УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ
Український науково-дослідний інститут
екологічних проблем
Горох Микола Прохорович
удк 504. 064. 4
екологічно безпечні технології переробки
полімерних відходів
(на прикладі Харківського регіону)
спеціальність 21.06.01 – екологічна безпека
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на державно-комунальному підприємстві “Харків-комуночиствод” Харківської міської ради головного управління енергетики та інженерного забезпечення міста.
Науковий керівник: | доктор географічних наук, професор
Кузін Олександр Костянтинович,
Український науково-дослідний інститут
екологічних проблем,
заступник директора з наукової роботи
Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор
Касімов Олександр Меджитович,
Український науково-дослідний інститут
екологічних проблем,
завідувач лабораторією
кандидат технічних наук,
старший науковий співробітник
Ровенський Олександр Іванович,
Північно-Східний центр НАН України,
завідувач відділом регіональної екології
Захист відбудеться 31.01.2008 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.812.01 в Українському науково-дослідному інституті екологічних проблем за адресою: 61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту екологічних проблем (61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6).
Автореферат розісланий 28.12.2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Т.Ф. Жуковський
загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Екологічні наслідки накопичення відходів загально- відомі: отруєння ґрунту, просочування фільтрату у водоносні горизонти, забруднення навколишнього природного середовища гниючими органічними речовинами, деструктурованими синтетичними та полімерними відходами.
Проблема раціонального використання природних та вторинних ресурсів, охорони навколишнього природного середовища за своєю актуальністю та складністю займає одне з провідних місць у наукових і практичних досліджен-нях. Важливими у цій сфері є питання екологічного та економічного характеру, включаючи управління відходоповодженням, використанням природних ресур-сів та охорону навколишнього природного середовища. Більшість проблем охорони довкілля та включення вторинних полімерних композиційних мате-ріалів (ВПКМ) у промислову переробку мають дискусійний характер. Відсут-ній методичний підхід до однозначного розв’язання цих проблем з метою задо-волення потреб у вторинних ресурсах у вигляді вторинної полімерної компози-ційної сировини як резерву копалень природних ресурсів регіонів України.
Розроблення комплексної системи управління екологічно безпечними технологіями переробки твердих полімерних відходів (ТПВ) у дисертаційній роботі орієнтована передусім на правильний вибір технічної, екологічної та економічної методології в системі управління та утилізації муніципальних відходів з оцінкою науково-практичного обґрунтування еколого-економічних проблем у сфері поводження з муніципальними відходами регіонів України.
Актуальність теми, з одного боку, – створення безвідходних екологічно безпечних технологій вторинних композиційних полімерів, з другого боку, – рециклинг полімерних матеріалів, що одночасно дає змогу розв’язувати обидві поставлені проблеми.
Зважаючи на сказане створення безвідходних екологічно безпечних технологій перероблення вторинних відходів та удосконалення комплексної системи управління переробним виробництвом композиційних полімерів є однією з актуальних та найважливіших задач сучасності.
Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. В дисертаційній роботі основні напрямки досліджень виконано в межах плану науково-дослід-них робіт (“Концепція комплексного поліпшення санітарно-епідеміологічного стану м. Харкова по напрямках роботи ДКП КГ “Харківкомуночиствод”” (1999 р.); “Розробка технології виготовлення кришок люків та решіток дощо-приймачів систем водовідведення з відходів полімерних матеріалів” № 82307, 2004–2006 рр.); “Впровадження технології переробки тари та упаковки на ДКП КГ “Харківкомуночиствод” з опрацюванням організаційних, економічних засад, з урахуванням наявної бази даних про їх утворення” (№ 0198U004940 держреєстрації, 2000 р.); “Робочий проект реконструкції складських приміщень ВАТ “Конектор” в Безлюдівськім промвузлі для організації дослідно-експери-ментального виробництва з переробки пластмасових відходів потужністю до 1000 т на рік” (№ 99593.3, акт Державної приймальної комісії, 2001 р.); “Розробка програми раціонального поводження з твердими побутовими відходами в м. Чугуєві” (№ 0203U008742 держреєстрації, 2002 р.) та в рамках Програми розвитку системи поводження з твердими побутовими відходами в м. Харкові на 2004–2013 рр.(затвердженої на сесії міської ради від 23.11.03р.)), що розроблялись відповідно:
до Державної Програми поводження з твердими побутовими відходами в Україні, затвердженої Постановою КМ України від 04.03.04 р. № 265;
закону України “Про відходи” № 187/98 (ВР від 05.03.98 р.).
мета і задачі дослідження. Метою роботи є наукове обґрунтування та вдосконалення комплексної системи управління екологічно безпечними технологіями промислової переробки вторинних полімерних композиційних матеріалів.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:
- розробити систему моніторингу джерел накопичення використаної полімерної тари та упаковки як вторинної сировини Харківського регіону;
- виконати оцінку екологічних та економічних аспектів вторинної переробки полімерних відходів;
- розробити методику визначення об’ємів полімерних відходів як додаткового резерву розвитку природно-ресурсного потенціалу та енерго-зберігаючих технологій регіону;
- виконати аналіз науково-технічного рівня переробки та використання вторинної полімерної сировини;
- дослідити властивості вторинних полімерних відходів;
- розробити екологічно безпечну технологію на дослідно-експериментальній технологічній лінії по переробці тари та упаковки з полімерних відходів з одержанням вторинної гранульованої полімерної сировини;
- розробити технологію формування виробів із вторинних полімерних матеріалів та композицій на їх основі з модифікованими наповнювачами методом пресування з попередньою пластикацією;
- виконати техніко-економічну оцінку рекомендованих рішень при виготовленні продукції з вторинних полімерних композиційних матеріалів з модифікуючими наповнювачами;
- визначити базові принципи оптимізованої стратегії управління полімерними відходами як одного з факторів забруднення навколишнього природного середовища і як об’єкта промислової переробки.
Об’єкт дослідження. комплексна еколого-економічна проблема накопичення полімерних багатотонажних відходів – головного фактора впливу і джерела забруднення природного середовища.
Предмет дослідження – методологія управління муніципальними відходами і підвищення екологічної безпеки їх використання.
Методи дослідження. Для оцінки якості вторинних полімерних композиційних матеріалів використовувались фізико-механічні методи регенерування полімерних композицій; моніторинг накопичення вторинних полімерних композицій; фізико-хімічні методи армування пластицированих полімерних композицій з модифікуючими наповнювачами; стандартні методи підбору фізико-механічних параметрів композицій, вивчення експлуатаційних характеристик вторинних полімерів; метод кінцевих елементів (МКЕ) при випробуванні статичних деформувань продукції з ВПКМ.
Дослідження регенерації поліетилену з плівкових відходів виконувались на дослідній лабораторній установці інженерного підприємства “Екотехніка” і в подальшому на дослідно-експериментальному виробництві ТОВ “Харківвтор-полімер” із застосуванням обладнання – подрібнювача ИПР–100, мийно-ріжу-чого, водовіджимного агрегатів, флотаційної ванни, агломератора роторного типу, екструдера-гранулятора, установки сушіння, бака усереднювача ВПКМ.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у такому:
- розроблено методику визначення об’ємів полімерних відходів у сумішах ТПВ як фактора забруднення навколишнього природного середовища зі створенням розрахункових блок-схем аналітичних залежностей кількісних характеристик сировинних об’ємів ВПКМ;
- науково обґрунтовано принципи методології комплексної системи управління полімерними відходами як ресурсно-сировинного потенціалу копалень регіону;
- запропоновано систему моніторингу використаної полімерної тари і упаковки на регіональному рівні з впровадженням екологічно безпечних технологій переробки;
- досліджено і науково обґрунтовано процес регенерації агломерованого вторинного поліетилену;
- досліджено та вперше запропоновано екологічно безпечні технології формування крупногабаритної продукції з ВПКМ з модифікованими наповнювачами кришок і корпусів оглядових колодязів систем водовідведення і водопостачання (на прикладі Харківського регіону).
Практичне значення одержаних результатів. Розроблено комплексну систему управління екологічно безпечних технологій переробки ВПКМ. Основні результати системи запропоновано в Програмі розвитку системи поводження з ТПВ в м. Харкові на 2004–2013 рр. (ІІ розділ).
Проведено експериментальні випробування розробленої екологічно безпечної технології виготовлення крупногабаритної профільної продукції з полімерних композиційних матеріалів з модифікованими наповнювачами з застосуванням гідравлічного пресу моделі ДБ2436А, екструдера-пластикатора ЧП – 90х1800.
на дослідно-експериментальному підприємстві ТОВ “Харківвторполі-мер” впроваджено у 2001р. процес регенерування ВПКМ потужністю 1000 т/рік вторинних полімерних матеріалів.
Особистий внесок здобувача полягає у проведені теоретичних та експериментальних досліджень. Основні теоретичні та методичні результати досліджень, які характеризуються постановкою та вирішенням задач, їх теоретичним обґрунтуванням, статистичним та математичним аналізом, науковою новизною, отримані здобувачем.
Автором особисто запропоновано технологію і обладнання для переробки вторинних полімерів з визначенням розрахунків ресурсів полімерних відходів від компактних джерел їх накопичення; наведено описи технологічних процесів утилізації промислових і побутових відходів; визначено технологічні і адміністративно-правові засади управління багатотоннажними муніципальними відходами; визначено рішення екологічного, економічного і соціального характеру промислової переробки полімерних відходів; запропоновано рішення проблеми комплексного застосування ВПКМ.
Розроблено та запропоновано до впровадження практичні розробки визначених екологічно безпечних конкретних технологій виготовлення крупно-габаритної продукції з полімерних композицій (кришок люків оглядових колодязів), підтверджених заявками № а 2007 07823; № а 2007 07819 (Державне підприємство “Український інститут промислової власності” – УКРПАТЕНТ).
Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися: на науково-практичній конференції “Екологія і здоров’я людини. Охорона водного і повітряного басейнів. Утилізація відходів” (Щолкіно, Крим, 1999–2005 рр.); II Міжнародній науково-практичній конференції “Екологія: освіта, наука, промисловість та здоров’я” (Бєлгород, Росія 2004 р.); семінарі-тренінгу для представників демонстраційних спілок МЕП “Управління токсичними побутовими відходами та небезпечними відходами підприємств малого та середнього бізнесу” (Харків, 2004 р.); міжнародних конференціях “Співробітництво для вирішення проблеми відхо-дів” (Харків, 2004; 2005 рр.); Всеукраїнській науково-практичній конференції “Реалізація регіональних програм реформування та розвитку житлово-комунального господарства” (Алушта, Крим, 2005 р.); Всеукраїнській науково-практичній конференції “Проблеми та перспективи енерго-, ресурсозбереження житлово-комунального господарства” (Алушта, Крим, 2005 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 36 наукових робіт; 17 статей опубліковано у виданнях, регламентованих ВАК України; 8 статей опубліковано без співавторів. У складі авторського колективу розроблено і надруковано 4 учбових посібники.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 197 найменувань на 16 сторінках та 7 додатків на 108 сторінках. Повний зміст викладено на 343 сторінках тексту, в тому числі обсяг основного тексту складає 166 сторінок. Робота містить 41 таблицю, 96 рисунків (з них 23 таблиці та 77 рисунків на 53 окремих сторінках).
основний зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, зв’язок дисертації з науковими програмами та планами, сформульовано мету та задачі досліджень, визначено об’єкт, предмет та методи дослідження, наукову новизну та практичну цінність роботи, особистий внесок автора, узагальнено результати впровадження роботи.
У першому розділі дисертаційної роботи наведено аналіз сучасного стану управління накопиченням вторинних полімерних композиційних матеріалів у складі муніципальних відходів.
Аналіз досліджень Л. Штарке (Німеччина), технології фірми “ORFA” (Швейцарія), “Умвельттехнік” (Німеччина), системи ARA В. Клеєр (досвід Австрії), Д. Кокерхема (США), Шубова Л.Я. (Асоціація “Мусорщики Москвы”, Росія), Любешкіної Є.Г. (Росія), Харківського СКТБ “Машприладпластик”, Авраменко В.Л. (кафедра технології пластмас НТУ “ХПІ”) показав, що вторинне використання полімерних композицій є передумовою розвитку таких важливих соціально-економічних проблем, як запобігання забрудненню природного середовища, ефективне використання природних ресурсів, більш повне задоволення потреб у ВПКМ.
Полімерні відходи визначено як одне з джерел забруднення довкілля і надано оцінку тенденції накопичення пакувальних полімерних композиційних матеріалів – основного джерела їх потрапляння до ТПВ.
Надано загальну характеристику основних термопластичних матеріалів і особливості їх деструктивного руйнування. Відсутність єдиної науково-техніч-но обґрунтованої централізованої системи збирання, переробки та утилізації си-ровинних полімерних матеріалів обумовлює необхідність розроблення оптима-льної, раціональної та принципової системи управління полімерними відхода-ми на регіональному рівні – в середніх і великих містах (мегаполісах) України.
На підставі аналізу науково-технічної інформації, а також сучасних вимог до вторинних полімерних композиційних матеріалів як потенційних сировинних джерел копалин регіонів сформульовано мету та задачі дисертаційної роботи та визначено напрямок досліджень.
У другому розділі запропоновано методологію визначення обсягів сировинних ресурсів у системі управління і утилізації полімерних відходів.
На основі виявлених джерел можливого утворення полімерних відходів побудовано блок-схеми моделей і встановлено аналітичні залежності, які визна-чають обсяги утворення відходів у кожному з компактних місць їх накопичен-ня, пояснюючи розрахунки відповідними коефіцієнтами (рис.1–3). Загальні поз-начення до блок-схем: G t – сировина, напівфабрикати і матеріали для виготов-лення готової продукції Фt; Фt- – апарати, обладнання, технічні засоби і т. д. для здійснення процесу виробництва готової продукції (рис. 1) процесу передачі матеріального потоку від виробництва споживачам (рис. 2) і готова продукція для споживання населенням; ДФt – повернення частини готової продукції для повторного використання; – час використання готової продукції, після якого вона переходить у відходи споживання; t – рік, на який розраховують відходи.
Рис. 1. Блок-схема моделі джерела відходів першого типу:
K – коефіцієнт переходу сировини, напівфабрикатів і матеріалів (СНіМ) у готову продукцію Фt; (1–K) – коефіцієнт переходу СНіМ у відходи виробництва; – коефіцієнт, який визначає незворотні втрати СНіМ у процесі виробництва з них готової продукції; – коефіцієнт, визначаючий повернення частини відходів виробництва у технологічний процес; – коефіцієнт, визначаючий використання частини відходів виробництва для випуску супутньої готової продукції; a – коефіцієнт, визначаючий повернення частини готової продукції для повторного використання; b – коефіцієнт, визначаючий незворотні втрати готової продукції у процесі її амортизації; – коефіцієнт, визначаючий захоронення та знищення частини відходів виробництва та споживання.
Рис. 2. Блок-схема моделі джерела відходів другого типу:
K1 – коефіцієнт передачі готової продукції від виробництва споживачам; (1–K1) – коефіцієнт переходу частини готової продукції у відходи; 1 – коефіцієнт, визначаючий незворотні втрати готової продукції; a1 – коефіцієнт, визначаючий повернення частини готової продукції для повторного використання; b1 – коефіцієнт, визначаючий незворотні втрати готової продукції у процесі її амортизації; 1 – коефіцієнт, визначаючий захоронення та знищення частини відходів виробництва та споживання.
Рис. 3. Блок-схема моделі джерела відходів третього типу:
a2 – коефіцієнт, визначаючий повернення частини готової продукції для повторного використання; b2 – коефіцієнт, визначаючий незворотні втрати готової продукції у процесі її використання; 2 – коефіцієнт, визначаючий захоронення та знищення частини відходів споживання.
За результатами досліджень розроблено аналітичні залежності визначення ресурсів відходів і об’єми полімерних відходів, придатних для збирання, накопичення та переробки у вигляді рівнянь:
ресурси відходів при виготовленні тари і пакувальних полімерних матеріалів:
1 = Gt ( 1– k ) ( 1 – ) ( 1 – ) (1 – ) + Ф t- ( 1 – а) (1 – b); (1)
об’єм відходів, придатних для збирання, накопичення і переробки:
b,1 = [Gt ( 1 – k ) ( 1 – ) ( 1 – ) (1– ) + Ф t- ( 1 – а) (1 – b)] ( 1 – ); (2)
ресурси відходів, які утворюються при зберіганні і розподілі для надання послуг споживачам:
2 =Фt ( 1 – k1 ) ( 1 – 1 ) + Ф t- ( 1 – а1) (1 – b1); (3)
об’єми відходів, придатних для збирання і використовування, для переробки:
b,2 = [ Фt ( 1 – k1 ) ( 1– 1 ) + Ф t- ( 1 – а1) (1 – b1) ] ( 1 – 1); (4)
ресурси відходів нематеріального характеру при використанні тари і упаковки населенням та споживачами:
3 = Ф t- ( 1 – а2) (1 – b2); (5)
об’єми відходів, придатних для збирання, накопичення і переробки:
b,3 = Ф t- ( 1 – а2) (1 – b2) ] ( 1 – 2). (6)
Визначення ресурсів відходів, придатних для збирання і накопичення по рівняннях (2), (4), (6), необхідно враховувати при плануванні розвитку системи заготівлі і створенні підприємств по переробці полімерних відходів на основі розроблених екологічно безпечних технологій, а також з урахуванням економічної ефективності їх утилізації.
Виходячи з аналітичних досліджень, при відомих перспективних обсягах виробництва полімерних матеріалів і об’ємах споживання готової продукції з них загальне рівняння для визначення ресурсів вторинних полімерів у цілому по регіону має вигляд:
Р = 0,066 Gt + 0,416 Ф t-. (7)
Числові значення коефіцієнтів визначено аналітично стосовно до виробів з поліетилену, полістиролу, полівінілхлориду, ПЕТФ.
За результатами досліджень системи моніторингу накопичення тари і упаковки в Харківському регіоні запропоновано оптимальні та раціональні системи управління муніципальними відходами з порівняльними характеристиками ефективності різноманітних технологій поводження з ТПВ, які наведено на рис. 4–6.
Системою моніторингу у регіоні встановлено статистичну базу даних про утворення, накопичення, обсяги, номенклатуру, властивості полімерних відходів використаної тари і упаковки з метою визначення потенційних постачальників вторинної полімерної сировини.
Рис. 4. Оптимальна схема управління ТПВ
Рис. 5. Комплексна схема управління муніципальними відходами
Основою запропонованої раціональної системи управління полімерними відходами є визначена схема бази даних використаної тари та упаковки на прикладі Харківського регіону (рис. 6).
Рис. 6. Схема утворення, руху, накопичення та постачання зношеної полімерної тари і упаковки на утилізацію в дослідно-експериментальному виробництві ТОВ “Харківвторполімер”
Визначено склад сумарних обсягів накопичення зношеної тари і упаковки по Харківському регіону за період 2001–2005рр. (табл.1).
Таблиця 1
Об’єми накопичення зношеної тари і упакування по Харківському регіону
№
за/п | Найменування, вид тари та упаковки | Накопичення по Харківській обл. (т/рік) | Накопичення по
м. Харкову (т/рік)
2001р. | 2004 р. | 2005 р. | 2001р. | 2004 р. | 2005 р.
1 | Транспортна тара з полімерних матеріалів | 957 | 1 100 | 1 155 | 485 | 558 | 586
2 | Тара і упаковка з комбінованих матеріалів | 410 | 459 | 487 | 201 | 237 | 252
3 | Тара з текстильних полімерних матеріалів | 4 576 | 5 034 | 5 336 | 2 318 | 2 666 | 2 799
4 | Тара і упаковка з плівкових термопластичних матеріалів | 3 300 | 3 597 | 3 777 | 1 672 | 1 873 | 1 929
5 | Тара з поліетилентерефталату (ПТЕФ) | 7 352 | 8 014 | 8 495 | 3 725 | 4 284 | 4 541
6 | Тара і упаковка, комбінована з композитних матеріалів (полімери, картон, папір, метал, скло, дерево) | 24 687 | 27 649 | 28 479 | 13 123 | 14 435 | 14 868
7 | Упаковка, разовий посуд від кафе “макдональдс” | 1 600 | 1 744 | 1 849 | 800 | 872 | 915
Загальне накопичення за результатами дослідів | 36 565 | 42 882 | 49 578 | 22 324 | 23 925 | 25 890
На підставі експериментальних даних в м. Харкові прогнозується щорічно накопичення полімерних відходів із залученням їх в виробничо-господарський кругообіг в кількості: полімерні композиційні відходи вторинної сировини – 19 920 т/рік; поліетилентерефталат (ПЕТ-пляшка) – 4 870 т/рік.
Обґрунтований вибір комплексної системи управління полімерними відходами дозволяє встановлювати згідно з Законом України “Про відходи” (Ст. 38, 40, 41) додаткові економічні стимули для суб’єктів господарчої діяль-ності. Для розрахунку оптимізації технологій управління ресурсно-цінних сиро-винних відходів комплексної системи управління муніципальними відходами в цілому використано математичні формули, визначені аналітичними методами:
, (8)
де q – коефіцієнт продуктивності техногенної сировини; m – число добутих компонентів; бi – вміст i-го компонента в сировині; еi – добування і-го компонента при сортуванні; Цi – ціна 1 т i-го компонента.
е залежить від складу вторинних відходів і потужності механізованого сортування:
е = f(б) та е= f(Q) , (9)
де б – вміст цінного компонента у вихідному продукті; Q – продуктивність установки.
Мета оптимізації – одержання максимального прибутку П, який визначаємо математичною залежністю:
(10)
де Цk – ціна k-го продукту; ик – залишок компонентів у невідсортованому залишку; ги – невідсортований залишок; З – витрати; Q – об’єм відсортованих ТПВ.
У третьому розділі досліджено процеси регенерації відходів поліетилену з уточненням і порівнянням їх на підставі експериментальних даних, з контролем технологічних стадій процесу технологічної лінії переробки вторинних плівкових полімерних відходів на діючому дослідно-експеримента-льному виробництві ТОВ “Харківвторполімер”. Експериментальні дослідження проводились на роторному агломераторі з поєднанням споріднених операцій: мийка, обезводнення з сушкою і агломерування (рис. 7).
Рис. 7. Криві змінення споживаючої потужності двигуна (1), температури (2), вологості (3), забрудненості (4) плівки в процесі регенерації вторинного ПЕ
У процесі дослідження встановлено залежність величини споживаючої потужності двигуна від кількості завантаження вторинної полімерної сировини, конструкції ротора та подрібнюючих ножів агломератора, коефіцієнта тертя подрібнених фракцій полімерних відходів, їх розмірів, ступеня забруднення.
Проведені експерименти дозволили визначити основні параметри процесу регенерації плівкового поліетилену в агломерат і взяти їх за основу при розрахунку промислового зразку роторного агломератора. Розрахунок потужності, витраченої на перемішування сипучих матеріалів у роботі агломератора, розраховували за імперичним рівнянням:
N = c·с · w1,2 · dm2,3 · H1,04 · (bSinб)0,82 , (11)
де N – потужність, виміряна через 60 с після початку перемішування, кВт; с – насипна вага подрібненої плівки поліетилену, кг/м3; щ – швидкість обертан-ня лопасті, с-1; dm – діаметр мішалки, м; b – ширина лопасті, м; б – кут нахилу лопасті до горизонту, град.; H – висота шару матеріалу відходів, м; C – коефіцієнт опору.
для розрахунку основних конструктивних елементів роторного агломера-тора числові значення коефіцієнтів були підібрані шляхом експериментів залежно від витраченої потужності при обертанні, перемішування маси подрібненої плівки, швидкості обертання ротора, кута нахилу лопасті, діаметра мішалки та середнього розміру часток перероблюваного матеріалу плівкових відходів. Здобуте в результаті експериментів значення коефіцієнта при середньому розмірі часток плівки дорівнює 0,9.
На підставі експериментальних даних встановлено, що при регенерації подрібненої плівки з вологістю 33 % оптимальна величина завантаження агломератора дорівнює 7,5–8,5 кг/год (рис. 8).
Рис. 8. Залежність витраченої потужності (1), продуктивності (2), питомої потужності (3) від величини завантаження агломератора на стадії сушки плівки вологістю 33 % та середнім діаметром часток 2,8 мм
результати досліджень технологічного процесу регенерування плівкових полімерних відходів та його апаратурного забезпечення дозволили розробити технічні характеристики агломератора.
У четвертому розділі наведено результати дослідження – одержання ВПКМ на основі вторинного регенерованого поліетилену і вторинних полістирольних пластиків в суміші 80 : 20 % з модифікованими наповнювачами до 10 % по масі усередненої суміші при пластикації ВПКМ. Рекомендовані сумішні полімерні композиції дозволяють регулювати властивості готової продукції з ВПКМ, що використовується в різноманітних експлуатаційних умо-вах – при високому навантаженні, перепаді температур (морозостійкість та ін.).
На підставі попередніх досліджень визначено оптимальні технологічні параметри апаратурного оформлення технологічної лінії формування крупно-габаритної продукції з ВПКМ методом пресування з попередньою пластика-цією з модифікованими наповнювачами: цеолітом природним і синтезованим, воластонітом з хімічним складом (% мас.): SiO2 – 50,9; Al2 O3 – 0,25; CaO – 46,9; MnO – 0,10; FeO – 0,55; MqO – 0,10; TiO2 – 0,05. Експериментальні дослідження підтвердили, що вторинну полімерну сировину необхідно модифікувати з метою поліпшення якості і реологічних властивостей.
У розділі визначено технологічні параметри розробленого екологічно безпечного процесу формування продукції із ВПКМ на прикладі кришок люків оглядових колодязів систем водовідведення. Технологічна лінія формування виробів із ВПКМ рекомендованим методом пресування з попередньою пластикацією включає: регенерацію, пластикацію ВПКМ на екструдері- пластикаторі із співвідношенням довжини шнека L до діаметра шнека D 25 : 1; накопичення і видачу розплаву ВПКМ із завантаженням його в пресформу і пересуванням згідно з розробленим технологічним регламентом (рис. 9).
Рис. 9. Технологічна схема процесу формування профільних виробів із ВПКМ методом пресування з попередньою пластикацією: 1 – завантаження вторинної сировини із ВПКМ; 2 – черв’ячний прес ЧП 90 х 30; 3 – вузол пластикації й видачі розплаву; 4 – вузол передачі розплаву з маніпулятором; 5 – гідравлічний прес потужністю 250 т. с.; 6 – бункер-усереднювач
досліджений метод пресування з попередньою пластикацією дозволяє виготовляти вироби з високими експлуатаційними характеристиками (табл. 2).
Таблиця 2
Порівняльні фізико-механічні показники зразків ВПКМ, здобутих пресуванням і ливарним методом під тиском
Матеріали | Пресування з пластикацією | Ливарний метод під тиском
Границя текучості при розтяг-ненні, Мпа | Руйнівне напруження при розтяг-ненні, Мпа | Відносне подовжен-ня при роз-риві, % | Границя текучості при розтяг-ненні, Мпа | Руйнівне напруження при розтяг-ненні, Мпа | Відносне подовження при роз-риві,%
50 % ПЕВТ
50 % ПЕНТ | 20,1 | 16,3 | 126 | 16,2 | 14,3 | 120
ПЕНТ | 26,3 | 13,4 | 94 | 20,6 | 9,8 | 320
За результатами виконаних досліджень ВПКМ на основі первинного і вторинного поліетилену та полістирольних пластиків з модифікованими наповнювачами запропоновано подальші дослідження проводити на основі регенерованих поліетилену і полістирольних пластиків з модифікованими наповнювачами. Показники властивостей вихідних вторинних полімерів наведені в табл. 3.
Таблиця 3
Показники властивостей вихідних матеріалів
Показники властивостей | Поліетилен вторинний
вихідний | Полістирол вторинний вихідний
Ударна в’язкість, кдж/м2 | 33/52 | 23/28
Руйнівне напруження при вигині, МПа | 10,2/18,7 | 32,4/44,8
Показник текучості розплаву, ПТР (190; 2,16) г/10 хв. | 1,3 | 0,54
Стійкість до розтріскування, ч | 2,5 | Більш 4
Примітка: чисельник – зразок з надрізом; знаменник – зразок без надрізу.
Основні показники властивостей і вміст вихідних композицій наведено в табл. 4, 5.
Таблиця 4
Показники властивостей вторинного поліетилену із вторинним полістиролом
Показник властивостей | Співвідношення (% мас.)
вторинний поліетилен : вторинний полістирол
90 : 10 | 80 : 20 | 50 : 50 | 20 : 80 | 10 : 90
Ударна в’язкість, кдж/м2 | 17/30 | 32/37 | 23/32 | 21/26 | 17/22
Руйнівне напруження при вигині, Мпа | 8,4/12 | 10,4/24,4 | 9,6/11 | 11/18 | 8/15
ПТР (190; 2,16), г/10 хв. | 1,21 | 1,33 | 1,08 | 1,12 | 1,6
Стійкість до розтріскування, ч | 5 | Більш 6 | Більш 6 | 4 | 3,5
Таблиця 5
Вплив різних домішок на міцність, технологічні й експлуатаційні властивості ВПКМ (вихідна суміш – вторинний поліетилен : вторинний полістирол (80:20))
Показник властивості | Домішки
Сополімер етилену з вінілацетатом | Термо-еластопласт | Цеоліт
синтетичний | Воластоніт
Ударна в’язкість, кдж/м2 | 33/46 | 31/43 | 33/45 | 39/68
Руйнівне напруження при вигині, Мпа | 8,7/ не руйнується | 12,6/ не руйнується | 10,6/ не руйнується | 18,7/ не руйнується
ПТР (190; 2,16), г/10 хв. | 2,37 | 1,88 | 0,94 | 0,87
Стійкість до розтріскування, ч | Більш 12 | Більш 12 | Більш 12 | Більш 12
Примітка: чисельник – зразки з надрізом; знаменник – зразки без надрізу.
З наведених в таблицях результатів досліджень видно, що із вмістів ВПКМ найбільш оптимальною композицією по комплексу фізико-механічних властивостей є складова композиція з 80мас. вторинного поліетилену та 20мас. вторинного полістиролу. Таке співвідношення компонентів компози-цій приблизно відповідає вмісту цих полімерів у побутових відходах, що дозво-ляє в перспективі виготовляти композиції без розділення полімерів за видами.
Для збільшення терміну використання готової продукції з ВПКМ та зменшення впливу факторів світопогоди (ультрафіолетове світло, нагрівання, перепад температур, вологість, фотохімічна деструкція та ін.) розроблено технологію захисту продукції з ВПКМ із застосуванням атмосферостійких ема-лей ХВ – 124 (ГОСТ 10144); ХВ – 1100 (ГОСТ 6993) і композицій, складених з лаків ХП – 734 (ТУ 6-02-11521), епоксівінилового, 10 % резинату кальцію.
Отримані результати можуть бути покладені в основу розроблення промислової технології виробництва продукції з ВПКМ для потреб комунальних господарств міст України. Рекомендовані суміші ВПКМ дозволяють регулювати фізико-механічні стійкість властивості ВПКМ, працюючих у різноманітних експлуатаційних умовах – навантаження чи ненавантаження виробів, температурні та різноманітні кліматичні фактори.
Підтверджено всі вимоги комплексної екологічної експертизи негатив-ного впливу дослідного виробництва на довкілля Харківського регіону, де розташовано підприємство ТОВ “Харківвторполімер”; з’ясовано технологічні заходи з рекомендаціями щодо поліпшення, удосконалення процесів мийки, подрібнення, агломерування і гранулювання вторинної полімерної сировини. Розроблено та впроваджено екологічно безпечну технологію виготовлення кри-шок люків, корпусів люків та решіток дощоприймачів системи водовідведення. Виготовлено дослідну партію кришок люків із композиційних полімерів з модифікованими активними домішками, які є конкурентоспроможними що до металевих.
У п’ятому розділі у підсумку стосовно наведених експериментів і досліджень при розв’язанні проблеми екологічної безпеки комплексної системи управління ВПКМ було вирішено у взаємозв’язку чотири основні задачі системи управління по визначеній темі дисертації, яка включає: екологічно безпечні технології регенерації полімерних відходів; технології промислової переробки і апаратурного оформлення технологічного регламенту виробництва з виготовленням готової продукції з ВПКМ для потреб комунальних господарств міст України; ресурсо-, енергозбереження; економічну ефективність організації виготовлення продукції з ВПКМ.
вторинні полімери є значною часткою вторинних ресурсів, тому провідне місце в структурі економіки регіонів України має приділятися економічному забезпеченню заходів по утилізації ВПКМ, особливо у тих галузях виробництва, які прогнозують їх масове накопичення.
На основі отриманих експериментальних даних і рекомендованих складів ВПКМ з модифікованими наповнювачами з визначеним модулем пружності Е = 178 Мпа виготовлено дослідно-промислову партію кришок і корпусів люків оглядових колодязів систем водовідведення та водопостачання.
Для порівняльного аналізу оптимізації геометричних розмірів кришки люка апроксимуванням 4 варіантів проведено порівняння розрахункових напружень базового варіанта кришки люка з розрахунками натурного експерименту (рис. 10).
Рис. 10. Зіставлення розрахункових напружень базового варіанта 1 кришки люка при навантаженні 8 085 кгс із результатом натурного експерименту: а) базовий; б) розрахунковий
Основні характеристики напруженого стану кришки залежно від максимальних зовнішніх навантажень методом апроксимування для досліджень всіх варіантів наведено в табл. 6.
Таблиця 6
Основні характеристики напруженого стану кришки каналізаційного люка
Варіант кришки | Модуль пружності матеріалу Е, Мпа | Наванта-ження
F, кгс | Макси-мальний зсув, мм | Напруження, МПа
на верхній поверхні кришки | на нижній поверхні кришки | у внутріш-ньому шарі
Базовий
(експ.) | --- | 3 000 | 54,28 | --- | --- | ---
--- | 8 085 | 159,82 | --- | --- | ---
Базовий
(розрахунок) | 178 | 3 000 | 54,21 | <21 | <21 | <4,5
178 | 8 085 | 146,1 | <50 | <55 | <15
Покращаний
2 | 178 | 3 000 | 21,19 | <9 | <12 | <2
178 | 8 085 | 57,13 | <25 | <35 | <5
178 | 15 000 | 106 | <40 | <55 | <10
Покращаний
3 | 178 | 3 000 | 19,5 | <7,5 | <10,5 | <2
178 | 8 085 | 52,57 | <20 | <25 | <5
178 | 15 000 | 97,52 | <40 | <50 | <10
Покращаний
(без ребер) | 178 | 3 000 | 13,11 | <4,5 | <4,5 | <1,5
178 | 8 085 | 35,39 | <15 | <12 | <5
178 | 15 000 | 65,66 | <25 | <20 | <6
Дані, що наведено в табл. 6 – кінцевий результат розроблених тримірних твердотільних і кінцевоелементних моделей чотирьох варіантів конструкцій кришки і корпусу каналізаційного люку. Залежність характеристик напруженого стану кришки люка від зовнішнього навантаження наведено на рис. 11.
виконано перевірку числової моделі базового варіанта конструкції кришки люка шляхом порівняння з експериментальними даними.
рис. 11. Залежність максимальних напружень у внутрішньому шарі кришки від навантаження: 1 – варіант 1; 2 – варіант 2,3; 3 – варіант 4
Проведено пошук оптимальної моделі “кришка–корпус” шляхом зіставлення розрахункових напружень базового варіанта кришки люка з результатами розрахункового, у результаті якого отримано таке:
- кращі показники по міцності у всьому діапазоні навантажень дає варіант 4;
- при навантаженнях 3 000 и 8 085 кгс варіант 4 має в 4 рази менше макси-мальне зміщення за базовий варіант 1, при цьому максимальне напруження як на поверхні, так і у середині кришки, зменшується приблизно в 3 рази;
- при навантажені 15 000 кгс у варіанті 4 максимальне зміщення і максимальне напруження більш ніж в 2 рази нижче відповідних характеристик базового варіанта 1 при навантаженні 8 085 кгс;
- варіанти 2 і 3 при навантаженні 3 000 і 8 085 кгс показують проміжні результати між варіантами 1 і 4. при навантаженні 15 000 кгс ці варіанти по максимальних напруженнях наближаються до значень базового варіанта 1 при руйнуючому навантаженні 8 085 кгс.
На основі порівняння результатів розрахунків базового варіанта і ва-ріанта 4 кришки каналізаційного люка останній рекомендовано до виробницт-ва, як задовольняючий умовам ДСТУ В.2.5-26:2005 (ГОСТ 3634-99) – держав-ного стандарту України для середньоважкого люка оглядового колодязя мереж водовідведення і водопостачання з номінальним навантаженням 150-250 кН.
Визначено економічну ефективність рекомендованих рішень комплексної системи управління екологічно безпечними технологіями переробки полімерних відходів. Практичні результати досліджень на прикладі Харківського регіону мають високий ступінь узагальнення і можуть бути застосовані для середніх і великих міст, особливо мегаполісів країни.
Загальні Висновки
У роботі одержано науково обґрунтовані результати, які в сукупності забезпечують вирішення поставленої науково-практичної задачі комплексного управління екологічно безпечними технологіями переробки ВПКМ. При цьому:
1. Розроблено комплексну систему управління ТПВ, яка передбачає: забезпечення екологічної безпеки з виявленням джерел накопичення ресурсно-цінних сировинних компонентів; включення в промислову переробку ВПКМ як найбільш енергоємних сировинних компонентів у складі ТПВ з вибором екологічно безпечних технологій переробки.
2. Запропоновано методику побудування блок-схем моделей джерел виникнення полімерних відходів з аналітичними залежностями, визначаючими об’єми полімерних відходів при виготовленні полімерної продукції, при зберіганні, транспортуванні, розподілі її поміж споживачами і також для безпосереднього споживання населенням.
3. досліджено процес регенерування відходів поліетилену, полістиролу, поліетилентерефталату (ПЕТФ), розрахунково визначено основні конструк-тивні і технічні параметри виготовлення роторного агломератора промислового зразку. Розроблено методику розрахунку потужності агломератора і принципи визначення оптимальних конструктивних параметрів апаратурного оформлення технологічного процесу агломерування полімерних відходів.
4. Встановлено принципову можливість використання методу агломеру-вання для переробки з визначенням складності ведення технологічного процесу випробуваних полімерних відходів у такій послідовності: поліетилен високого тиску (ПЕВТ); поліетилен низького тиску (ПЕНТ); полістирол; поліпропілен (ПП); поліетилентерефталат. На основі експериментальних даних рекомендо-вано вторинну полімерну сировину “Полімерна композиція для виготовлення будівельних матеріалів і конструкцій” як винахід (номер заявки а 2007 07823 “УКРПАТЕНТ” – 11.07.2007 13:44:32).
5. Розроблено екологічно безпечні технологічні процеси формування крупногабаритної профільної продукції з вторинних полімерних матеріалів і композицій на їх основі методом пресування з попередньою пластикацією. Проведено фізико-механічні випробування властивостей полімерних компози-ційних матеріалів з подальшим їх випробуванням при виготовленні продукції з ВПКМ на прикладі кришок люків каналізаційних колодязів систем водовідве-дення. Запатентовано “УКРПАТЕНТ” (номер заявки а 2007 07819 “Люк оглядо-вого колодязя підземних інженерних комунікацій” – 11.07.2007 13:34:47).
6. проведено випробування фізико-механічних і експлуатаційних властивостей ВПКМ (вихідні і композиційні полімери) на прикладі виготовлення кришки люка каналізаційного колодязя методом пресування з попередньою пластикацією. Проведено шляхом апроксимуванням порівняльні фізико-механічні випробування властивостей ВПКМ з показниками характеристик міцності продукції.
7. Виконано оцінку техніко-економічної ефективності виробництва готової продукції (люк оглядового колодязя) з розрахунком окупності інвестиційного проекту терміном 1,5 року.
8. Розроблено обґрунтовані економічні розрахунки оптимізації механізо-ваного сортування ресурсно-сировинних полімерних відходів з визначенням: потужності; прибутковості залежно від кількості і якості відсортованих компонентів; прогнозування розрахунку окупності інвестиційного проекту механізованого сортувального комплексу терміном 3 роки.
9. Комплексну систему управління екологічно безпечними технологіями переробки полімерної тари та упаковки впроваджено на дослідно-експериментальному виробництві по переробці полімерних відходів потужністю 1000 т/рік ТОВ “Харківвторполімер” та запропоновано і використано у Програмі розвитку системи поводження з твердими побутовими відходами в м. Харкові на 2004–2013 рр. (ІІ розділ).
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Проблемы и перспективы накопления и переработки полимерных отходов / Горох Н.П., Юрченко В.А., Свергузова С.В. и др. – Харьков– Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2006. – 132 с.
2. Горох Н.П. Технологии и оборудование для переработки вторичных полимеров // Полимерные отходы в коммунальном хозяйстве города: Учеб. пособ. / Х Х.Х. и др. – Х.: ХНАГХ, 2004. – Разд. 3 – С. 151–342.
3. Утилізація та рекуперація відходів: Навч. посіб. / Бондар О.І., Горох М.П., Корінько І.В. та ін. – К.–Х.: ДЕІ–ГТІ, 2005. – 460 с.
4. Технологические основы промышленной переработки отходов мегаполиса: Учеб. пособ. / гриценко А.В., Горох Н.п., Внукова Н.В. и др. – Х.: ХНАДУ, 2005. – 340 с.
5. Горох Н.П. Ресурсно-сырьевой потенциал в системе управления и утилизации полимерных отходов. // Восточно-европейский журн. передовых технологий. – Х.: Технологический центр. – 2005.– № 1/1 (13). – с. 74–78.
6. горох Н.п. Экологическая оценка вредных веществ при комплексной утилизации муниципальных отходов // Коммунальное хозяйство городов: Науч.–техн. сб. – К.: Техніка, 2005. – Вып. 63. – с.172–181.
7. Горох Н.П. Эколого-экономические аспекты и механические свойства в процессах переработки полимерных отходов // Вест. НТУ “ХПИ”. – Х.: НТУ “ХПИ”, 2005. – Вып. 14. – с. 136–144.
8. Горох Н.п., Кухарская А.В. Система мониторинга источников использованной тары и упаковки как вторичного сырья Харьковского региона // Вестник ХНАДУ. – Х.: ХНАДУ, 2005. – Вып. 30. – с. 107–109.
9. горох Н.П. Эколого-экономическая оценка комплексной переработки твердых бытовых отходов. // Восточно-Европейский журн. передовых технологий. – Х.: Технологический центр, 2005. – № 3/1 (15). – с. 72–83.
10. Горох Н.п., Авраменко В.Л. Перспективы использования вторичных полимерных
