Отходы бутылок - в текстильные нити

27.05.2015

А

Утилизация мусора и твердых бытовых отхо­дов (ТБО) становится одной из важнейших проблем современного хозяйства как с эколо­гической, так и экономической точки зрения. В России уже скопилось более 100 млрд. т различных отходов, в том числе токсичных, что в пересчете составляет по 700 т на каждого жителя страны, и по этому пока­зателю мы, к сожалению, занимаем 1-е место в мире. Правда, в последнее время, по инициативе герман­ской компании «Томра», делаются попытки рассорти­ровать мусорные места с помощью сенсорной сорти­ровки отходов, 250 систем которых установлено на 60 предприятиях мира.

По оценкам аналитиков, мировой оборот бизнеса по переработке мусора достигает 50 млрд. долл. США в год. Во многих европейских странах в переработку идет более 50% ТБО. Из пластика там делают почти все: от деталей одежды и посуды до мебели, стройма­териалов и даже шпал для железных дорог. В России в отсутствие раздельного сбора практически все от­ходы идут на свалку или сжигаются. Имеет место не­допонимание проблемы «мусорного коллапса». Лишь за 2013 г. Росприроднадзор выявил более 24 тыс. мест несанкционированного хранения ТБО.

 

рис1

Мировой мусорный рынок сегодня оценивается примерно в 120 млрд. долл. США, а в России перера­ботка отходов, по подсчетам различных компаний, может приносить от 2,0 до 3,5 млрд. долл. США в год. Известно, что все полимерные отходы, включая поли­этилен (ПЭ), полипропилен (ПП), полистирол (П/С), по­ливинилхлорид (ПВХ), поликарбонат (ПК), полиурета­ны (ПУ), полиэтилентерефталат (ПЭТ) и др., составля­ют более 50% ТБО. На отходы ПЭТ, преимущественно в виде отработанных бутылок, приходится около 25% от общей массы полимерных отходов. В настоящее время это самый перерабатываемый и технологиче­ски удобный пластик в мире, поскольку он легко го­могенизируется, не требует пластификации, обладает относительно стабильным химическим составом.

В 2013 г. мировой выпуск первичного ПЭТ-гранулята бутылочного назначения превысил 20 млн. т (для поли­эфирных волокон его выпуск составил около 47 млн. т), из которого было изготовлено 500 млрд. бутылок раз­личной емкости и назначения, т.е. в среднем 70 ПЭТ- бутылок на душу населения. Если бы среднестатисти­ческий житель планеты собрал за собой бутылки, что использовал, то по описанной здесь технологии фир­мы Barmag Bruekner Engineering (ВВЕ), Германия, мож­но было бы из них наработать полновесную паковку (2,8 кг) высококачественной полиэфирной (ПЕФ) тек- стурированной нити 167 дтекс.

Согласно рис. 1 мировой сбор ПЭТ-отходов в 2012 г. составил 8,2 млн. т, из них более 3 млн. т (=30%) - в Китае, 1,5 млн. т (17%) - в Западной Европе, 1,3 млн. т (14,5%) - в Северной Америке и лишь 162 тыс. т (1,8%) - в Восточной Европе, в 2013 г. увеличился до 9,0 млн. т. В 2014 г. пла­нировалось собрать в мире 9,7 млн. т. Тогда за вычетом технологических потерь (1,9 млн. т) масса годных к пере­работке отходов ПЭТ составит около 7,8 млн. т. Прогно­зируется дальнейший рост переработки ПЭТ-рециклинг (Р) до 13 млн. тв 2018 г. и 15 млн. т - в 2020 г.

Уровень сбора и переработки вторичного ПЭТ в целом в мире не превышает 50%, но сильно колеблет­ся в различных регионах (рис. 2). Например, в Китае и Зпонии объем сбора использованных бутылок в 2013 г. составил около 80%, в Швейцарии - 70, в странах ЕС - в среднем более 50, а в Восточной Европе – ниже 20%. В Западной Европе утилизация ПЭТ-бутылок под­вергнута государственному регулированию, принцип которого заключается в том, что производители буты­лок (преформ) платят специальный налог, в который заложена стоимость рециклинга. Как следствие, в Гер­мании перерабатывают 80-85% использованных ПЭТ- бутылок, в Швеции - 90-95% (наибольший показатель в Европе).

рис2

 

В России почему-то утилизация таких отходов счи­тается нерентабельной, называя в качестве причин вы­сокие цены на энергоносители и сырье. Поэтому объем сбора не превышает 10%, а объем переработки пла­стиковых бытовых отходов едва достигает 3%. На рос­сийском рынке объем переработки вторичного ПЭТ в 2013 г. составил около 100 тыс. т, т.е. более чем в пять раз меньше, чем объем переработанного в преформы первичного ПЭТ (при этом из-за проблем со сбором ис­пользованных ПЭТ-бутылок 15% этих отходов импор­тируется). Для общего представления отметим: в Рос­сии объем ТБО в 2012 г. оценивался в 53 млн. т, а доля в них пластиковых отходов - всего 4 млн. т, в которых соответственно на основе ПЭТ - около 15%.

В мире в целом в 2014 г., по данным PCI (PET Pack­aging a Resycling Ltd.), около 71% собранной ПЭТ-тары переработано в волокно (преимущественно грубых титров для нетканых материалов и наполнителя), 11% в пленки, 12% - в бутылки пищевого и непищевого назначения, 4% - в обвязочные ленты, прочее - 2% (итого 100% - 7,8 млн. т ПЭТ-Р). Применение этого сы­рья для производства ПЭФ комплексных нитей, как технического, так и текстильного (в том числе текстурированных нитей) назначения, в силу дополни­тельных требований к ним по качеству, практически неизвестно. В частности, в США в 2013 г. из бутылоч­ного ПЭТ-рециклинга было изготовлено (в тыс. т): во­локна-наполнителя - 90, нетканых материалов (НМ) 130, обивочных материалов на основе ковров - 40, технических тканей - 5, коврового жгутика BCF - 60, текстильного наполнителя - 20 и т.п.

Пожалуй, решающим условием применения ПЭТ-Р для производства ПЭФ штапельного волокна явля­лась относительно низкая цена бутылочных хлопьев: 50-60% от стоимости первичного гранулята (в зави­симости от цвета), что обеспечивало значительную прибыль, особенно при изготовлении волокна для нетканых материалов (НМ) и в качестве наполнителя. Недавнее установление мировых цен на хлопья на уровне 70-80% относительно первичного ПЭТ сохра­нило преимущество применения вторичного ПЭТ-Р для различных видов НМ, волокон-наполнителей и некоторых типов комплексных нитей. Это делает ПЭТ-Р все более креативным во многих областях при­менения, чему способствует также увеличение объ­емов его выпуска. Например, по оценке PCI, сегодня объем производства ПЭФ-волокон на базе рециклин­га для прямого потребления и промышленных целей примерно 4,5 млн. т в год, в том числе 95% в виде шта­пельного волокна (а в Китае 30% от общего выпуска их в стране) и совсем немного текстильных нитей. Говоря о китайском рынке, отметим его ориентацию на выпуск волокна из рециклята ПЭТ-Р для процессов прядения, получения наполнителей и НМ. Нормаль­ное развитие этого рынка обеспечивается также за счет импорта (около 40%) бутылочных отходов. Се­годня в Китае перерабатывают 53% от общемирового объема собранных бутылок.

Европейский рынок переработки вторичного ПЭТ довольно значителен. За счет него внутренние по­ставки ПЭФ-штапельного волокна составляют около 80%, а комплексных нитей - не более 5% от общего производства. Последнее практически не дает ощу­тимой экономии.

В США, где сбор бутылок составляет около 0,8 млн. т в год, помимо общеизвестных областей приме­нения штапельного волокна из вторичного ПЭТ, широ­ко применяют его для ковровой пряжи, наибольшая часть ПЭФ комплексных нитей - для одежды, домаш­него текстиля в виде коврового жгутика типа BCF и т.п. Цена на штапельное волокно зависит от выбора отхо­дов в качестве сырья - бутылочные хлопья или регра- нулят. Первые, как будет показано ниже, дешевле. Во II квартале 2013 г. в США начат выпуск ПЭФ малораз­весного коврового жгутика типа BCF, состоящего из 100% ПЭТ-рециклинга, полученного из бутылок пище­вого назначения.

Как уже говорилось выше, значительные ограниче­ния существуют для применения ПЭТ-Р в производстве ПЭФ текстильных нитей типов POY, DTY и FDY, микро- филаментов, шинного корда или высококачественных биаксильных пленок (БООП). Как будет показано ниже, технология компании ВВЕ (Barmag/Bruekner/Engineer- ing), презентованная 21 января 2015 г. в г. Ремшайде (Германия), дала вполне аргументированный ответ на решение этой важной проблемы. Главное - добиться чистоты отходов ПЭТ (в том числе из отработанных бутылок и взятых из мусоросборников), максимально приближающихся к качеству первичного сырья.

В презентации приняли участие 111 представи­телей различных компаний из 14 стран. Наиболее представительными были делегации Турции, России, Германии, Бельгии, Египта, Индии, Италии, Китая и др. Участниками прослушано четыре доклада, вызвав­ших дополнительные вопросы и обсуждение:

  1.  В. Доктор Эрнст (ВВЕ) - «Волокна из вторичного ПЭТ - возможности, рынки и технологии».
  2.  Ф. Дикмайс (ВВЕ) - «Решения по экструзии при пе­реработке ПЭТ».
  3.  Р. Моргенрот (ВВЕ) - «Вторичный гранулят ПЭТ - сложности в производстве нити».
  4.  Т. Шлитт (Clariant) - «Устойчивое развитие и окра­шивание в массе - союз на будущее».

С подробным содержанием упомянутых докла­дов можно ознакомиться на сайте компании. Здесь мы проведем краткий их итог, позволяющий сформу­лировать требование к отходам ПЭТ, составу техно­логической и аппаратурной схемы их переработки в ПЭФ-текстильные нити заданного качества, что ранее никому в мире полностью не удавалось.

Наиболее известны два основных способа рециклинга ПЭТ:

- химический - гидролиз или гликолиз отходов ПЭТ до мономеров (или олигомеров), их фильтрация и поликонденсация. В результате получают достаточ­но чистый продукт, что позволяет при прямом фор­мовании нити POY/DTY добавлять до 20% рецикля- та ПЭТ-Р. Однако этот способ отличается высокой трудоемкостью и повышенными энергозатратами и широкого распространения он не получил;

- самый распространенный и экономичный метод переработки отходов ПЭТ - так называемый механохимический, когда измельченные и очищенные отходы, например, в виде бутылочных хлопьев (флексов), последовательно, в единой технологи­ческой цепочке расплавляются, гомогенизируют­ся, очищаются от загрязнений и фильтруются в экструдере с дегазацией под вакуумом.

Существуют различные виды применения отрабо­танных ПЭТ-бутылок:

• в виде хлопьев (или флексов) для производства менее ответственных продуктов (штапельное волокно, волокно-наполнитель и т.п.), после гранулирования и специальной обработки для производства новых буты­лок (так называемая технология «бутылка из бутылки») и высококачественных ПЭТ-волокон и нитей. Если указан­ное сырье предполагается использовать для производ­ства товаров с более высокой добавочной стоимостью, то после измельчения бутылок и получения так назы­ваемых бутылочных хлопьев (или флексов) последние подвергают многократной мойке, сушке, расплавлению в экструдере, фильтрации расплава. Число обычных при­месей велико: этикетки, этикеточный клей, песок, метал­лы, пыль и т.д. Их невозможно полностью удалить, толь­ко лишь путем измельчения и промывания. Фильтрация расплава является одним из наиболее важных этапов, поскольку удаление загрязнений - это основное условие бесперебойного и стабильного производственного про­цесса, например при формовании ПЭФ-волокон.

Хлопья, полученные от использованных ПЭТ- бутылок, имеют ряд особенностей, иногда негативных. Характеристическая вязкость (р) находится в пределах 0,76т-0,82, т.е. близка к исходному первичному грану- ляту. По сыпучести хлопья/флексы значительно отли­чаются от гранулята. Насыпная плотность ниже, чаще всего в диапазоне 0,25-Ю,35 кг/дм3, да и форма сильно отличается: хлопья имеют плоскую продолговатую конфигурацию размером от 7 до 12 мм, иногда и боль­ше. При переработке отходов бутылок важно следить за удалением посторонних примесей, прежде всего ПВХ, остающихся от этикеток, клея и т.п.

Кроме того, содержание твердых примесей не­обходимо держать на самом минимальном уровне, чтобы обеспечить максимально продолжительное время работы фильтра в потоке. В табл. 1 приведены основные качественные показатели, предъявляемые к бутылочным хлопьям.

рис3(т1)

Чаще всего бутылочные хлопья перерабатывают непосредственно в штапельное волокна, нити или во вторичный гранулят ПЭТ-Р. В последнем случае хлопья сначала высушивают, затем направляют на экструзию, дегазацию под вакуумом (для выделения летучих примесей), фильтрацию и в конечном итоге - на гранулирование. Здесь очень важно обеспечить предварительную сушку хлопьев ПЭТ, чтобы в начале процесса экструзии поддерживалась как минимум постоянная влажность. Если она будет отличаться от партии к партии, это приведет к варьированию зна­чений (ц), что, в свою очередь, ведет к изменениям технических характеристик нити, прежде всего проч­ности и удлинения. Кроме того, при применении хло­пьев необходимо учитывать изменение условий на участке транспортировки и сушки из-за специфичных показателей насыпной плотности и размеров частиц. Основные отличия отмеченных выше материалов приведены в табл. 2, из которой очевидны качествен­ные преимущества первичного и вторичного ПЭТ-Р перед хлопьями, но экономический анализ, как будет показано ниже, расставляет приоритеты наоборот.

рис4(т2)

Естественно, с указанными в табл. 2 показателями хлопьев ПЭТ требуется частичная реконструкция    дей­ствующей установки в тех ее частях, где проявляется специфика этого продукта. В частности, при проек­тировании транспортных устройств (трубопроводы, промежуточные емкости и т.п.) учитывается понижен­ная «текучесть» хлопьев и их меньшая насыпная плот­ность. По этой же причине необходимо существенно увеличить объем сушилки (если таковая предусмо­трена в технологической схеме) при неизменной ее производительности. Различия насыпной плотности и характеристической вязкости обуславливают не­которую корректировку конструкции экструдера, в первую очередь изменение профиля шнека и коэф­фициента компрессии.

рис4(т2) рис5(р3)

 

Когда речь идет о переработке отходов ПЭТ, неза­висимо от их товарного вида, важное место уделяется фильтрации расплава, содержащего посторонние при­меси. Фирма ВВЕ рекомендует для бутылочных хло­пьев использовать две фильтрации, как показано на рис. 3. Первая - применение фильтра непрерывного действия (двухкасетная конфигурация) с большой по­ верхностью 5 м2, за счет чего даже при тонкой филь­трации до 20 мкм перепады давления остаются до­вольно умеренными и не приводят к продавливанию посторонних частиц через сетки фильтра. После пер­вого фильтра с большой фильтрующей поверхностью устанавливается второй узел на участке фильерного пакета, т.е. в верхней части формовочной машины. При фильтрации расплава первичного ПЭТ фильерные па­кеты (комплекты) обычно заполняются металлическим порошком, имеющим недостаточную поверхность фильтрации, требуемую в случае вторичного ПЭТ или бутылочных хлопьев. Поэтому был модифицирован ранее применяемый фильтр 3LA, благодаря чему филь­трующая поверхность новых фильерных пакетов стала почти в восемь раз превышать площадь стандартной фильтрации металлическим порошком. При этом тон­кость фильтрации составляла менее 40 мкм, фильтрую­щая площадь - около 0,07 мк при максимальной произ­водительности 10-15 кг/час.

Успешная переработка бутылочных хлопьев в ПЭФ текстильные нити стала возможной благодаря описанным выше усовершенствованиям технологии и оборудования. В меньшей степени это коснулось стадии намотки нити, которая не отличается от обыч­ных намоточных устройств, установленных на тради­ционных машинах компании «Оерликон Бармаг» типа WINGS POY.

рис6(р4)

 

На рис. 4 схематически представлена комплектная машина VarioFil R/R+ для формования предориентированной (POY) нити, крашенной в массе, напрямую из бутылочных хлопьев.

Итак, ясно, как получать из использованных бутылок ПЭФ текстильную нить. Посмотрим, насколько это оправдано с экономической точки зрения и достижения требуемого качества готовой продукции. При реализации приведенной в настоящем сообщении одностадийной технологии применения бутылочных хлопьев можно получить существенную экономию энергоресурсов, в том числе и по сравнению с двух-ступенчатой переработкой вторичного ПЭТ в виде гранул (табл. 3).

Преимущество переработки бутылочных хлопьев здесь очевидно: 45% экономии энергоресурсов, а для завода мощностью 3 тыс. т/год ПЭФ предориентированной POY нити можно сэкономить до 5 млн. руб. в год.

При строгом соблюдении требований, изложенных в табл. 1 к бутылочным хлопьям, и описанных чуть выше технологических параметров их переработки можно получить ПЭФ текстильную нить того качества, как и при использовании первичного стандартного ПЭТ, что подтверждается данными табл. 4, где приведены характеристики суровой и окрашенной нитей, полученных из хлопьев.

рис7(т3)

 

рис8(т4)

 

Из данных, приведенных в табл. 4, следует, что качество ПЭФ текстильных нитей, полученных из бутылочных отходов ПЭТ, является альтернативным вариантом нитям, сформованным из первичного гранулята или стандартного расплава ПЭТ.

Таким образом, компания ВВЕ продемонстриро­вала не только один из примеров решения важной экологической задачи утилизации ТБО, но и показа­ла эффективные пути энерго- и ресурсосбережения при использовании отходов для производства вы­сококачественной текстильной продукции. Изобра­женная схематично на рис. 4 комплектная машина

VarioFil R/R+ способна переработать на одном экс­трудере до 480 кг ПЭТ-хлопьев, обеспечивая беспе­ребойную работу четырех рабочих мест с приемкой на каждое Ют-12 паковок ПЭФ-нитей титром от 110 до 330 дтекс. Рассмотренный в данном сообщении про­цесс символизирует значимый шаг в создании эколо­гически чистой и экономически эффективной безот­ходной технологии в промышленности химических волокон и призван активизировать работы по пре­вращению обилия использованных бутылок из ПЭТ в высокооцененное текстильное сырье с широким спектром применения в современном хозяйстве.

 

Источник: Вестник Химической промышленности №2 (83) 2015

 

Отходы бутылок - в текстильные нити