Вторичная переработка ПЭТФ: как сделать новую бутылку из старой

Использование вторичного ПЭТФ их отходов пластиковой тары очень выгодно. Из этого материала можно получать ценное химическое сырье, топливо, волокна и даже делать новые бутылки. По сравнению с производством из первичного сырья, выпуск бутылок из вторичного ПЭТФ экономит 60-65% энергии. Поэтому сегодня разработан целый ряд промышленных технологий, главной из которых остается механический метод.

Предыстория бутылок ПЭТ

Вторичная переработка бутылок из ПЭТФ началась уже вскоре после их широкого распространения на рынке. Так, компания St. Jude Polymers уже в 1976 г. стала перерабатывать использованные бутылки в пластиковую ленту и волосяные щетки, а уже в следующем году приступила к производству гранулированного ПЭТФ. Следующим важным событием стало начало переработки бутылочных отходов в волокно компанией Wellman. Волокно было пригодно для производства ковровых покрытий и волокнистого наполнителя.

С 1994 г. для коммерческого применения был предложен процесс переработки, обеспечивающий производство вторичного ПЭТФ, близкого по своим свойствам к первичному материалу. Этот процесс состоит из измельчения использованных бутылок, очистки дробленого материала и его переработки в гранулят. Уже в 1998 г. одно из подобных предприятий во французском Боне уже имело мощность до 30 тыс. т в год. Сегодня в Европе суммарные мощности по переработке ПЭТФ составляют 1384 тыс. т, так что они полностью не обеспечены сбором использованных бутылок – 1243 тыс. т в 2007 г. (Petcore).

Технологии переработки ПЭТФ

Существуют различные технологии, позволяющие перерабатывать ПЭТФ и получать из него как ценное химическое сырье, так и готовую продукцию. Технологический процесс термокаталитического расщепления (пиролиз) проводится при нормальном давлении и повышенной температуре и позволяет практически полностью перерабатывать вторичное сырье. Однако при этом важно следить, чтобы в смешанном сырье содержание ПВХ было минимальным: его присутствие негативно отражается как на качестве конечного продукта, так и на состоянии перерабатывающего оборудования. Для переработки вторичного ПЭТФ также используют гидролиз – расщепление материала в присутствии воды под действием высокой температуры и давления. Гликолиз проводится в присутствии этиленгликоля и специальных катализаторов, что позволяет получать дигликольтерефталат. Метанолиз – расщепление ПЭТФ с помощью метана – позволяет получать диметилтерефталат. Методы гликолиза и метанолиза иногда применяют в сочетании. Методы глубокой химической переработки приводят к выделению чистых материалов, однако, их полимеризация связана с большими расходами. Поэтому наиболее популярен механический метод, который предполагает получение конечных изделий прямо из расплава хлопьев ПЭТФ.

Механический метод

Данная технология включает несколько различных стадий, которые можно воспринимать практически как замкнутый процесс использования ПЭТФ-тары: сбор бутылок, сортировка, измельчение, очистка, переработка в гранулят и новые бутылки.

Сбор тары

Лидерами по сбору пластиковых бутылок являются развитые страны Запада, в которых, несмотря на все недостатки «потребительского общества» сложились и успешно функционируют системы вторичного оборота полимерной тары. Так, по данным Европейской организации по вторичной переработке ПЭТФ (Petcore), в 2007 г. в Европе для вторичного применения собиралось 40% всех использованных пластиковых бутылок.

Сортировка мусора

Сортировка пластиковых отходов и отделение посторонних включений полимерного и иного происхождения имеют первостепенное значение для всего производственного цикла. Проблему загрязнений можно рассмотреть на примере наиболее опасной полимерной примеси – ПВХ. В процессе совместной переработки ПЭТФ с ПВХ образуются кислоты, которые нарушают химическую и физическую структуру ПЭТФ, что приводит к появлению желтизны и делает материал ломким. В результате полученный вторичный материал оказывается непригодным для целого ряда применений. Негативное влияние примесей ПВХ может сказываться даже при очень небольшом содержании: всего 50 частей на миллион. Правда, существуют применения, в которых отклонение свойств материала в пределах определенной нормы вполне допустимо. Источники попадания ПВХ в ПЭТФ-сырье могут быть разными. Так, это могут быть бутылки из ПВХ, которые по внешнему виду напоминают ПЭТФ-тару. Кроме того, из ПВХ иногда изготавливают защитные пломбы, которые необходимо удалить при переработке. Также в некоторых случаях из ПВХ могут быть сделаны уплотнительные прокладки, а также этикетка. Кроме ПВХ и других пластмасс, с бутылочным ПЭТФ оказываются несовместимыми некоторые другие ПЭТФ-материалы. Из потока сырья необходимо исключить подозрительную тару, которая может быть изготовлена из них:

  • Лотки для разогрева в микроволновой печи. Эта упаковка изготавливается из кристаллического ПЭТФ, который отличается от бутылочного.
  • Многослойные ПЭТФ-контейнеры. Эта упаковка изготавливается с применением других материалов, например, EVOH, попадание которых может негативно отразиться на технических свойствах получаемого продукта.
  • Блистеры, стаканчики. Хотя они могут быть изготовлены из вполне подходящего материала, часто бывают случаи применения других полимеров, которые трудно отличить. Использованные ПЭТФ-бутылки обычно поступают в переработку в спрессованном виде. Для обеспечения качественной сортировки необходимо пропускать такие агломераты через шнеки, где бутылки разъединяются. Сортировка полимерного мусора может осуществляться как вручную, так и автоматически.

    Ручная сортировка

    Ручную сортировку производят соответствующим образом обученные сотрудники, выбирая упаковку с ленты транспортера. Сортировка бывает двух типов: позитивная и негативная. В первом случае с транспортера удаляют ПЭТФ-бутылки, чтобы направить их в переработку. В случае негативной сортировки из потока отходов удаляют посторонние материалы, оставляя ПЭТФ-тару. Практика показывает, что ручная сортировка является наиболее эффективной и обеспечивает наивысшее качество конечного продукта вторичной переработки. Трудности ручной сортировки связаны с тем, что на упаковке пока редко присутствуют обозначения, указывающие на состав при том, что упаковка из различного пластикового материала может быть внешне похожей.

    Повысить эффективность ручной сортировки может применение ультрафиолетовых ламп. Под действием УФ-излучения ПЭТФ начинает флуоресцировать голубоватым светом. Упаковка из ПВХ будет излучать желтый или зеленый цвет, что связано, однако, не с самим ПВХ, но с добавками, которые вызывают свечение. При использовании ультрафиолетового света ручная сортировка обеспечивает эффективность удаления ПВХ-упаковки на 99%. Однако данный метод подходит только для бесцветных материалов, а наличие пигмента сделает УФ-идентификацию невозможной. Кроме того, трудности возникают, если в состав упаковки вводятся добавки для поглощения ультрафиолетовых лучей (для розлива пива и других светочувствительных напитков). Образец такой упаковки светиться не будет. Применяя ручную сортировку, важно помнить, что здесь большое значение имеет концентрация человека. Считается оптимальным, чтобы смена такой работы длилась не более двух часов, после чего должны приходить новые операторы.

    Автоматическая сортировка

    Сортировка, выполняемая с помощью техники, является независимой от «человеческого фактора» и может производиться в стандартном безостановочном режиме. Автоматическая сортировка основана на применении сенсоров, получающих данные о физических и химических свойствах материалов. Существуют три основных типа сортировочных систем. Цветовая сортировка, основанная на использовании видимого света, разделяет мусор по цветам. Вторую группу составляют методы, основанные на пропускании через материал упаковки различного рода излучения, состояние которого после прохождения анализируется сенсорами с противоположной стороны. В качестве излучения используют видимый световой диапазон, инфракрасные лучи и рентгеновское излучение (может анализироваться как характер прохождения лучей, так и флуоресценция под их действием). Сортировочные системы могут быть рассчитана как на отделение отходов из одного материала («бинарные» системы), так и на сортировку различных полимеров, еще и окрашенных в различные цвета. Раньше всего появилось оборудование для разделения ПЭТФ и ПВХ, т.к. последний является самым «проблемным» материалом. Более современные системы позволяют сортировать пластики различных видов. Таким образом, эти установки могут использовать несколько технологий одновременно.

    Сортировка с помощью рентген-лучей

    Использование рентгеновских лучей считается самым надежным методом для удаления отходов из ПВХ в общем потоке смешанной пластиковой массы с преобладанием ПЭТФ. Этот тип излучения позволяет точно идентифицировать наличие атомов хлора, который имеется в ПВХ и отсутствует в ПЭТФ. Однако с помощью этого метода нельзя различать другие типы полимерных материалов. Имеется два типа систем, использующих рентгеновское излучение: основанные на анализе характера прохождения лучей и на флуоресценции материала под их действием. Если речь идет о методе прохождения, имеется устройство, излучающее свет и датчик, определяющий характеристики лучей, прошедших через материал. Большим преимуществом этого метода является то, что машина не делает ошибок из-за наличия на упаковке этикеток или загрязнения. Правда, если окажется, что две бутылки из разных материалов оказались слишком близко или склеились, то устройство удалит обе бутылки. Также проблема возникает, когда несколько бутылок окажутся настолько плотно утрамбованы, что излучение будет ослаблено. Если система не может идентифицировать такой материал, она настроена на его удаление. Чтобы избежать при этом потери ПЭТФ-материала, необходимо разделить склеившиеся бутылки вручную и вновь пропустить их через систему. Метод, основанный на принципе флуоресценции, предполагает, что датчик воспринимает излучение, отраженное от материала. Недостаток этой технологии проявляется, когда, например, бутылка из ПЭТФ загораживает бутылку из ПВХ. В этом случае датчик просто не заметит отходы из ПВХ и пропустит их дальше. Также бутылки из ПЭТФ не всегда правильно идентифицируются, если на них имеются этикетки или крышки. Во избежание «экранного» эффекта поступающий по транспортеру мусор должен быть подготовлен таким образом, чтобы каждый фрагмент мог быть «прочитан» индивидуально. Использование рентгеновского излучения предполагает применение систем защиты персонала во избежание негативных воздействий на здоровье людей.

    Инфракрасное распознавание

    Каждый пластик по-своему воспринимает действие инфракрасного излучения, что дает возможность распознавать широкий спектр полимеров, а также многослойные и композитные структуры. Сенсор считывает изменения излучение после того, как оно проходит через слой отходов упаковки. Однако если фрагменты из различных материалов оказываются спрессованы вместе, устройство не может давать адекватную информацию, что ведет к отсортировке сомнительного мусора. Также инфракрасные сенсоры могут сбиваться, если упаковка слишком сильно загрязнена. В результате устройство может «подумать», что упаковка окрашена или имеет матовую поверхность. Важным преимуществом метода инфракрасной идентификации является то, что он абсолютно безопасен для персонала и не требует применения защитных мер.

    Измельчение

    После сортировки пластиковых отходов производят измельчение (дробление, грануляцию). На первом этапе речь идет о подготовке сырья к более глубокой очистке: получаемые при этом крупные хлопья ПЭТФ удобны для освобождения от таких посторонних включений, как этикетка, останки продукта, клея и проч. Однако после очистки хлопья предстоит измельчить еще раз – чтобы они были пригодны для переработки в экструдере. Существует большое разнообразие оборудования для дробления полимеров, удаления дробленого материала и т п. Однако можно выделить несколько основных типов. Обычно каждая дробилка (гранулятор) имеет два набора режущих ножей. Один из них неподвижен, а второй насажен на вращающийся ротор. Роторные ножи направляются против неподвижных ножей, когда ПЭТФ-бутылки подаются в камеру резки. Когда фрагменты пластикового мусора достаточно измельчаются, они падают в отверстия просеивающего экрана, и попадают в систему удаления дробленого материала. Потоком воздуха от вентилятора измельченный материал направляется по трубе в циклон, откуда выгружается в ящики.

    Лучшим типом дробилок считаются устройства с открытыми роторами, действующими по принципу ножниц. Но эти дробилки могут эффективно работать, если нагрузка сырьем не превышает 1,5 т в час. Если требуется большая мощность, эти системы не подходят, и нужно использовать решетчатые дробилки и системы «мокрого» измельчения. При покупке оборудования необходимо убедиться, что дробилка и система удаления материала соответствуют плановым объемам, а также выяснить у поставщика, на какой тип сырья рассчитано это оборудование (утрамбованный мусор или цельные бутылки). В случае если мусор уплотнен, аппарат будет иметь значительно большую производительность.

    Очистка

    Полученные после дробления ПЭТФ-хлопья содержат различного рода нежелательные примеси: остатки этикетки, клея и проч. Для соответствующей подготовки сырье его необходимо очистить. Для этого разработаны сепараторы, основанные на различных принципах действия. В воздушном сепараторе материал подается сверху против воздушного потока. В результате более тяжелые ПЭТФ-хлопья падают на экран сепаратора, а легкие фрагменты уносятся потоком воздуха и оседают в специальном пылесборнике. Виброэкран сепаратора также позволяет очищать хлопья от более тяжелых примесей, которые проваливаются в емкость под экраном, в то время как основное сырье постепенно покидает рабочую зону. В жидкостном сепараторе используются различия в плотности и растворимости веществ. Хлопья ПЭТФ опускаются на наклонное дно, и шнек выгружает их на водоотделительный экран, сквозь который вместе с водой уходят как растворенные, так и нерастворимые загрязнения. Промывка осуществляется также во вращающемся перфорированном барабане. Для получения качественного конечного продукта сырье должно иметь определенные параметры влажности. Особенно это актуально для хлопьев, прошедших жидкую очистку. Их сушка производится в потоках горячего воздуха во вращающемся барабане. После очистки и сушки хлопья проходят вторую стадию измельчения, после которых они будут иметь оптимальные размеры.

    Переработка в гранулят

    В принципе, очищенные хлопья ПЭТФ сами по себе могут служить сырьем для получения конечной продукции. Однако если речь идет высоких о требованиях качества, как, например, при переработке в бутылочную тару, без стадии переработки в гранулят. При экструзии происходит дегазация, устранение летучих компонентов (например, ацетатальдегид) и фильтрация микроскопических загрязнений расплава. Более того, полученный гранулят отличается более высокой технологичностью (высокая вязкость, гомогенность и проч.), что значительно облегчает дальнейшие операции. При пропускании через экструдер к пластиковой массе добавляют пигмент и другие вещества, чтобы улучшить его свойства: термо- и светостабилизаторы, антиоксиданты, пластификаторы. Продуктом переработки вторичного сырья в экструдере, как правило, является агломерат. Гранулят является универсальным сырьем и может использоваться в оборудовании широкого спектра.

    Продукция из вторичного ПЭТФ

    Вторичный ПЭТФ не является по своим качествам идентичным первичному. Он обладает меньшей плотностью, худшими термо- и морозостойкостью, менее устойчив к растяжению и изгибу. Поэтому упаковочные решения, использующие в качестве сырья 100%-ый вторичный ПЭТФ являются скорее исключением из правила. С присутствием вторичного материала связано, например, снижение вязкости расплава, что осложняет процесс производства и негативно отражается на качестве конечного продукта. В ЕС использование вторичного ПЭТФ ограничено законодательством, запрещающим контакт этого материала с пищевым продуктом. Основные опасения вокруг вторичного ПЭТФ связаны с тем, что в общий поток отходов может попасть упаковка от продуктов бытовой химии или иных веществ, от которых непросто освободить материал и которые могут оказаться токсичными. Производители упаковки при этом вынуждены либо использовать ПЭТФ для выпуска тары для непродовольственных продуктов, или прибегать к технологии bottle-in-bottle, предполагающей, что содержимое будет контактировать со слоем материала, изготовленного из первичного ПЭТФ. Данный метод позволяет обеспечивать производство вторичным материалом на 80%. Помимо бутылочной тары, важным назначением для вторичного ПЭТФ является производство волокон, которые используются в самых различных изделиях: нетканые материалы, ковровые покрытия, штапельные материалы для одежды и спальных мешков и проч. Также вторичный ПЭТФ идет на изготовление лент, канатов, листов и т. д. Существуют и более экзотичные применения, как, например, полимерно-песчаная черепица, стеновые блоки, тротуарная плитка и другие, однако, к ним не стоит относиться серьезно, т. к. в конечном продукте оказываются невостребованными основные товарные качества ПЭТФ.