Древнюю технологию приспособят для современных нужд
Оборудование для тестирования продуктов реакции. Фото: группа Юрия Косивцова
Если не так давно использование вторсырья и переработка отходов ассоциировалась у наших сограждан с прошлым - советскими практиками добровольно-принудительного сбора металлолома и макулатуры, то сегодня всё чаще люди связывают эти практики с будущим. Это своего рода техногенный аналог природных экосистем со своими «секретами» поддержания баланса. Но на деле переработка отходов сталкивается с рядом научных, технологических и даже этических проблем.
Создать спрос
Прежде чем запустить переработку отходов в промышленном масштабе их нужно собрать, а это уже проблема. В мире ежегодно образуется примерно 30 миллионов тонн только пластиковых отходов, и только около 10% из них идет на переработку. В России тоже существуют предприятия такого профиля, но «предложение» их услуг нередко превышает спрос. «Один из основных казусов, о которых рассказывают представители таких компаний в СМИ и на отраслевых конференциях - это то, что количество мощностей для переработки полимеров в России превышает объемы того сырья, которое им удается найти, - рассказал STRF.ru Александр Цыганков, директор по развитию Charity Shop. - К примеру, заводу по переработке ПЭТ «Пларус» из Подмосковья приходилось импортировать вторичный пластик из-за рубежа, чтобы загрузить свои мощности».
А большую часть полимеров сегодня «утилизируют» как правило, это значит «сжигают», что приводит к выбросам углекислого газа и других оксидов и накопление несгоревшего остатка, всё это не только трата полезного сырья, но и загрязнение окружающего пространства.
Пиролиз: температура под контролем
Но не менее важной является задача максимизации полезности самой переработки. Если говорить о полимерных отходах, то «на выходе» в теории можно получать широкий спектр топливных фракций, а также композитные материалы и энергию.
Сейчас одним из распространённых и эффективных направлений переработки таких сложных полимеров как каучуки является их дробление. Полученную в результате резиновую крошку применяют на предприятиях в качестве реагента. Но помимо крошки при дроблении образуется «побочный продукт» - полимерный корд, который, вместе с «запутавшейся» в нём крошкой, составляет до 30% сырья. Чтобы переработать и его механического воздействия недостаточно.
Учёные из Тверского государственного технического университета под руководством доктора технических наук, профессора Юрия Косивцова уверены, что, решить проблему можно, взяв под контроль процессы, происходящие при высоких температурах. В частности, это направление развивается в рамках проекта «Разработка технологии экологически чистой утилизации полимерных отходов методом низкотемпературного каталитического пиролиза с получением горючих газов, жидких топливных фракций и композиционных материалов для различных применений», поддержанного ФЦП «Исследования и разработки» на 2014-2020 годы.
Пиролиз (диструкция), на который делают ставку учёные, - это химический процесс, при котором под воздействием высоких температур и при недостатке кислорода разлагаются органические (и многие неорганические) соединения.
«Пиролиз - не самая новая технология, - рассказал Косивцов. - Ещё древние люди в пещерах пользовались каменным углём, а он получается методом пиролиза. Мы же усовершенствовали и сам процесс, добавив специальные катализаторы, и установку».
Действительно, воздействие на древесину высокими температурами с ограниченным доступом кислорода известно с древнейших времён. Именно на древесном угле разжигали печи наши предки времён железного и бронзового веков.
Старая технология в новом прочтении
Усовершенствования этого древнего умения, произведённые коллективом из ТГТУ, привели к тому, что помимо угля в результате реакции получается ещё и водород, который в чистом виде, вероятно, станет основой энергетики будущего.
«Фактически, на выходе мы получаем два полезных продукта - пояснил руководитель проекта. - Это электрическая энергия, которая вырабатывается прямо в установке и потом подаётся в энергосети. И углеродный остаток, полученный после пиролиза - низкосортный уголь, который может использоваться в качестве абсорбента».
Кроме того учёные выделяют жидкие и газообразные топливные фракции, причём именно их выход они стараются максимизировать, снизив долю твёрдых продуктов реакции.
Но один из важных недостатков этого процесса состоит в том, что полезный выход у реакции пиролиза получается только при очень высоких температурах - около 1000°С. Чтобы адаптировать этот метод для производства, научный коллектив из ТГТУ совершенствует установку, а самое главное, ищет эффективные и при этом недорогие катализаторы, которые позволят существенно снизить температуру реакции.
Объёмы газообразных продуктов реакции пиролиза в зависимости от температуры, наличия и вида катализатора.
Из презентации научного коллектива ТГТУ
В качестве катализаторов для пиролиза используются различные материалы - и хлориды металлов, и алюмосиликатные катализаторы, особые глины, которые широко применяются для крекинга. Последним отдали предпочтение и учёные из ТПГУ, ведь такие катализаторы не только весьма эффективны, но и доступны, а потому недороги. Благодаря их использованию удалось снизить температуру пиролиза с 1100°С до 400-600°С, при этом полезный выход такого низкотемпературного пиролиза увеличился на 10-30% в зависимости от видов катализаторов и времени протекания реакции.
Понижение температуры означает и снижение стоимости конечного продукта (можно использовать менее жаростойкие материалы в установке, да и расходы энергии на нагрев сокращаются), а значит, большую жизнеспособность технологии.
Пиролиз проходит, условно говоря, в три этапа. Сначала полимер (это может быть, например, старая автомобильная покрышка, а могут быть и другие полимеры - для различного «мусора-сырья» можно подобрать оптимальные катализаторы) распадается на твёрдый угольный остаток, тяжёлые и легкие углеводороды, а также газы: водород, угарный газ, метан и другие. Затем последовательно разлагаются тяжёлые углеводороды - на лёгкие и газы, и лёгкие - на газы. Чем бо́льшая доля тяжёлых и лёгких газов прореагирует - тем больше будет полезный выход реакции.
Кстати, генерирует тепло установка тоже сравнительно дешёвым способом - в качестве топлива используется легкодоступный дизель, впрочем, установка может работать и на других видах топлива.
Эту технологию взял на вооружение индустриальный партнёр проекта - компания «Экомашгрупп», один из ведущих российских поставщиков оборудования для утилизации мусора. Заказ на установку уже есть - предприятие «Искож» в Тверской области рассматривает возможность использования технологии для переработки каучука. «С нашим индустриальным партнёром у нас полное взаимопонимание», - отметил Косивцов.
Возможно, в ближайшем будущем мусор наконец займёт своё достойное место в списке «сырьевых ресурсов».
Ксения Болохова
http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=117338#.VxHk00-E4c1