Термическая утилизация полимерных отходов, содержащих поливинилхлорид

Однако в настоящее время применение ПВХ постепенно ограничивается, что связано, прежде всего, с экологическими проблемами, возникающими при эксплуатации изделий, их утилизации и вторичной переработке. При старении полимеров на основе ПВХ наряду с потерей физико-механических свойств наблюдается негативное воздействие на окружающую среду и человека, обусловленное процессами дегидрохлорирования ПВ

Х, усиливающимися при температуре 50 — 80 °С (образуются высокотоксичные хлорсодержащие полиароматические соединения).

Это определяет актуальность проблемы разработки безопасных технологий утилизации и переработки отработанных изделий, содержащих ПВХ.

К основным способам утилизации отходов полимерных материалов относятся:

• термическое разложение в инертной атмосфере (пиролиз);

• сжигание;

• разложение с получением исходных низкомолекулярных соединений (деполимеризация);

• вторичная переработка (литье под давлением, экструзия, прессование и др.).

Наиболее сложно решаются вопросы утилизации смеси полимерных отходов, содержащих наряду с ПВХ полиолефины (полиэтилен, полипропилен), полистирол, полиуретаны, полиамиды и др.

Анализ существующих технологий обезвреживания смеси полимерных отходов позволяет сделать вывод о целесообразности использования термической переработки, основанной на процессах деструкции в инертной атмосфере.

При пиролизе полимеров образуются газы, часть которых способна конденсироваться с образованием высококалорийного жидкого топлива, некондесируемые газы, содержащие метан и водород, обладающие высокой теплотворной способностью, и карбонизат, который может найти применение в технологических процессах. Высокий энергетический потенциал пиролизных газов позволяет проводить процесс утилизации в автотермическом режиме.

Термическая деструкция полиолефинов, полистиролов, полиамидов достаточно хорошо исследована, установлен температурный интервал их переработки - 400 - 500 °С.

При исследовании процессов деструкции ПВХ были использованы методы термодинамического моделирования, позволяющие определить равновесный состав системы в зависимости от температуры и установить режимы проведения термической утилизации отходов, обеспечивающие безопасность образующихся продуктов.

Термодинамические расчеты пиролиза ПВХ проводили с применением программного продукта "ИВТАНТЕРМО", разработанного в центре данных о термодинамических свойствах индивидуальных веществ "ТЕРМОЦЕНТР им. академика В.П. Глушко".

При термодинамическом моделировании деструкции ПВХ было принято следующее допущение: результаты расчетов, проведенные для 10 — 20 структурных звеньев ПВХ, справедливы для всего полимера в целом.

Известно, что при энергетических воздействиях на ПВХ возможны дегидрохлорирование, окисление, деструкция макроцепей с образованием алканов, структурирование, ароматизация и графитизация, образование хлоралканов, термодинамическая вероятность и глубина протекания которых зависят, прежде всего, от температуры.

Ниже приведены результаты расчетов равновесного состава системы, образующейся при пиролизе ПВХ, содержащего 20 структурных звеньев (-СН2-СНС1-)20 (С (графит) — в конденсированной фазе, остальные — в газовой): Расчет продуктов пиролиза проведен при 1000 К, состав смеси указан при охлаждении продуктов пиролиза до 298 К, масса исходного продукта 1250 г, его состав, моль: [С] = 40; [Н] = 60; [С1] = 20.

Расчеты показали, что все атомы хлора, содержащиеся в ПВХ, расходуются на образование хлороводорода. Основные продукты пиролиза — пироуглерод (графит), хлороводород НС1 и метан СН4, содержание которых зависит от температуры (рис. 1).

Карбонизация ПВХ начинается при температуре выше 400 К, максимальное содержание пироуглерода достигается при 800 — 900 К.

Основной реакцией при деструкции ПВХ является дегидрохлорирование, которое активно протекает при 400 — 650 К. Содержание НС1 в равновесной системе уменьшается при температуре выше 1000 К, что можно объяснить термической диссоциацией образующегося хлороводорода (см. рис. 1, б).

Анализ зависимости изменения концентрации метана в пиролизных газах от температуры процесса показал, что его содержание снижается при температуре выше 800 К в результате крекинга (температура начала разложения 780 К) (см. рис. 1, в)

Таким образом, проведенное термодинамическое моделирование процессов пиролиза ПВХ позволило установить оптимальный температурный интервал термической обработки 700 — 800 К.

При деструкции ПВХ выделяется хлороводород, его содержание в образующихся пиролизных газах составляет более 48 9г по массе, что требует сложной системы их доочистки.

Для обеспечения экологической безопасности термической переработки ПВХ необходимо разработать способ снижения содержания хлороводорода в образующихся газах, например, путем связывания его в низколетучие соединения.

Ниже рассмотрена возможность использования для этих целей оксида кальция:

• проведение пиролиза в присутствии СаО;

• нейтрализация пиролизных газов, содержащих хлороводород, при взаимодействии их с СаО.

Для обоснования оптимальных параметров ведения процесса и выбора наиболее рационального варианта связывания токсичного компонента было выполнено термодинамическое моделирование пиролиза ПВХ в присутствии СаО. С целью определения температурного интервала пиролиза ПВХ в присутствии СаО с помощью термодинамических расчетов были определены зависимости изменения потенциала Гиббса (AG°,). энтальпии (АН0,) и константы химического равновесия КОР реакции образования хлорида кальция от температуры:

СаО + 2НС1 = СаС12 + Н2О.

Расчеты показали, что реакция образования хлорида кальция протекает практически необратимо в широком температурном диапазоне (298 — 2000 К). Пиролиз ПВХ в присутствии оксида кальция целесообразно проводить при 700 — 800 К, процесс детоксикации продуктов термической деструкции можно осуществлять при 400 — 500 К.

Ниже приведены результаты расчета материального баланса пиролиза ПВХ в присутствии СаО (исходный состав, моль: [С]=20; [Н] =30; [С1] =10; [СаО]=10):

п, моль т, г

С (графит) 15,00 180,00

Са(ОН)2 4,99 369,99

Н2 1,45-10" 2,9-Ю-4

Н2 4,37. Ю-4 8,74-104

Н2 1,42-104 2,84-104

С3Н8 9,26-Ю'4 4,99-1012

СаС12 .5,00 555,00

СаО 2,14-10» 1,200-107

СН4 4,99 79,80

С2Н6 8,82-10" 4,10-10-6

Н20 5,58-10" 1,00-10"'2

С,Н,„ .1,27-10,в 7,40-10'7

Масса исходного продукта (С2Н3С1)10 — 625 г, масса СаО — 560 г, количество и масса продуктов пиролиза указаны при охлаждении до 298 К. Считается, что при избытке СаО он расходуется на образование гидроксида кальция.

Из полученных данных видно, что твердый остаток, образующийся при пиролизе полимера, представляет собой смесь хлорида кальция, пиро-углерода и гидроксида кальция. Пиролизные газы содержат метан и водород, обладающие высокой теплотворной способностью.

 Скачать реферат