В работе изложен способ переработки бутылок из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) при помощи плазмы газового разряда с жидкими электродами. В результате переработки получается синтез-газ по составу схожий с природным газом. Экспериментальная установка представлена в виде блок-схемы.
Ключевые слова: газовый разряд, плазменная переработка, плазменный поток, экологичные способы рециклинга.
Значительную часть пластмассовых отходов составляют бутыли из полиэтилентерефталата. В настоящее время уделяется много внимания переработке ПЭТФ-бутылок. Предложены различные способы использования бутылочных отходов. Смеси ПЭТФ с другими полимерами применяются для получения новых пластмассовых материалов с широким спектром механических, диэлектрических, тепловых и др. свойств. Известны способы получения из использованных бутылок прозрачных листов и нетканого полотна. Существует также химический способ рециклинга ПЭТФ отходов. При этом снова получают химические вещества, являющиеся исходным сырьём. Однако, несмотря на всё перечисленное, разработка новых более экономичных и экологичных способов рециклинга ПЭТФ-бутылок остаётся актуальной задачей. Из результатов ряда исследований следует, что десятую часть твердых бытовых отходов (ТБО) больших и средних городов составляют полимерные материалы. Опасность нахождения их на свалках усиливается еще и тем, что при возгораниях мусора они выделяют вредные вещества, которые разносятся ветром на всю округу.
Практически вся полимерная продукция, в том числе и та, которая получена из вторичного сырья, превращается в конечном итоге в отходы потребления (промышленного и бытового) и загрязняет окружающую среду, прежде всего литосферу, скапливаясь на мусорных свалках, полигонах отходов и во всех тех местах, где пребывает человек (рис.1). В естественных условиях эти отходы разрушаются крайне медленно. В течение многих десятилетий они оказывают угнетающее воздействие на растительный и животный мир.
В настоящее время в процессах газификации отходов используется в основном электродуговая плазма [1–4]. Энергоноситель-плазма создается продувкой через дуговой разряд различных газов, в том числе и водяного пара. Пароводяная плазма является самым привлекательным вариантом в связи с тем, что ее применение обеспечивает целый ряд преимуществ. Пароводяная плазма не содержит балластные компоненты (например, такие как азот в составе воздушной плазмы). Поэтому тепловая эффективность энергоносителя становится в значительной степени выше. В пароводяной плазме подавляются механизмы образования вредных окислов, таких как окислы азота и серы. Этим обеспечиваются самые благоприятные экологические условия. Такого рода плазма обогащает синтез-газ водородом за счет окисления углерода сырья водяным паром: С + Н2О → Н2 + СО. В результате увеличивается количество конечного продукта. Можно отметить и другие положительные эффекты, сопутствующие практическому применению пароводяной плазмы. Однако, на практике, при использовании водяного пара в электродуговых плазмотронах, возникают дополнительные технические трудности. В реальных промышленных установках в первую очередь необходим эффективный парогенератор для получения перегретого пара. Необходима защита тугоплавких электродов от прямого воздействия водяного пара. А также нужно принимать меры для предотвращения конденсации влаги на поверхностях токопроводящих элементов.
Рис.1. Образование и размещение полимерных отходов
Использование плазмы газового разряда с жидким электролитным катодом позволяет избавиться от вышеперечисленных негативных моментов. Подход к решению этой задачи может быть осуществлён с применением газоразрядной плазмы, поскольку ионизированный газ содержит значительное количество химически активных компонентов [5]. В разряде в парах воды такими компонентами являются OH и OH-, которые способны участвовать в реакциях расщепления молекул ПЭТФ.
Температура плавления ПЭТФ составляет ~280°С, а максимальная температура воспламенения ожидаемых продуктов деструкции, т. е. компонентов исходного сырья (терефталевой кислоты, этиленгликоля и др.), не превышает ~600°С. Поэтому среднегазовая температура плазмы должна быть невысокой. При атмосферном давлении этому требованию соответствует плазма газового разряда между жидким электролитом и твёрдотельным электродом.
Таким образом, наиболее приемлемый плазмохимический реактор для переработки ПЭТФ-бутылочных отходов может быть разработан на основе газоразрядного плазменного генератора с жидким катодом, когда в качестве электролита служат водные растворы солей, щелочей и кислот.
В данной работе на модельной установке опробованы различные способы ввода ПЭТФ в плазменный поток. Выявлено, что более перспективным является подача в жидком состоянии. При этом для плавления отходов может быть использована теплота отходящих газов. Исследования процесса переработки полимерных отходов в плазменном потоке из паров жидких электролитов проводились в экспериментальной установке на базе двух генераторов плазмы. Ее принципиальная схема приведена на рис.2. В качестве катода в обоих генераторах плазмы применялся раствор глауберовой соли в дистиллированной воде, с концентрацией по массе в пределах (0,05 ÷ 0,10) %. Плазменные потоки образовывались за счет испарения жидких катодов. Убыль восполнялась добавлением «свежего» электролита. Это осуществлялось с помощью автономных систем подачи электролита.
Полимерные отходы загружались в реакционную камеру № 1. Здесь происходило термическое разложение отходов в интервале температур от 450 до 530 ºС в среде перегретого пара, создаваемого испарением жидкого электролитного катода генератора плазмы № 1. Летучие продукты разложения поступали во вторую реакционную камеру и смешивались с потоком плазмы от генератора № 2. Температура Т в реакционной зоне во второй камере поддерживалась постоянной в течение всего процесса и регулировалась в пределах от 1150±10 до 1450±10 ºС.
Для улавливания продуктов деструкции ПЭТФ поток газа из плазмохимического реактора пропускался через закалочное устройство, которое одновременно служило и теплообменником. Изучение внешних признаков полученного конденсата позволяет утверждать, что среди продуктов разложения имеются жидкие вещества сложного химического состава.
Рис.2. Блок-схема экспериментальной установки
Более 70 % объема получаемого газа представляют собой горючие компоненты. Следовательно, этот синтез-газ можно использовать как энергетическое или химическое сырье.
Как показали эксперименты, температура в плазменном потоке главным образом зависит от плотности тока. В оптимальных режимах работы генераторов плазмы плотность тока на жидком электролитном катоде находилась в пределах от 0,8 до 1,0 А/см2. Такие значения плотности тока близки к предельно возможному значению в диффузном режиме горения разряда. На металлическом водоохлаждаемом аноде плотность тока была практически в полтора раза выше.
В целом можно отметить, газовый разряд с жидкоэлектродным катодом позволяет получить плазменные потоки, которые по многим параметрам близки к потокам плазмы, генерируемым пароводяными электродуговыми плазмотронами, предназначенными для газификации углеводородсодержащих отходов. Таким образом, опыты с отходами из ПЭТ показали перспективность использования генераторов плазмы с жидкими электродами для их переработки.
Литература:
1. Альтовский Г. С., Бернадинер М. Н., Иванов В. В. Перспективы высокотемпературной паровой газификации отходов с использованием плазменных источников энергии. // ЭКИП. — 2011. — № 2. — С. 8–11.
2. Гудим Ю. А., Голубев А. А. Безотходная технология высокотемпературной утилизации несортированных твердых коммунальных отходов. // ЭКИП. — 2009. — № 2. — С. 4–7.
3. Артемов А. В., Переславцев А. В., Крутяков Ю. А. и др. Экологические аспекты плазменной переработки твердых отходов. // ЭКИП. — 2011. — № 9. — С. 20–23.
4. Артемов А. В., Переславцев А. В., Крутяков Ю. А. и др. Плазменные технологии переработки углеводородного сырья и отходов. // ЭКИП. — 2011. — № 10. — С. 18–23.
5. Плазмотрон с жидким электролитным катодом: пат. № 2286033. Рос. Федерация. № 2005115270/06; Заявлено 19.05.2005, опубл. 20.10.2006. Бюл. № 29. — 3 с.
