Утилизация пластика

Введение

В настоящее время проблема утилизации отходов носит глобальный характер не только в РФ, но и в целом в мире. Наиболее острой считается утилизация именно тех видов отходов, которые имеют длительный срок естественного разложения. Отличительной особенностью всех пластиковых отходов является продолжительный срок их естественной деструкции в окружающей среде. Данное свойство обусловлено спецификой молекулярного строения, т.е. наличием полимерных цепей.
С ростом населения и развитием промышленности проблема образования отходов носит глобальный характер. Проблема образования отходов преследует человека с древних времен, буквально с начала основания общественных поселений. Вся масса отходов, ежедневно выбрасываемых населением, состоит из 25% пищевых от ходов, 10% бумаги, 50% полимеров, остальное приходится на текстиль, металл, стекло и резину. Большую часть всех бытовых отходов составляют отходы, состоящие из полимеров, например, таких как пластиковые бутылки, полиэтиленовые пакеты, заводские упаковки и т.д.
В настоящее время наиболее распространенным методом утилизации всех отходов является их захоронение в геологической среде. Захоронение - самый бесперспективный вариант, поскольку ценное полимерное сырье закапывается, а огромные территории становятся непригодными для сельскохозяйственных нужд. Однако этот метод широко применяется как альтернатива другим вариантам утилизации отходов.
В данной работе рассмотрена проблема утилизации пластиковых отходов, а также изучен зарубежный опыт решения данной проблемы.
На территории Российской Федерации сфера обращения с отходами производства и потребления, в том числе и бытовыми регламентируется ФЗ №89 «Об отходах производства и потребления», ФЗ №7 «Об охране окружающей среды» и т.д.
В соответствии с современным природоохранным законодательством отсутствие экономической мотивации для природопользователей и для населения в целом, предполагает весьма негативные последствия в виде гигантских площадей, выделенных для захоронения отходов, наличие несанкционированных свалок и т.д.
Целью настоящей работы было раскрыть сущность проблемы утилизации пластиковых отходов, а также определить наиболее перспективные методы ее решения. Для этого был определен ряд задач:
- рассмотреть динамику и источники образования пластковых отходов на территории Российской Федерации;
- изучить состав и структуру пластиковых отходов;
- рассмотреть принципы международной классификации пластиковых отходов;
- изучить влияние пластиковых отходов на компоненты окружающей среды и на здоровье человека;
- изучить способы утилизации пластиковых отходов на примере США и некоторых Европейских стран;
- рассмотреть нормативно-законодательное обеспечение системы обращения с пластиковыми отходами в РФ.
Объектом изучения являются – пластиковые отходы. Наиболее перспективной и эффективной в экологическом плане является технология с раздельным сбором и последующей вторичной переработкой отходов. Пока лишь незначительная часть учтенных городских отходов поступает в качестве сырья на вторичную переработку. Деятельность в области обращения с отходами предполагает наличие требований не только по экологической, но и производственной безопасности.
Отходов с каждым годом все больше, а хороших перерабатывающих заводов очень мало. Также не стоит выпускать из виду высокую степень устойчивости пластиковых отходов в окружающей среде. Другими словами, данная категория отходов практически не подлежит деструкции естественной почвенной микрофлорой. Поэтому проблема утилизации пластиковых отходов с каждым годом становится всё острее, а, следовательно, становится все актуальнее.
Проблема утилизации отходов – это проблема не только техническая, но и социальная. Помимо развития инфраструктуры, следует рассматривать цивилизованный подход к мусороудалению как неотъемлемую часть жизнедеятельности населения. Для этого следует повышать уровень экологического образования и экологической культуры.


1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ПУТИ ОБРАЗОВАНИЯ ОТХОДОВ ПЛАСТИКА
1.1 Динамика образования отходов пластика по годам
До начала индустриализации отходы в преимущественно состояли из древесины, золы, костей, растительности и тел животных. Все указанные компоненты закапывали в землю, где через определенное время они превращались в компост и содействовали повышению плодородных свойств почвенного покрова. Все товары использовались в течение длительного времени. Также, численность и плотность населения была незначительной.
Однако уже при переходе от кочевого образа жизни к ведению фермерского хозяйства больше не могла оставаться незамеченной проблема утилизации отходов. До промышленной революции, которая привела к большей доступности материалов в сравнении с ручным трудом, распространённой практикой являлось многократное употребление и переработка имеющихся материалов. [1]
Управление потоками отходов во многих европейских странах стало ответственной задачей на государственном уровне лишь в начале 20-го столетия. Главной причиной вмешательства правительства в процессы управления обращения с отходами стало здоровья населения, а так же неудовлетворительное санитарное состояние населенных пунктов. [1]
В данный момент человечество вырабатывает полимеров столько же, сколько выпускает в мире стали, чугуна, проката и цветных металлов вместе взятых.
Производство полимерных материалов на нынешнем этапе развития среднем ежегодно возрастает на 5 – 6% в и составляет около 250 млн. т. За последние 20 лет потребление пластика на душу населения в индустриальных странах удвоилось, достигнув 85 – 90 кг. В ближайшем будущем данный показатель повысится на 45 – 50%.
Другими словами, анализируя путь, пройденный человеком, следует признать, что на смену каменному, бронзовому, а затем и железному веку пришел век полимерный. [2]
В таблице 1 приведены сведения по содержанию пластика в общей массе отходов для некоторых стран Европы и РФ.
Таблица 1 – Содержание пластика в общей массе ТБО, % [2]
Страна Литва Эстония Латвия Польша Россия Швеция Финляндия Германия
Пластик 7,5 12 7 10 4,3 7 10 5

По своим свойствам полимерные материалы настолько хороши, что вошли буквально во все сферы жизни человека, стали совершенно незаменимыми и абсолютно необходимыми.
Пластик – это органический полимерный материал, которому можно придать форму либо деформировать давлением под температурой.
Полиэтилен низкого давления и полиэтилен высокого давления составляют около 25-35% каждый от всего пластика, используемого для упаковки. Полиэтилентерефталат – третий крупный источник образования отходов пластмасс (10-15%). Суммарно на эти виды пластика приходится более 70 % отходов пластмасс. В составе образующихся отходов объём отходов пластмасс оценивается свыше 300 тыс. тонн в год, в том числе:
- отходы полимерной тары, включая тару из полиэтилентерефталата (ПЭТ), 31 тыс. тонн;
- отходы полиэтиленовой и полипропиленовой пленок – 100 - 120 тыс. тонн;
- прочие отходы (пластмассовые детали бытовой техники, кухонная посуда, игрушки, спортивный инвентарь, линолеум, трубы и пр.) – около 150 тыс. тонн. [1]
Рост объемов производства полимеров, приводит, соответственно к росту их доли в отходах.
В России в 2010 году суммарный объем образования пластиковых отходов составил порядка 3,3 млн. тонн. В структуре пластиковых отходов преобладают полиэтилен, полиэтилентерефталат (ПЭТФ), ламинированная бумага и поливинилхлорид (ПВХ).
Почти 90% образуемых в России пластиковых отходов вывозится на свалки или сжигается. Не более 12% в год (около 400 тыс. тонн) перерабатываются [3]

1.2 Источники образования отходов пластика
Из общего объема ежегодно производимых и используемых полимеров до 75% материалов переходит в состояние «отход». Существенная доля полимерных материалов имеет очень незначительный срок эксплуатации.
Из 25 млн. т потребляемых пластиковых материалов:
9 млн. т (36%) имеют срок службы менее одного года – это, чаще всего, упаковка и тара;
7 млн. т (28%) - изделия со сроком службы от 1 до 10 лет – посуда, бытовая электротехника, прочие потребительские товары;
9 млн. т (36%) эксплуатируемые более 10 лет полимерные материалы строительного назначения, изделия, используемые в судо-, автомобиле-, самолетостроении и т.д.
Другими словами, вторичное полимерное сырье или все полимерные отходы, образуются из трех источников:
1) Технологические отходы производства, возникающие при синтезе и переработке полимерных материалов. Они классифицируются на неустранимые и устранимые технологические отходы. Неустранимые – это высечки, кромки, литники, обрезки и т.д. Данные виды отходов, образующиеся при зачистке экструдеров, реакторов и прочих технологических линий, отходы при производстве пластиковых окон и т.д. В отдельных отраслях промышленности, которые занимаются производством и переработкой полимеров, таких видов отходов образуется от 5 до 35 %.
2) Отходы производственного потребления – накапливаются в следствии выхода из строя деталей из полимерных материалов, которые используются в различных отраслях народного хозяйства (тара и упаковка, амортизованные шины, отходы сельскохозяйственной пленки, детали машин, тара из-под удобрений, отходы оргтехники и т.д.). Данные виды отходов являются наиболее малозагрязненными и однородными, поэтому представляют наибольший интерес с позиции возможности вторичной их переработки.
Практически вся оргтехника содержит в своем составе как полимерные компоненты (материалы на основе поливинилхлорида, фенолформальдегида, пластик различных типов,), так и практически полный набор черных и цветных металлов. [4]
в) Отходы общественного потребления, которые накапливаются в результате хозяйственной деятельности, на предприятиях общественного питания и т.д., после чего поступают на городские полигоны; и в конечном счете они являются новой категорией отходов – смешанными отходами.
Основные отрасли народного хозяйства, являющиеся источниками пластиковых отходов приведены на рис. 1.

Рис. 1. Источники образования полимерных отходов (в %) по отраслям народного хозяйства.

Упаковка составляет значительную и постоянно растущую часть отходов потребления во многих странах–членах ЕС. Отходы упаковки в составе ТКО представлены наибольшим процентом как по весу (примерно 30%), так и по занимаемому объему (примерно 50%), и их доля в морфологическом составе постоянно увеличивается.
ТКО – самый большой источник образования отходов пластмасс. В странах ЕС среднее значение образования отходов пластмасс на одного человека составляет до 40 кг в год.
Основными товарами появления пластика в отходах ТКО являются упаковка, различные домашние приборы, мебель, одежда, обувь и игрушки. [1]
Чаще всего пластиковые материалы используются при упаковке продукции. Уровень использования пластика, например, в Великобритании, для упаковки составляет около 33% от общего количества его употребления; кроме этого, пластик используется с целью упаковки подавляющего большинства товаров. При этом может использоваться как твердый, так и мягкий пластик. Существенная часть отходов из твердых видов пластика можно подвергнуть вторичной переработке, однако, отходы из мягкого пластика чаще всего не подвергаются переработке и представляют собой смешанные отходы. [1]
Чаще всего для формирования упаковочных материалов используется полиэтиле́нтерефтала́т (, который представляет собой термопластик, наиболее распространённый представитель класса полиэфиров, известен под разными фирменными названиями: ПЭТФ или PET.
В последнее время использование РЕТ (в основном, для упаковки напитков) неизменно возрастает. Данный вид пластика подвергается как переработке, так и повторному использованию. Применение переработанного РЕТ приводит к снижению первоначальных затрат энергии на производство первичного РЕТ-полимера на 62-92%. Потенциал сохранения энергии при вторичной переработке полиэтилена низкого и высокого давления составляет от 38 до 77% соответственно

. [1]

1.3 Классификация пластиковых отходов
1.3.1. Классификация по способу получения
Пластмассу можно получить полимеризацией и поликонденсацией. В первом случае молекулы мономеров связываются, образуя полимерные цепи без высвобождения воды и спирта, во втором – образуются побочные вещества, не связанные с полимером. Различные методы и виды полимеризации пластмассы позволяют получить составы, которые отличаются исходными свойствами
В зависимости от характера превращений, происходящих с полимером при формовании изделий, пластические массы подразделяют на два основных класса – термопласты и реактопласты.
Термопласты способны обратимо переходить при нагревании в пластическое или вязкотекучее состояние, что определяет возможность использования изделий из них в качестве вторичного сырья, то есть производить новую продукцию из того же пластика.
Термопласты после формования изделий сохраняют способность к повторной переработке. Переработка реактопластов в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала (так называемые сшитые полимеры).
Реактопласты после превращения их в изделия теряют способность переходить в вязкотекучее состояние, и изделия из них можно разрушать механическим или химическим путем.
Наиболее распространенными из термопластов являются карбоцепные полимеры, сополимеры и их смеси – полиолефины (полиэтилен, полипро- пилен и др.), поливинилхлорид, полистирол, полиакрилаты, поливинила- цетали и др.
Среди реактопластов наиболее известны фенопласты (сырье – фенол- формальдегидные смолы), аминопласты (сырье – мочевино- и мела- миноформальдегидные смолы), эпоксипласты (сырье – эпоксидные смолы), эфиропласты (сырье – олигомеры акриловых кислот) и др [5]
1.3.2. Классификация по уровню сложности утилизации
По уровню сложности утилизации пластиковые отходы подразделяют на три основные группы.
1. Полимеры с хорошими свойствами. Такие отходы являются чистыми, рассортированными и легко поддаются утилизации. При переработке возможно использование 70–90 % подобных материалов.
2. Полимеры со средними свойствами. К данной группе относят отходы, содержащие определенное количество загрязнений и нуждающиеся в сортировке. Переработка этих отходов связана с дополнительными издержками по отбору, мойке и т. д. В переработку поступает 20–30 % от первоначального количества такого сырья.
3. Трудно утилизируемые полимеры. Это, прежде всего, сильно загрязненные и смешанные отходы. Их переработка в большинстве случаев не рентабельна.


1.3.3. Классификация по материалам
Свойства пластика определяются материалом, из которого он изготовлен. Структура пластиковых отходов приведена на рис. 2.

Рис. 2. Структура пластиковых отходов по материалам, %. [6]
Полиэтилен - один из видов пластика. Бывает высокого и низкого давления. Этот дешевый материал используется при производстве пакетов, мусорных мешков, линолеума и компакт-дисков и т.д.
Полиэтилентерефталат по объемам отходов занимает второе место вслед за полиэтиленом. ПЭТФ имеет широкое коммерческое применение в виде синтетического волокна, а также в виде пленок и кабельной изоляции. Изготовление ковровых покрытий является одной из наиболее крупных областей применения вторичного ПЭТФ.
Бумага ламинированная - это бумага, ламинированная полиэтиленом. Полиэтилен наносится на бумагу методом экструзии, то есть, посредством щелевой головки экструдера распределяется расплав полиэтилена по всей площади бумаги. Чаще всего Ламинированная бумага предназначена для упаковки пищевых продуктов или лекарственных препаратов.
ПВХ находит наиболее широкое применение для производства труб, фитингов, оконных и дверных рам. ПВХ обладает хорошими электроизоляционными свойствами и в пластифицированном виде применяется для изоляции проводов. Среди прочих применений – одежда, теплоизоляция (вспененный ПВХ), детали для автомобилей и покрытия.
Полистирол в виде листов и блоков широко используется в электрохимии и для изготовления линз. Вспененный ПС (ВПС) применяется главным образом в качестве изоляционного материала в строительной промышленности, как изолятор в утилизируемых контейнерах для пищевых продуктов и в виде защитной упаковки.
Полипропилен может применяться в различных видах, но наиболее часто он используется в виде волокон и нитей, получаемых экструзией. Основной источник вторичного ПП – это пластиковые короба, изделия хозяйственного назначения, корпуса аккумуляторных батарей, бамперы и другие детали автомобилей. [7]
Так же в промышленности распространенными являются такие полимерные материалы, как полиамид, полиуретаны и т.д. Сферы применения некоторых видов пластика приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Виды изделий из полимеров
Наименование отходов Виды полимерных отходов
ПЭНД (Полиэтилен низкого давления) Тара, емкости для хранения сыпучих продуктов, ведра, тазы, игрушки, мебельная фурнитура
ПЭВД Сельскохозяйственная пленка, хозяйственные мешочки, скатерти, пленочные материалы
ПП Упаковочная пленка для пищевых, кроме молочных продуктов, тара для технических жидкостей и реактивов
Полиамид Текстильные материалы (трикотажные. чулочно-носочные изделия и др.), специальные текстильные материалы (подворотничковая ткань, нетканые материалы).
Полиуретаны (ПУ) имеют широкий диапазон физико- механических свойств. Возможности вторичной перера- ботки отвержденных ПУ ограничены. За рубежом отходы эластичного пенополиуретана поступают с заводов, выпускающих мебель


1.4 Международные классификаторы отходов пластика
Для распознавания изделий из пластмасс в 1990-х гг. Общество полимерной промышленности США ввело кодирование, которое ныне используется большинством производителей. Код состоит из треугольника с номером и сокращенным названием полимера.
Треугольник, выполненный в виде состоящей из трех частей ленты Мебиуса, который указывает на необходимость повторной переработки:¨ «создание» - «применение» - «утилизация». [2]
Классификация пластика:
1 — PET (ПЭТ). Данный вид пластика используется преимущественно при производстве одноразовой тары при розливе напитков. Типовой упаковкой ПЭТ являются бутылки с минеральной водой. Данная упаковка при повторном использовании может выделять токсичные химические вещества даже после тщательной очистки. Не следует использовать повторно этот вид материала.
2 — HDPE (ПЭВД). Полиэтилен низкого давления (высокой плотности) используют с целью производства полужесткой тары, является одним из наиболее безопасным пластиком, допускается повторное использование.
3 — PCV (ПВХ). Поливинилхлорид очень часто используется при производстве упаковочной пленки для хранения пищевых продуктов. ПВХ является чрезвычайно опасным для здоровья и способен выделять токсические вещества. Поливинилхлорид производит очень опасные для здоровья химические соединения при горении, а именно диоксины.
4 — LDPE (ПЭНД). Полиэтилен высокого давления (низкой плотности), используется для производства многих видов упаковки (например, полиэтиленовых пакетов), считается более безопасным и допустимым для вторичного использования, чем многие другие пластики, однако менее безопасным, в сравнении с пластиками 2 и 5.
5 — PP (ПП). Полипропилен, это материал, который допустим для многоразового использования. Зачастую встречается в качестве основного материала для изготовления пищевых контейнеров. Полипропилен относится к группе максимально безопасных пластиков аналогично материалу 2 (HDPE).
6 — PS (ПС). Полистирол чаще всего известен в виде пенопласта. PS способен выделять токсины и его не следует использовать в качестве упаковки пищевых продуктов.
7 — OTHER (ПРОЧИЕ). Данная группа содержит в себе много видов вредных химических компонентов, в том числе также наиболее токсичный бисфенол А (BPA), поступление которого в организм, может способствовать появлению депрессии, шизофрении или болезни Альцгеймера. Помимо всего, употребление пищевых продуктов, которые вступили в контакт с BPA, способно привести к расстройству эндокринной и нервной систем, а также к раковым заболеваниям. Не следует использовать такие изделия в микроволновых печах ни в коем случае, поскольку они способствуют более полному поступлению бисфенола А в пищу. [8]
Схематичное изображение используемого обозначение приведено на рис. 2.


Рис. 2. Международная маркировка пластика
Процесс возможной области промышленного и бытового использования рассмотренных видов пластика, а так же возможность их утилизации обусловлены физико-химическими свойствами. Основные физико-химические свойства рассмотренных выше видов пластика приведены в таблице 3.
Таблица 3 - физико-химические свойства пластиков. [9]
Вид полимера
  Характеристики горения Химическая стойкость

Горючесть   Окраска пламени   Запах продуктов горения   К кислотам   К щелочам  
ПВД   Горит в пламени и при удалении  Внутри синеватая, без копоти  Горящего парафина  ++ +
ПНД   Горит в пламени и при удалении  Внутри синеватая, без копоти  Горящего парафина  ++ +
ПП   Горит в пламени и при удалении  Внутри синеватая, без копоти  Горящего парафина  ++ +
ПВХ   Трудно воспламеняется и гаснет  Зеленоватая с копотью  Хлористого водорода  + +
ПС   Загорается и горит вне пламени  Желтоватая с сильной копотью  Сладковатый, неприятный  ++ +  
ПА   Горит и самозатухает  Голубая, желтоватая по    краям  Жженого рога или пера  - + 
 
ПК   Трудно воспламеняется и гаснет  Желтоватая с копотью  Жженой бумаги  + -

Химическая стойкость:
+ хорошая
++ отличная
- плохая

1.5 Влияние отходов пластика на окружающую среду
1.5.1 Химические вещества, выделяющиеся при разложении пластиков
Достоинства пластиков (устойчивость по отношению к воздействию различных факторов окружающей среды) превращаются в их недостатки, когда изделия из них утрачивают потребительские свойства и появляется потребность избавиться от них, например, размещая на специальных полигонах. Серьезную угрозу пластиковые отходы представляют для морских экосистем, куда они попадают либо с судов, либо с речным стоком, причем эта угроза стала приобретать все большие масштабы еще с прошлого века. В первую очередь опасны сами пластиковые изделия и их фрагменты, поскольку они могут попасть в пищеварительный тракт или в дыхательные пути рыб, животных и птиц и тем самым вызвать не только нарушение жизненных функций, но и полное их блокирование. По данным ЮНЕП, пластиковые отходы ежегодно становятся причиной смерти около 1млн птиц, 100 тыс. морских млекопитающих и большого количества рыб.
Утилизацию вторичного полимерного сырья можно осуществлять также путем термического разложения при высоких (пиролиз) и не очень высоких (термолиз) температурах. Пиролиз полимерной массы при температурах до 600 °C дает в основном жидкие продукты, а выше 600 °C – газообразные, вплоть до технического углерода.
В атмосфере разложение пластика сопровождается выходом до 45% в таких ценных химических продуктов, как бензол, толуол, пропан, кумол, альфа-метилстирол, метан, этан, пропан и т.д. Помимо механического воздействия пластиковых отходов опасность представляют и продукты их разложения – химические вещества, в частности упоминавшийся ранее бисфенол-А. [5]
Многие изделия из пластмассы могут содержать вредные стабилизаторы, соли тяжёлых металлов и другие токсичные вещества, и всё это при нагревании, тем более при повторном использовании может попасть в почвенный покров, и далее по пищевым цепям в живые организмы.
Из поливинилхлорида делают бутылки для напитков, коробочки для косметики, тару для бытовых химикатов, одноразовую посуду. Со временем ПВХ начинает выделять вредное вещество — винилхлорид, который является сильным канцерогеном, он может попадать в напитки и пищу. Бисфенол А, содержащийся в пластиковой одноразовой посуде, также является канцерогеном, кроме того, данное вещество избирательно воздействует на нервную систему детей, нарушая развитие мозга