Металлургические методы переработки промышленных и бытовых отходов. Часть 2. Особые виды твёрдых бытовых отходов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ


№ 354

    МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ
Технологический университет




                МИСиС





  Кафедра руднотермичесих процессов


 О.В. Голубев
 П.И. Черноусов





 МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ
 МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ И
 БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
 Часть 2. Особые виды твердых бытовых отходов.

 Учебное пособие
  Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности Металлургия черных металлов и Металлургии техногенных и вторичных ресурсов




Москва Издательство «УЧЕБА» 2005

УДК 504.064 Г60



Рецензент
         Зав.сектором ФГУП «Гиредмет», канд. техн. наук Ю.А. Бирман




            Голубев О.В., Черноусов П.И.


Г60 Металлургические методы переработки промышленных и бытовых отходов: Ч. 2. Особые виды твердых бытовых отходов: Учеб. пособие. - М.: МИСиС, 2005. - 83 с.




         Среди различных видов твердых бытовых отходов (ТБО) особое место занимают виды, которые в силу своих физических, химических или иных свойств требуют особого подхода к их сбору и утилизации. К таким ТБО относятся отходы изделий из полимерных материалов (в первую очередь пластмасс), отработавшие свой срок автомобили и отходы лечебнопрофилактических учреждений (ЛПУ).
         Задача пособия состоит в формировании у студентов представлений о современных технологиях утилизации специфических видов ТБО, к которым относятся вышеперечисленные отходы.
         Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям «Металлургия чёрных металлов», «Металлургия техногенных и вторичных ресурсов», «Стандартизация и сертификация в металлургии», «Металлургия цветных металлов».















                                   © Московский государственный институт стали и сплавов (Технологический университет) (МИСиС), 2005

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Предисловие..................................................5
Введение.....................................................6
1. Пластмассы и другие полимеры, отходы их производства и потребления ............................................7
  1.1. Определения и классификация........................7
  1.2. Краткая история пластмасс........................ 10
    1.2.1. Рог...........................................11
    1.2.2. Шеллак........................................11
    1.2.3. Гуттаперча................................... 12
    1.2.4. Модифицированные природные материалы: каучук, целлулоид, казеин................................... 12
    1.2.5. Синтетические пластмассы..................... 13
  1.3. Стойкость и долговечность пластмасс ............. 15
  1.4. Некоторые специальные виды полимеров ............ 16
    1.4.1 Кремнийорганические полимеры (силиконы) ...... 16
    1.4.2 . Металлополимеры............................. 19
  1.5. Образование отходов пластических материалов...... 19
  1.6. Способы утилизации различных видов отходов пластмасс . 23
    1.6.1. Переработка отходов полиэтилена и полипропилена...28
    1.6.2. Поливинилхлорид.............................. 31
    1.6.3. Полистирол (пенопласт) ...................... 32
    1.6.4. Полиуретан (поролон)..........................33
    1.6.5. Методы переработки полиамидов.................33
    1.6.6. Установки для термического фракционирования ..34
    1.6.7. Биоразлагаемые полимеры (Biopol)..............35
  1.7. Утилизация отходов пластмасс в доменном производстве . 36
    1.7.1. Рециклинг пластмассовых отходов в доменном производстве Германии .............................. 38
    1.7.2. Рециклинг пластмассовых отходов в доменном производстве Японии................................. 40
2. Утилизация вышедших из эксплуатации автомобилей ..... 43
  2.1. Развитие и проблемы авторециклинга................43
  2.2. Европейский опыт авторециклинга ..................47
    2.2.1. Великобритания................................47
    2.2.2. Испания.......................................48
    2.2.3. Франция.......................................48
    2.2.5. Германия......................................49

3

  2.3. Авторециклинг с применением шреддинг-установок....50
  2.4. Промышленные опыты по утилизации шреддинг-пылей в доменных печах ........................................ 53
  2.5. Российский авторециклинг.............................56
    2.5.1. Авторециклинг в Москве.......................... 56
    Авторециклинг в Санкт-Петербурге....................... 58
3. Отходы лечебно-профилактических учреждений (лпу) ....... 62
  3.1. Морфологический состав и объемы накопления отходов ЛПУ.............................................. 63
  3.2. Опасность отходов ЛПУ............................... 67
    3.2.1. Эпидемиологическая опасность отходов ЛПУ.........67
    3.2.2. Токсикологическая опасность отходов ЛПУ......... 68
  3.3. Существующие классификации отходов ЛПУ.............. 69
  3.4. Методы обезвреживания медицинских отходов .......... 74
    3.4.1. Огневые методы переработки медицинских отходов . 75
    3.4.2. Пиролиз ........................................ 78
    3.4.3 Плазменный метод ................................ 79
    3.4.4. Автоклавирование ............................... 79
    3.4.5. СВЧ-облучение................................... 80
    3.4.6. Гамма-облучение ................................ 80
Библиографический список................................... 81

4

            ПРЕДИСЛОВИЕ


  Данное издание представляет собой вторую часть пособия по учебной дисциплине «Металлургические методы переработки промышленных и бытовых отходов» (всего 4 части). В тексте пособия студент может найти необходимые сведения о современных технологиях переработки некоторых видов твердых бытовых отходов (ТБО). Ранее с подобной информацией студенты могли кратко ознакомиться в курсах «Основы экологии» и «Экология металлургического производства». Вместе с тем для осознания важности проблем производственного и глобального рециклинга для современной цивилизации специалисты-технологи должны обладать информацией об отходах, объемы накопления которых наиболее значительны.
  В пособии рассматриваются свойства, объёмы образования и технологии утилизации специфических видов ТБО, к которым относятся отходы изделий из полимерных материалов (в первую очередь, пластмасс), отработавшие свой срок автомобили и отходы лечебнопрофилактических учреждений (ЛПУ). Среди способов утилизации вышеперечисленных видов ТБО ведущее место занимают термические, в том числе металлургические технологии, что обуславливает необходимость выделения их в отдельную группу при рассмотрении в данном курсе.

5

            ВВЕДЕНИЕ


   Объем накопления ТБО в России в последние пять лет превысил 150 млн м³, что совсем немного уступает объему или объему накопления отходов обогащения руд металлов (свыше 200 млн м³) образования отходов угледобычи (свыше 400 млн м³). С другой стороны, токсичность ТБО, содержащих тяжелые металлы, опасные химические соединения, бактерии и т.п., незначительно уступает отходам химической промышленности и биоэкотоксикантов.
   В пособии рассмотрены специфические ТБО: отходы лечебнопрофилактических учреждений, вышедшие из употребления изделия из полимерных материалов и отходы переработки отслуживших эксплуатационный срок автомобилей.
   Материал пособия представляет собой широкий обзор номенклатуры, существующих технологических решений по утилизации вышеперечисленных видов ТБО, в том числе с применением металлургических методов.

6

            1.  ПЛАСТМАССЫ И ДРУГИЕ ПОЛИМЕРЫ, ОТХОДЫ ИХ ПРОИЗВОДСТВА И ПОТРЕБЛЕНИЯ


            1.1. Определения и классификация


   Пластические массы (пластмассы, пластики) (от греч. «plastos» -пластичные) представляют собой полимерные материалы, формуемые в изделия в пластическом или вязкотекучем состоянии, как правило, при повышенной температуре и под давлением. Термин «пластические массы» появился в конце XIX в.
   Принято выделять природные, или биополимеры, и синтетические полимеры, получаемые методами полимеризации и поликонденсации. Соответственно, по виду исходного мономера пластмассы подразделяются на природные и искусственные.
   Помимо полимеров пластмассы содержат пластификаторы, стабилизаторы, пигменты, наполнители и специальные добавки.
   В зависимости от природы твердого наполнителя среди пластмасс различают асбопластики, боропластики, графитопласты, металлополимеры, органопластики, стеклопластики, углепластики. По форме твердого наполнителя выделяются следующие виды пластмасс (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Классификация пластмасс по форме твердого наполнителя

                                                           Содержание 
 Виды пластмасс         Форма твердого наполнителя          твердого  
                                                          наполнителя,
                                                           % (объем.) 
   Дисперсно-     Дисперсные частицы: сферические, иголь-             
   наполненные    чатые, чешуйчатые, пластинчатые         30.70       
  Армированные    Волокна в виде ткани, бумаги, жгута,    50.80       
                  лент, нитей и т.п., образующие прочную              
                  непрерывную фазу                                    
    Гибридные     Твердые наполнители различной природы   30.50       
(комбинированные)                                                     

* Основу пластмасс составляют полимеры (от греч. «poly» - много и «meros» - доля, часть) - вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся фрагментов (звеньев). Термин «полимер» введен Й.Я. Берцелиусом в 1833 г.


7

   Пластмассы, содержащие в качестве наполнителя газ или полые частицы, называют пенопластами, которые также подразделяются на дисперсно-наполненные, армированные и гибридные.
   Модифицирующие добавки вводят в пластмассы для регулирования состава, структуры и свойств полимерной фазы или границы раздела фаз «полимер-наполнитель» (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Модифицирующие добавки при производстве пластмасс

Виды модификаторов                      Цель ввода в пластмассы         
Растворители, разбавители и за- Регулирование вязкости на различных стагустители                       диях получения пластмасс                
Пластификаторы                  Снижение температур стеклования, текуче                                сти и хрупкости                         
Антиоксиданты и стабилизаторы   Повышение химической, термической и све                                тостойкости                             
Антипирены                      Снижение горючести                      
Пигменты (красители)            Окрашивание                             
Антистатики                     Снижение электризуемости                
Поверхностно-активные вещест-   Улучшение смачиваемости наполнителя и   
ва (ПАВ) и аппретирующие сред-  адгезионного взаимодействия полимер-    
ства                            наполнитель                             

   По типу полимерного компонента и характеру физических и химических превращений, протекающих в нем при получении пластмасс, их подразделяют на два принципиально различных класса: термопласты и реактопласты.
   Термопласты - пластмассы на основе линейных и разветвленных полимеров, обратимо переходящих при нагревании в пластическое или вязкотекучее состояние в результате плавления кристаллической или размягчения аморфной фазы. Основные виды термопластов приведены в табл. 1.3.

8

Таблица 1.3

Основные виды термопластов

Виды термопластов    Наиболее характерные      Наиболее важные свойства  
                        представители              и характеристики      
                  Полиэтилен, полипропи-     Низкие температуры плавле-  
                  лен, поливинилхлорид,      ния и размягчения, тепло- и 
                  полиметил-метакрилат,      термостойкость, низкая стои   Гибкоцепные    поливинилацеталь           мость                       
                                             Высокие температуры плав-   
                         Фторопласты         ления, химическая термо-    
                                             стойкость, антифрикцион-    
                                             ность                       
                                             Высокая термостойкость,     
                  Полиэфиры (пентапласт,     химическая пассивность, низ                  полисульфон, полиарилат    кая размягчаемость при на-  
  Гетероцепные    и др.), полиамиды, поли-   греве. Получают по техноло- 
                  ацетали (полиформальде-    гии, аналогичной порошковой 
                  гид), полиимиды, поли-     металлургии, в виде стекло- 
                  уретаны                    пластика или армированного  
                                             пластика                    
                  Полиметакрилаты, поли-     Эксплуатируются в стеклооб- 
  Ненаполненные   фениленоксиды, поли-       разном состоянии и обладают 
                  этилентерефталаты          высокой хрупкостью          
                  Полимеры с включения-      Обладают способностью са-   
                  ми мезогенных групп        моармироваться, высокая     
     Жидкие       (например, холестерил-     оптическая, электрическая и 
    кристаллы     миристата; 4,4| - азоксиа- магнитная активность        
                  низола; бензалгекса-n-                                 
                  гептоноата и пр.)                                      
                    Пенополистерол, пено-    Устойчивость к агрессивной  
                       поливинилхлорид       среде жидких топлив, щело-  
                                             чей, кислот (кроме HNO3),   
 Газонаполненные                             масел и органических раство                                             рителей, за исключением     
                                             ароматических углеводородов 
                                             и сложных эфиров            

   Реактопласты - пластмассы на основе жидких или твердых олигомеров (смол), переходящих при нагревании в вязкотекучее состояние и превращающихся в процессе отвердения в стеклообразные полимеры, необратимо теряющие способность переходить в вязкотекучее состояние. Реактопласты классифицируют по типу используемых при их получении реакционноспособных олигомеров (табл. 1.4) и виду применяемых наполнителей (табл. 1.5).

9

Таблица 1.4

Классификация реактопластов по типу реакционноспособности олигомеров

Виды реактопластов              Олигомеры основы             
Фенопласты         Феноло-формальдегидные смолы              
Аминопласты        Мочевино- и меламино-формальдегидные смолы
Эпоксипласты       Эпоксидные смолы                          
Эфиропласты        Акриловые олигомеры                       
Имидопласты        Олигоимиды                                

Таблица 1.5

Классификация реактопластов по виду наполнителей

  Виды реактопластов             Основные пластические материалы         
Дисперснонаполненные    Премиксы, пресс-порошки                          
Армированные (препреги) Волокиты, гетинакс, сотопласты, слоистые пластики
Г азонаполненные        Пенофенопласты, пенополиуретаны                  

   Основные преимущества реактопластов по сравнению с термопластами заключаются в возможности регулирования вязкости, смачивающей и пропитывающей способности связующего. Недостатки обусловлены экзотермическими эффектами, объемными усадками и выделением летучих веществ при отвердении и связанными с этим дефектностью, несбалансированностью форм и хрупкостью полученных изделий.
   Особым видом синтетических полимерных материалов являются эластомеры, способные растягиваться более чем на 200 % длины при комнатной температуре.
   Наконец, по виду составляющих их макромолекул пластмассы подразделяются на пластомеры (линейные цепи), дуромеры (структуры с высокой плотностью решетки), эластомеры (структуры с низкой плотностью решетки) и синтетическое волокно (сильно ориентированные цепные молекулы).


            1.2. Краткая история пластмасс


   Современную жизнь без пластмасс представить себе невозможно. Однако искусственные пластмассы не более столетия назад еще не существовали. Прообразом этих замечательных материалов являются вещества, которые принято сейчас называть природными пластмассами (полимерами). К ним принято относить рог, шеллак, гуттаперчу, каучук, целлулоид и казеин.

10

1.2.1.  Рог

   Рог является первым пластическим материалом, который люди научились обрабатывать во времена Древнего Мира. Известно, что более 2000 лет до н. э. древние египетские мастера изготавливали декоративную утварь и посуду, размягчая черепаховые панцири в горячем масле. Когда панцирь становился достаточно гибким, ему придавали желаемую форму. В средние века обычными предметами, изготовленными из рога, были ложки, расчески, пуговицы и фонарные стекла. Мастера, работавшие с рогом, назывались резчиками, что не совсем верно отражает существо их профессии. Вначале производили размягчение рога (наиболее часто использовали коровьи рога и копыта) путем кипячения в воде и вымачивания в щелочных растворах. Затем расслаивали рога по линии роста, получая тонкие полоски. Полоски объединялись вместе, помещались в формы и прессовались. При изготовлении пуговиц в формы забивался порошок из тонкоиз-мельченных рогов. Обработку рога сопровождал резкий, внушающий отвращение запах, возникавший при кипячении, проводимом для очищения рога от слизистой мембраны, находящейся на его внутренней поверхности.
   Именно уникальные эксплуатационные свойства рога наряду с тяжелейшими условиями его обработки вдохновляли на поиски его заменителей, в том числе и синтетических, что привело к появлению первых пластмасс и развитию современной пластмассовой индустрии.

1.2.2. Шеллак
   Шеллак (от гол. «shellak»- смола, выделяемая тропическими насекомыми из семейства лаковых червецов, обитающего в Индии и Восточной Азии. В Европе она стала известна после путешествия Марко Поло. Широкое использование шеллака началось после того, как в середине XIX в. в США научились добавлять в него (в чистом виде он представляет собой вещество хрупкое и ломкое) соединения, повышающие его прочность. «Шеллаковый бизнес» был основан в 1862 г.: из него изготавливали пуговицы, ручки, электроизоляторы. Наибольшее развитие шеллаковое производство получило после изобретения фонографа, фонограммы для которого, а впоследствии и пластинки для проигрывателей до 1930-х годов изготавливались именно из этого материала.


11

1.2.3. Гуттаперча
   Гуттаперча - природный полимер (от англ. «guttapercha»), твердый кожеподобный продукт коагуляции латекса гуттаперченосных растений содержит до 90 % гутты природного полиизопрена, а также смолы, белки и влагу. Гуттаперчевые деревья произрастают на полуострове Малайзия. «Гуттаперчевая компания» была основана в 1843 г. Вильямом Монтгомери. Гуттаперча водонепроницаема, при нагреве вытягивается в длинные полосы и приобретает свойства резины. Устойчивость к химическим воздействиям сделала ее прекрасным материалом для электроизоляции. Гуттаперчей были защищены электрические кабели, проложенные через пролив Ла-Манш (от Дувра до Кале), вдоль реки Гудзон; первый трансатлантический кабель, проложенный в 1866 г. Гуттаперча оставалась непревзойденным изолирующим материалом вплоть до изобретения синтетических пластмасс в 30-х гг. прошлого века.

1.2.4. Модифицированные природные материалы: каучук, целлулоид, казеин
   Модифицированные природные материалы становятся пригодными для производства после предварительной химической обработки. Одним из первых в истории человечества модифицированным природным полимером был каучук.
   Природный (натуральный) каучук (1,4-цисполиизопрен - [-СН₂С(СН₃)=СНСН2-]П) - материал, получаемый путем коагуляции кислотами (уксусной, муравьиной и др.) натурального латекса. Природный латекс - белый вязкий сок растений типа молочая или Hevea brasilienis (каучуконосов), произрастающих в Индии, Китае и Юго-Восточной Азии. Продукт коагуляции - коагулюм - сушат, измельчают и брикетируют.
   При последующем приготовлении резиновых смесей используют серные и изоцианатные ингредиенты, после чего производится вулканизация каучука, которая заключается в его термообработке совместно с порошком серы (или ее заменителей). В последнее время получила развитие «холодная» вулканизация при температуре около 20 ⁰С.
   Широкое применение каучуков началось после изобретения в 1823 г. на их основе Чарльзом Макинтошем водонепроницаемой одежды. Процесс вулканизации предложил в 1839 г. Чарльз Гудеар. Он же изобрел эбонит - жесткий каучук, получаемый при добавлении в резиновые смеси больших количеств серы - до 50 % (масс.).


12