомобильных аккумуляторных батарей. Установлено, что отходы характеризуются значительной неоднородностью по составу и размерам. Получены данные о количестве компонентов, входящих в состав отходов, и массовом содержании этих компонентов. Для идентификации компонентов использовали методы ИК-спектроскопии и дифференциально-сканирующей калориметрии. На основании массового содержания компонентов установлена возможность использования отходов для изготовления композиционных материалов в качестве связующего и наполнителя. Определен гранулометрический состав отходов до и после измельчения на фрезерной дробилке. Установлены насыпная плотность и влагосодержание измельченных отходов. Показана необходимость измельчения и сушки отходов перед переработкой в изделия.

Ключевые слова: полимерсодержащие отходы, аккумуляторные батареи, состав, структура, гранулометрический состав, насыпная плотность, влагосодержание.

O. I. Karpovich, M. M. Revyako, E. Z. Khrol, A. V. Dubina

Belarusian State Technological University

COMPOSITION AND STRUCTURE POLYMER WASTE ОАО "BELTSVETMET"

Composition and structure parameters of polymer waste generated in corporation "Beltsvetmet" resulting from the processing of automotive batteries were determined. It has been established that the waste characterized by considerable heterogeneity in composition and size. Data were obtained on the number and weight of components that are part of the waste. To identify the components have been used by IR spectroscopy and differential scanning calorimetry. On the basis of the mass of components has been found possible use for the manufacture of composite waste material as a binder and a filler. Was determined by grading the waste before and after grinding mill for milling. Were determined bulk density and moisture content of the crushed waste. Was shown the need for grinding and drying before processing waste into products.

Key words: polymer waste, batteries, structure, composition, particle size distribution, bulk density, moisture content.

Введение. В последние годы для Республики Беларусь становится все более актуальной проблема утилизации промышленных и бытовых отходов, содержащих термопластичные полимеры. Это обусловлено увеличением объемов полимерных отходов, а также растущими ценами на полимерные материалы. Так, за последние 5 лет стоимость термопластичных полимеров крупнотоннажного производства на мировом рынке возросла в 2,0-2,5 раза. Повысились и цены на вторичные материалы.

Одно из основных направлений государственной политики Республики Беларусь относительно вопросов экологической безопасности - развитие технологий переработки отходов. В нашей стране имеются отрасли экономики, заинтересованные в расширении промышленного использования вторичных полимерных материалов. В изделия перерабатывается лишь незначительная часть отходов, в первую очередь - промышленные и достаточно однород-

ные отходы, имеющие известные и вполне стабильные технологические и эксплуатационные свойства. В то же время большая часть некондиционных полимерных отходов - смешанных промышленных и бытовых - не используется, но может стать дешевым сырьем для изделий неответственного назначения и найти применение, в частности в строительстве, в сельском и коммунальном хозяйстве. Однако переработка смешанных некондиционных полимерных отходов сопряжена с повышенными трудо- и энергозатратами, увеличивающими себестоимость изделий и снижающими их конкурентоспособность [1].

Так, одним из перспективных экологических проектов, реализованных в ОАО «Белцветмет», является переработка отработавших автомобильных аккумуляторных батарей. В конце 2009 г. для этой цели было введено в строй современное оборудование, на котором аккумуляторы разделываются не вручную,

а механическим способом на составляющие фракции. На переработку принимают батареи вместе с электролитом, который собирается на всех стадиях производства. При переработке батарей образуются также смешанные полимерные отходы, которые пока не находят применения. На данный момент существует значительное количество производителей аккумуляторных батарей, которые используют для их изготовления различные полимерные материалы [2]. Это приводит к тому, что состав образующихся на предприятии отходов существенно неоднороден. Для оценки возможности переработки таких отходов в изделия необходимы, прежде всего, сведения об их составе и структуре, которые на данный момент отсутствуют.

Цель работы - определение состава и структуры полимерсодержащих отходов, образующихся в результате разделки отработавших автомобильных аккумуляторных батарей в ОАО «Белцветмет».

Основная часть. Исследованы отходы двух типов, предоставленные ОАО «Белцветмет»:

1) отходы, которые образуются в результате разделки корпусов аккумуляторных батарей (далее КАБ);

2) полимерсодержащие отходы, которые образуются в результате разделки внутренней части аккумуляторных батарей (далее ПОАБ).

Отходы КАБ (рис. 1) визуально представляют собой преимущественно цветные куски пластика, характеризующиеся значительной неоднородностью по размерам и форме (от 2 до 17 см). Отходы в незначительном количестве также содержат полимерную пленку, полимерные жгуты и нити, резину, древесину, полимерные этикетки, стеклянный войлок.

Рис. 1. Общий вид отходов КАБ

Отходы ПОАБ (рис. 2) визуально представляют собой преимущественно отрезки темно-серой пленки, характеризующиеся значительной неоднородностью по размерам (длина от 2 мм до 30 см, ширина от 2 мм до 4 см). Встречаются также достаточно крупные (до 3 см) куски эбонита, куски пластика, полимерная пленка, полимерные жгуты и нити, полимерные этикетки, свинец, стеклянный войлок, резина.

Рис. 2. Общий вид отходов ПОАБ

Значительная неоднородность исходных отходов КАБ (табл. 1) и ПОАБ по размерам, наличие крупных частиц обуславливает необходимость их измельчения перед использованием в процессах формообразования изделий.

Для исследования состава и структуры исходных отходов КАБ и ПОАБ навески отходов (не менее 5 кг) вручную разделяли на отдельные компоненты. Идентифицировали компоненты методом ИК-спектроскопии на ИК-Фурье спектрометре NEXUS E.S.P. (Thermo Scientific, США) по плотности, температуре плавления, по поведению при воздействии открытого пламени. Температуру плавления для термопластичных компонентов определяли по методу дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК) на термоаналитической системе TGA/DSC-1/1600 HF (METTLER TOLEDO Instruments, Швейцария), а также используя прибор для определения показателя текучести расплава ИИРТ-А. Содержание компонентов в навесках отходов определяли путем их взвешивания на лабораторных весах с точностью до 0,1 г.

Плотность отходов КАБ и ПОАБ определяли методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 15139-69. В качестве рабочей жидкости использовали спирт этиловый.

Таблица 1

Гранулометрический состав исходных отходов КАБ

Эквивалентный размер частиц d3VE, мм До 15,6 От 15,6 до 21,2 От 21,2 до 26,7 От 26,7 до 33,7 Более 33,7 Отходы в виде пленки

Содержание фракции, % 4,9 18,8 15,9 37,3 22,0 1,1

Высокое влагосодержание в полимерных материалах может приводить к ухудшению физико-механических и эксплуатационных свойств. Перед переработкой таких материалов в изделия следует определить необходимость сушки и предпочтительный режим сушки. Влагосодержание отходов КАБ и ПОАБ определяли высушиванием до постоянной массы при температуре (105 ± 2)°С.

Для контроля равномерности структуры материалов различных партий, а также для расчета заполняемого объема оснастки и бункеров машин, применяемых для переработки в изделия, необходим показатель насыпной плотности, который определяли по ГОСТ 11035.1-93 как отношение массы материала к его объему.

Исходные отходы КАБ и ПОАБ измельчали на дробилке БЗС 0090 М производства ЗАО «Атлант». Гранулометрический состав измельченных отходов определяли методом ситового анализа на ситовом анализаторе Вибростенд ПЭ-6700.

Массовое содержание компонентов в составе отходов КАБ приведено в табл. 2. В составе отходов КАБ больше всего (более 90%) содержится полипропилена. Согласно источнику [2], для изготовления корпусов аккумуляторных батарей чаще всего используют полипропилен, реже АБС-пластик. Всего плавких (термопластичных) компонентов в составе КАБ более 97%, неплавких менее 3%. Таких материалов, как резина, древесина, стекловолокно, полиэтилен высокого давления, поливинилхлорид, содержится менее 1%.

Таблица 2 Массовое содержание компонентов в составе отходов КАБ

Массовое содержание компонентов в составе отходов ПОАБ приведено в табл. 3. В составе отходов ПОАБ больше всего (около 80%) содержится сшитого полиэтилена высокого давления, который при переработке не плавится. Всего неплавких компонентов в составе ПОАБ около 90%, плавких (термопластичных) около 10%. Это свидетельствует о том, что данные отходы можно использовать только как наполнитель. Таких материалов, как резина, стекловолокно, полиэтилен высокого давления, находится менее 1%. Также в составе ПОАБ содержится свинец в количестве до 1%.

Таблица 3 Массовое содержание компонентов в составе отходов ПОАБ

Материал Массовое содержание, %

Сшитый полиэтилен высокого

давления 78,3

Эбонит 9,9

Поливинилхлорид 6,4

АБС-пластик 3,1

Полипропилен 1,0

Свинец 0,7

Стекловолокно 0,4

Полиэтилен высокого давления 0,1

Резина 0,1

Гранулометрический состав отходов КАБ и ПОАБ после измельчения в дробилке представлен в табл. 4. Видно, что максимальные размеры частиц отходов после дробления не превышают 10 мм. Размеры наибольшего количества частиц лежат в пределах 2-5 мм. Частицы (гранулы) таких размеров чаще всего используются в процессах переработки полимерных материалов.

Средняя плотность измельченных отходов КАБ составляет 0,88 г/см3, средняя плотность измельченных отходов ПОАБ - 1,38 г/см3. Значение показателя насыпной плотности для измельченных отходов КАБ составляет 0,28 г/см3, для измельченных отходов ПОАБ - 0,18 г/см3.

Влагосодержание измельченных отходов КАБ составило 0,25%, для отходов ПОАБ -1,25%. Полученные данные превышают допустимое содержание влаги в полипропилене, равное 0,1%, что свидетельствует о необходимости сушки материала перед вторичной переработкой.

Материал Массовое содержание, %

Полипропилен 91,8

АБС-пластик 5,8

Сшитый полиэтилен высокого давления 1,7

Резина 0,5

Древесина 0,2

Стекловолокно 0,02

Полиэтилен высокого давления 0,02

Поливинилхлорид 0,01

Таблица 4

Гранулометрический состав измельченных отходов КАБ и ПОАБ

Эквивалентный размер частиц ^экв, мм Менее 0,63 От 0,63 до 1,1 От 1,1 до 2,0 От 2,0 до 5,0 От 5,0 до 10,0

Содержание фракции для отходов КАБ, % 2,4 1,6 11,0 81,1 3,1

Содержание фракции для отходов ПОАБ, % 8,1 3,8 19,4 51,6 17,1

Заключение. Исследованы состав и струк- в их составе больше всего термопластичных

тура полимерсодержащих отходов, предостав- компонентов, а отходы ПОАБ - в качестве

ленных ОАО «Белцветмет». Отходы характери- наполнителя, так как в их составе больше всего

зуются значительной неоднородностью по со- неплавких компонентов.

ставу и размерам. В них входят полимерные Для переработки в изделия из-за значитель-

куски, полимерная пленка, полимерные жгуты ной неоднородности частиц исходных отходов

и нити, резина, древесина, полимерные этикет- по размерам их необходимо дробить и сушить. ки, стеклянный войлок, эбонит, свинец. При Полученные данные можно использовать

изготовлении изделий отходы КАБ можно ис- для проектирования технологических процес-

пользовать как полимерное связующее, так как сов переработки полимерсодержащих отходов.

Литература

1. Формование изделий из некондиционных отходов термопластов / Ставров В. П. [и др.] // Ре-сурсо- и энергосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные технологии: материалы Междунар. науч.-техн. конф., Минск, 24-26 нояб. 2010 г.: в 2 ч. Минск: БГТУ, 2010. Ч. 1. С. 22-25.

2. Хрусталев Д. А. Аккумуляторы. М.: Изумруд, 2003. 224 с.

References

1. Stavrov V. P., Karpovich O. I., Kalinka A. N., Gavris S. V. [Molding with substandard waste thermoplastics] . Materialy Mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii (Resurso- i energosberega-yushchiye tekhnologii i oborudovaniye, ecologicheski bezopasnyye tekhnologii) [Materials of the International Scientific and Technical Conference (Resource and energy saving technologies and equipment, environmentally friendly technologies)]. Minsk, 2010, pp. 22-25 (in Russian).

2. Khrustalev D. A. Akkumulyatory [Batteries]. Moscow, Izumrud Publ., 2003. 224 p.

Информация об авторах

Карпович Олег Иосифович - кандидат технических наук, доцент кафедры механики материалов и конструкций. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: karpovich@belstu.by

Ревяко Михаил Михайлович - доктор технических наук, профессор кафедры технологии нефтехимического синтеза и переработки полимерных материалов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: tnsippm@belstu.by

Хрол Евгений Зенонович - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры технологии нефтехимического синтеза и переработки полимерных материалов. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: tnsippm@belstu.by

Дубина Антон Владимирович - магистрант кафедры механики материалов и конструкций. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: 7065667@gmail.com

Information about the authors

Karpovich Oleg Iosifovich - Ph. D. Engineering, associate professor, Department of Mechanics of Materials and Constructions. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: karpovich@belstu.by

Revyako Mikhail Mikhaylovich - Ph. D. Engineering, professor, Department of Technology of Petrochemical Synthesis and Polymer Materials Processing. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: tnsippm@belstu.by

Khrol Evgeniy Zenonovich - Ph. D. Engineering, senior lecturer, Department of Technology of Petrochemical Synthesis and Polymer Materials Processing. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: tnsippm@belstu.by

Dubina Anton Vladimirovich - undergraduate student, Department of Mechanics of Materials and Constructions. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: 7065667@gmail.com

Поступила 19.02.2015