Утилізація відходів споживання виробів з полістиролу у виробництві капсульованих мінеральних добрив

Найдавнішим способом знищення сміття є його поховання на звалищах або полігонах. Експлуатація необлаштованих звалищ, що не мають елементарних природоохоронних споруд – гідрозахисних екранів, систем збору і контролю фільтру і т.д., з соціальної точки зору – протипоказана, з природоохоронної – небезпечна. Полігонний метод знешкодження ТПВ технологічно не складний, проте вимагає довготривалого відчуження великих земельних площ, значних капіталовкладень, експлуатаційних і транспортних витрат. До технологічних методів усунення відходів пластикової упаковки відноситься їхнє знищення і утилізація (вживання з користю).Високі вимоги екологічної безпеки, що ставляться до пакувальних матеріалів, створили новий метод знищення полімерних відходів шляхом їх компостування, тобто контрольований саморозклад під дією чинників навколишнього середовища (мікроорганізмів, УФ-випромінювання, води і ін.). Інтенсивні роботи в області створення екофільних матеріалів ведуться з початку 70-х років. На думку американських і японських фахівців, технологія виробництва і вживання полімерних пакувальних матеріалів (СПУМ), що саморозкладаються, стане однією з пріоритетних технологій ХХI століття. Найбільш оптимальним варіантом утилізації пластикових відходів в наш час є їхнє спалювання. Але при спалюванні відходів полімерів в атмосферу потрапляють шкідливі газоподібні продукти – високотоксичні діоксини, хлористий водень, діоксид сірки, а зола і стоки, які утворюються при цьому, містять немало інших шкідливих компонентів. Таким чином, поховання і спалювання не вирішують проблеми полімерних відходів, а лише переводять її в нове, небезпечне і важкопередбачуване русло. Тому ми пропонуємо найбільш безпечний метод утилізації відходів полістиролу – використання в якості функціональної оболонки повільно діючих мінеральних добрив, яка в ґрунті піддається біодеструкції.
Мета новітніх досліджень по створенню біорозкладних пластмас полягає в тому, щоб навчитися регулювати процеси деструкції для забезпечення швидкої і безпечної деградації упаковки після закінчення терміну її служби [2]. З метою повторного використання відходів з полістиролу пропонується їхнє використання в якості оболонки для капсулювання мінеральних добрив. Це вирішує дві проблеми: зменшується вартість капсульованих мінеральних добрив за рахунок використання відходів та одночасної їх утилізації.
Відходи полістиролу представляють собою речовини в твердому стані. Для отримання біологічно активних композицій та проведення аналітичних досліджень необхідним є переведення їх у рідкий стан. Згідно фізико-хімічної характеристики полістиролу найкраще для таких цілей застосовувати толуол.

Рис.1 Кінетика біодеструкції суміші полістиролу і крохмалю у ґрунтовому середовищі
Найдешевшим методом отримання композицій «полімер — наповнювач» є пряме змішування компонентів. В цьому випадку наповнювач присутній в пластику у вигляді конгломератів розміром 10—100 мкм. Величина макрочастинок визначається енергією міжфазної взаємодії і напругою в процесі екструзії. Одержаний з такої суміші матеріал є частково біорозкладним, оскільки матриця синтетичного полімеру в кращому разі розпадається на шматочки. При змішуванні наповнювача з синтетичним полімером на мікрорівні (розмір частинок менше 10 мкм) компоненти суміші утворюють взаємопроникну сітчасту структуру, яка забезпечує наповненому полімеру ефект додаткової деструкції [4].
Як відомо, наповнювач може накопичуватися в менш впорядкованих областях полімеру. Крім того, густина упаковки макромолекул в граничних шарах системи «полімер-наповнювач» приблизно вдвічі менше, ніж в решті об'єму неврегульованої фази полімеру. Тому при знищенні наповнювача бактеріями полегшується доступ мікроорганізмів до менш стійкої по відношенню до біодеструкції частини полімеру.
Як вже зазначалось раніше полімерні матеріали у тому числі і полістирол важко піддаються біологічному розкладу. При створені матеріалів, здатних до біодеструкції, до їх складу додають полісахариди. В нашій роботі використовуємо для цих цілей картопляний крохмаль, який є одним з найдешевших видів сировини для організації промислового виробництва біопластиків. Другим важливим фактором, який впливає на кінетику процесу є вміст самих біодеструкторів. Дана величина в природних умовах залежить від типу ґрунту, а саме вмісту органічних речовин. В даній роботі будемо проводити дослідження ступеню розкладу полістиролу в залежності від вмісту крохмалю в полімері та органіки в ґрунті.
Згідно літературних джерел при виробництві біодеструктуючих полімерів до них додають від 10 до 40 % крохмалю [2]. Приймаємо мінімальне значення 10% і максимальне 30%. По вмісту органічних речовин (гумусу) ґрунти поділяються на підзолисті – 2..3% і чорноземи 7..11%. Приймаємо для досліджень зміну даного параметра від 2% до 8%.
Необхідну кількість крохмалю в суміші з полістиролом визначали ваговим методом. Для отримання 10%-ї суміші зважували 90г полістиролу і 10г крохмалю. Попередньо подрібнений (розміром 2 мм) полістирол перемішували з крохмалем. Потім до отриманої суміші поступового невеликими частинами додавали толуол, до отримання однорідної маси. Далі розчин поміщали в сушильну шафу до повного випаровування розчинника, яку визначали за стабілізацією маси взірця.
Після видалення толуолу отриману речовину розділяли на рівні частини масою 5г. Аналогічним чином, з відповідними пропорціями компонентів, готували взірці з вмістом крохмалю 20 % і 30 %.
Визначення органічної частини в ґрунті проводили за наступною методикою:
1.Зважити на терезах тигель і перенести в нього взірець ґрунту, що аналізується.
2.Поставити його в сушильну шафу до повного висихання (поки вага тигля перестане зменшуватись), при температурі не більше 100ОС. Дати тиглю остигнути до кімнатної температури та зважити його на терезах.
3.Помісти тигель з висушеним ґрунтом у муфельну піч і витримати там при температурі 700ОС протягом 1 год.
4.Вийняти тигель з печі щипцями і, давши йому вистигнути до кімнатної температури, зважити на терезах.
Визначити відсоток органічної речовини в ґрунті за формулою: ,
де m1 - вага тигля з ґрунтом до прожарювання, гр.;
m2 - вага тигля з ґрунтом після прожарювання, гр.
Для отримання ґрунтової суміші із відповідною кількістю органічної речовини використовували матеріал з високим вмістом гумусу. Далі до необхідної консистенції розбавляли чистим піском, що не містив органічних речовин. Для цього пісок попередньо прокалювали в муфельній печі при температурі 700 оС. Отриману ґрунтосуміш в однаковій кількості поміщали в горщики, зволожували в кількості 30 % від загального об’єму суміші. Дослідні взірці поміщали в ґрунт таким чином, щоб вони повністю були ним покриті.
Спостерігали за процесом протягом 75 днів. Через кожні 15 днів визначали молекулярну масу взірця. З метою отримання достовірних результатів одночасно проводили три паралельних досліди. Дослідження проводили за незмінної температури (20оС) і вологості ґрунтового середовища (30%)
В графічному вигляді експериментальні результати представлені на рис.1.
- утилізацію відходів полімерних матеріалів, які важко піддаються розкладу в природних умовах і при спалювані яких виділяються шкідливі речовини, що потребують додаткового очищення;
- зменшення матеріальних витрат при використанні відходів в якості основи для отримання функціональної оболонки екологічно безпечних капсульованих мінеральних добрив.
2. Биодеструктирующие полимерные материалы: Cб. Науч. тр. – Киев: Наук. думка, 1982. – 88с.
3. Охрана окружающей среды при производстве пластмасс и гигиена применения пластмасс//Охтинское научно-производственное объединение «Пластмассполимер» под ред. Т.Н. Зеленковой. Л.: 1978.- с.87-93.
4. Штильман М.И. Полимеры в биологически активных системах.-М.:Химия.-1998.
В.В. Ващук; О.А. Нагурський, к. т. н., доц.
Утилізація відходів споживання виробів з полістиролу у виробництві капсульованих мінеральних добрив
Збірник матеріалів МНПК “Перший Всеукраїнський з’їзд екологів”
Скачати в форматі pdf:
http://eco.com.ua/sites/eco.com.ua/files/lib1/konf/1vze/zb_m/0036_zb_m_1VZE.pdf
Скачати в форматі doc:
http://eco.com.ua/sites/eco.com.ua/files/lib1/konf/1vze/zb_m/0036_zb_m_1VZE.doc