Как перерабатывается пластик

13 Jan 2022

Что такое механический, химический и термический ресайклинг и смогут ли они дать отходам из пластмассы вторую жизнь
Человечество производит около 300 млн тонн полимерных отходов в год; к 2050 году их суммарный объем на планете достигнет 26 млрд тонн. Пока что практически весь пластиковый мусор оказывается на полигонах или мусоросжигательных заводах. Лишь малая часть таких отходов доходит до переработки: в США — примерно 9% пластмасс, в Европе, по разным подсчетам, — от 15% до 30%. Но даже переработка не решает проблему в долгосрочной перспективе, так как существующие методы ресайклинга представляют собой довольно короткую нисходящую спираль, в которой качество полимерного сырья снижается с каждым витком.

В последние десятилетия развиваются новые перспективные подходы к утилизации пластикового мусора. Так, термохимические методы переработки обещают превратить пластмассовые изделия назад в полимерное сырье, из которого они были сделаны, бесконечное количество раз.

Что такое механическая переработка и в чем ее недостатки
Сейчас большинство полимеров перерабатываются механически — пластиковый мусор сортируют и очищают, а затем измельчают и гранулируют. Из получившихся гранул изготавливают новые пластмассовые изделия: пленку, бутылки, контейнеры. Таким образом, в процессе механической переработки базовая структура полимера не меняется; правда, могут происходить деструкция или структурирование его макромолекул, из-за чего качество полимерного материала ухудшается.

Пластиками или пластмассами называют широкий спектр материалов, состоящих из полимеров — длинных углеводородных цепочек, которые, в свою очередь, состоят из более простых повторяющихся звеньев — мономеров. Мономеры — это низкомолекулярные соединения разного размера и формы: линейные, разветвленные, циклические. То, как они связаны между собой в полимерной цепочке, определяет тип и характеристики отдельно взятого пластика, включая его пригодность к переработке.

Однако у механической переработки есть ряд серьезных ограничений. Во-первых, отправить на нее можно не весь пластик. И хотя некоторые виды полимерного сырья — например, ПЭТ (полиэтилентерефталат) — перерабатываются достаточно эффективно, даже они могут попасть в брак при наличии добавок. Проблемы возникают и в том случае, если изделие сделано из нескольких материалов. Композитные пластиковые отходы, вроде тюбиков от зубной пасты, упаковки от чипсов или стикеров пока, как правило, обречены на захоронение на полигонах из-за невозможности выделить целевой материал. Многослойный, барьерный и комбинированный пластик механическим методом можно только измельчить и в ограниченном количестве применить в качестве наполнителей.

Во-вторых, вторичный пластик, полученный с помощью механической переработки, не может использоваться для производства изделий пищевого назначения. Например, при изготовлении трехслойной пленки для одноразовой посуды внутренний слой (он соприкасается с пищей) и внешний (с ним контактирует потребитель) в любом случае делают из первичного сырья, и только средний слой может быть произведен из вторичного пластика. Наконец, значительная доля ценных, пригодных для переработки полимеров отправляется на свалку или сжигается вместе с партией остального мусора в случае, если отходы не сортировали — например, это касается содержимого уличных урн и мусорных баков.

Химическая переработка: как спасти «проблемные» отходы
Химическим ресайклингом называют сразу несколько инновационных технологий термохимической обработки пластика, который невозможно или невыгодно перерабатывать традиционным способом. Если механическая переработка — это физический процесс, при котором пластик измельчают и гранулируют, то в основе химической переработки лежат химические и термические реакции, разрушающие химические связи внутри полимерной макромолекулы. При такой переработке происходит деполимеризация (расщепление) полимеров до мономеров или олигомеров и других химических веществ.

Разобрав полимер на структурные элементы — мономеры, — можно снова и снова собирать из них материал, по свойствам не отличимый от исходного. Теоретически количество циклов такой переработки неограниченно. Химическая переработка призвана дополнить существующие механические методы, так как ее можно применять «проблемным» полимерным отходам, о которых говорилось выше, в том числе загрязненным и смешанным. Продукты химического ресайклинга можно использовать и в качестве нефтегазового сырья, и для производства новых пластмассовых изделий.

Какой бывает химическая переработка
Первый вид химической переработки — это растворный метод. Смешанные пластиковые отходы с помощью растворителей превращают в полимерный раствор, из которого затем восстанавливают твердые полимеры. Конечный продукт — выпавшие в осадок полимеры, очищенные от загрязнений и добавок, — становится гранулами, из которых затем производят вторичную продукцию. В зависимости от применяемого растворителя этот метод называется гидролизом, гликолизом, метанолизом и так далее.

Достоинство растворного метода в том, что ему можно подвергнуть любой пластиковый мусор, от промышленного до бытового. Кроме того, в процессе не изменяется структура полимеров — их извлекают из раствора целыми и уже готовыми к производству, поэтому не приходится затрачивать дополнительную энергию на их синтез из мономеров, как в случае деполимеризации.

Деполимеризация — процесс, обратный полимеризации, — это второй метод химической переработки, в ходе которого разрушается полимерное связующее. На выходе получают либо отдельные молекулы-мономеры, либо олигомеры. Сначала отходы очищают и измельчают, затем при помощи высоких температур, растворителей или катализаторов цепочки полимеров разрывают на исходные молекулы, которые можно снова использовать в производственном цикле для синтеза новых полимеров. Так, разложив ПЭТ-бутылку на исходные мономеры, из них заново собирают идентичную ПЭТ-бутылку; использованный стаканчик из полистирола деполимеризуют до стирола, а затем снова полимеризуют в углеродное сырье. Помимо мономеров и олигомеров в результате деполимеризации получают нафту для изготовления новых пластмасс, метанол, транспортное топливо, воски и синтетическую нефть. Недостаток этого метода в том, что он подходит только для полиэфиров, полиамидов и полиуретанов и не применим к самым распространенным и крупнотоннажным полимерам — полиэтилену, поливинилхлориду, полипропилену.

Эти полимеры, в свою очередь, можно разбить на мономеры с помощью очень высоких температур — путем термического разложения, или термолиза. Два главных термохимических метода — это пиролиз и газификация. При термической деструкции полимеры распадаются на низкомолекулярные соединения, давая на выходе мономеры для производства нового пластика и углеводородное сырье, пригодное для создания синтетического топлива. И то, и другое по качеству ничем не отличается от первичного полимерного материала.

Переработка смешанного пластика методом пиролиза начинается с плавления полимеров (лучше всего пиролиз подходит для полиэтилена и полипропилена). Затем их помещают в пиролизный реактор и нагревают до температуры выше 400°C в бескислородной среде. В результате термического разложения весь пластик превращается в углеводородный газ, который, остывая, становится маслянистой жидкостью, состоящей на 95% из жидких углеводородов и на 5% — из горючего газа. После очистки и обработки из этой жидкости можно будет получить два вида сырья. Первый — всевозможные нефтепродукты, от тяжелого воска и нефти до дизеля и газов; выход нефтепродуктов достигает 65% массы исходного сырья, в остатке остается гудрон. Второй — базовые молекулы (этилен, пропилен, бензол) для дальнейшего синтеза полимеров, которые можно пустить на новые пластмассовые изделия; по свойствам такое сырье неотличимо от первичного, а потому годится даже для пищевой упаковки. Сегодня продукты пиролиза чаще всего используют в качестве топлива, но есть надежда, что их будут все шире применять для изготовления новых товаров.

Наконец, существует довольно практичный и рентабельный метод газификации, подходящий для всех видов отходов, включая несортированный и неочищенный пластик. В процессе газификации отходы при ограниченном доступе кислорода нагревают до 1000-1500°C, производя синтез-газ — смесь водорода, угарного и углекислого газов, метана и азота. Из него получаются различные химикаты для производства нового пластика (метанол, аммиак, уксусная кислота, углеводороды), топливное сырье и даже удобрения. Кроме того, синтез-газ можно сжигать для получения тепловой и электрической энергии. Остающийся после газификации твердый остаток в виде золы или шлака можно использовать как наполнитель для асфальтобетона или для производства цемента и черепицы.

Почему новые технологии — не выход
При химической переработке, по сравнению с производством пластика из первичного сырья, на одну тонну пластика выделяется на 2 тонны меньше CO2. Однако у термохимических методов есть серьезные ограничения. Полимерные материалы ценятся за высокую прочность, но именно поэтому для их расщепления нужно очень много энергии. Вкупе с техническими сложностями и низкими ценами на сырую нефть, это приводит к тому, что производить новый пластик дешевле, чем перерабатывать. Поэтому сегодня химическим ресайклингом занимаются в основном в лабораториях и на пилотных установках, а в промышленных масштабах он не применяется.

Более того, в 2020 году Всемирный альянс за альтернативы сжиганию (GAIA) заключил, что химическая переработка загрязняет окружающую среду и в конечном счете не восполняет потребность в первичном пластике — полученные в процессе переработки нефтепродукты в подавляющем числе случаев используются как обычное сгораемое топливо. Такой подход никак не помогает человечеству слезть с углеродной иглы — в том числе по этой причине обновленное европейское законодательство больше не расценивает пластиковые отходы как переработанные, если они были использованы для «восстановления энергии» или в качестве топлива.

В прошлом году Гринпис проанализировал полсотни инициатив по «передовым» химическим методам переработки, одобренных Американским советом химической промышленности, и выяснил, что большинство из них нацелено на производство топлива и восков. Химический ресайклинг загрязняет среду токсичными химикатами, оставляет ощутимый углеродный след и не вписывается в экономику замкнутого цикла — по оценке экологов, это скорее рекламный ход, вызывающий иллюзию прогресса, чем решение проблемы пластикового загрязнения.

Пока некоторые ученые все же надеются, что химическая переработка со временем станет менее дорогой и энергозатратной и в конце концов сделает идею безотходной экономики реальной, экологи по всему миру призывают не возлагать на нее слишком много надежд. В ноябре этого года, в рамках 26-й Конференции ООН по изменению климата обсуждалось, в том числе, влияние пластикового производства на климат — эксперты поставили химическую переработку в один ряд с такими «ложными решениями», как сжигание. Проблему пластиковых отходов решит в первую очередь не переработка, а эффективное потребление ресурсов: частичный отказ от пластмассовых изделий (прежде всего одноразовых) и многократное использование тех товаров, что уже выпущены.

Источник: ПостНаука

Jan 20
Научная конференция «2022: тенденции, прогнозы, риски»

Фонд Горчакова совместно с Международным институтом развития научного сотрудниче ...

Jan 18
Научная конференция «2022: тенденции, прогнозы, риски»

Фонд Горчакова совместно с Международным институтом развития научного сотрудниче ...

Nov 17
VIII Евразийский экономический конгресс

Евразийский экономический конгресс ежегодно объединяет представителей делового и ...

Oct 28
Юбилейная конференция «Россия-Европа: актуальные проблемы международной журналистики» пройдёт в России

Десятую конференцию, посвящённую проблемам международной журналистики, примет Ка ...

Oct 19
В Суздале прошел Медиафорум-2021, посвящённый свободе журналистики в современных реалиях

Представители Центра Масс-медиа Международного института развития научного сотру ...

Наши партнеры

Президиум

Profesor Name
Пономарева Елена Георгиевна

Президент Международного Института Развития Научного Сотрудничества
Российский политолог, историк, публицист. Доктор политических наук, профессор МГИМО

Profesor Name
Ариф Асалыоглу

Генеральный директор Международного Института Развития Научного Сотрудничества

Profesor Name
Мейер Михаил Серафимович

Научный руководитель Международного Института Развития Научного Сотрудничества
Доктор исторических наук. Профессор

Profesor Name
Наумкин Виталий Вячеславович

Председатель Попечительского совета Международного Института Развития Научного Сотрудничества
Доктор исторических наук, профессор, член-корреспондент РАН. Директор Института востоковедения РАН. Член научного совета Российского совета по международным делам.

Profesor Name
Мирзеханов Велихан Салманханович

Заместитель Председателя Попечительского совета Международного Института Развития Научного Сотрудничества
Доктор исторических наук. Профессор кафедры стран постсоветского зарубежья РГГУ, профессор факультета глобальных процессов МГУ им. М.В. Ломоносова.

Встреча российских и турецких молодых интеллектуалов