废旧高分子材料的资源化利用技术(三)

作者: laokou 分类: 水处理 发布时间: 2021-08-12 13:21
(3)合成纤维

通用纤维的主要用途是纺织品,在满足人类审美的同时,提供不断提升的舒适性要求。尤其是合成纤维,更是具有颠覆性特征,其生产突破了传统棉、毛、丝、麻等纤维在天然作物种类及自然环境条件的制约,实现了纤维的产地集中化、生产高效化和产品性能可设计化、多性能化和功能化等新特征,颠覆了纤维生产的传统流程,解决了天然纤维生产周期漫长、工序复杂、产品单一、土地资源占有量巨大等缺点,彻底解决了人类的“穿衣”问题,并引领服装的主要作用由“保暖遮体”转变为功能化、时尚化和舒适化,在纤维领域占据绝对主导作用。现在以合成纤维制作的衣服透气性、防水性、保暖性、抗皱性、耐磨性、柔顺性等已经全面超过天然纤维,并且正在不断提升性能。

2.2 废旧高分子材料现状

高分子材料自问世以来,因具有质量轻、加工方便、产品美观实用等特点,颇受人们青睐,广泛应用于各行各业。随着高分子材料制品消费量的不断增长,废旧物也迅速增加,对环境的影响日趋突出。高分子材料废旧物的处理也成为全球性的问题。况且,高分子材料的原料是石油和天然气,都是不可再生的资源。近年来,石油原料有效开采储量迅速下降,更加速了废旧高分子材料的资源化进程。

根据加州大学圣塔芭芭拉分校Roland Geyer团队的研究,20世纪50年代以来,人类已生产83亿吨塑料,其中63亿吨已成为废旧物。这些废旧物中,9%被回收,12%被焚烧,其余79%(近55亿吨)被埋在垃圾填埋场或在自然环境中积累。持续严重的塑料污染对陆地和海洋环境的影响是显而易见的,人类还在不断加快塑料的生产速度。目前,塑料产量每年已达4亿吨,预计到2050年,全球将有260亿吨废旧塑料;每年有超过800万吨塑料进入海洋,如果不加以限制,到2050年,海洋里的塑料垃圾将比鱼类还多。近年来,国际顶级刊物相继发表了塑料微粒对海洋、河流中的生物和饮用水污染的相关文章,引起了全社会对塑料污染的关注。2018年,维也纳医学大学的研究团队更是首次从人类粪便中检测出微塑料,由此确认塑料污染已经进入人类的食物链,解决塑料污染问题刻不容缓。

随着全球高分子材料的产量的持续增加,高分子材料在生产、处理、循环、消耗、使用、回收和废旧的过程中也带来了沉重的环境负担。作为化工产品,高分子材料在生产过程中可能产生的环境影响已随着催化剂效率的提高、工艺的改进、控制技术的进步和装置的大型化,变得越来越小,但不断累积的废弃物造成的污染问题却越来越严重,尤其是废旧塑料,由于易老化和易破损的特点,使用周期短,大量的塑料制品特别是包装物在6~12个月后便被废弃,40%的塑料在1~2年后转化为废塑料。

据统计,目前我国城市垃圾日产量约为150万吨,年产量约5.6亿吨,紧随美国之后排在第二位,城市垃圾管理压力日益增大。垃圾中塑料占8%~9%,产生的白色垃圾亟待治理。我国每年废旧塑料和废旧轮胎占城市固态垃圾重量的10%、体积的30%~40%,难以处理,形成所谓“白色污染”(废旧塑料)和黑色污染(废旧轮胎),影响人类生态环境,也影响高分子产业自身的进一步发展。

2.2.1 废旧高分子材料的主要来源

废旧高分子材料的主要来源包括生产废料和用后废料,生产废料主要是过程中产生的废料,如废品、边角料等。其特点是干净,易于再生产。用后废料指聚合物在完成其功用之后形成的废料,这类废料比较复杂,其污染程度与使用过程、场合等有关,相对而言污染比较严重,回收和利用的技术难度高,是材料再循环研究的主要对象。

高分子材料制品的种类繁多、用途广泛,根据高分子材料的使用范围,主要来源为物流包装、农业、养殖业、交通工具、电子电器、建筑、医疗卫生、玩具、休闲娱乐等废旧物。在过去几十年中,废旧高分子一直被作为城市固体废物(MSW)的一部分。

据调查,在工业发达国家的MSW中高分子材料主要为塑料和纺织品,其中塑料废旧物最多,占4%~10%(质量分数)或10%~20%(体积分数),主要来源于包装废物、汽车垃圾和加工废料。废塑料中主要品种所占百分比分别为:低密度聚乙烯(LDPE)27%;高密度聚乙烯(HDPE)21%;聚丙烯(PP)18%;聚苯乙烯(PS)16%;聚氯乙烯(PVC)7%。近年来,我国城市生活垃圾中废塑料的含量为0.4%~1.5%(质量分数)。

废旧高分子主要来源如下图所示:

典型的废旧物包括:农用地膜、棚膜、编织袋、农业和建筑用的管材管件、购物袋、垃圾袋、食品包装袋、胶带、吸管、快餐盒、塑料瓶、塑料桶、塑料杯、输液袋、注射器、打捆绳、防震泡沫塑料、包装箱、隔层板、整理箱、汽车保险杠、座椅、汽车面板、塑料门窗、漆包线、文件袋、包装袋;橡胶轮胎、传送带、密封条、鞋;衣服、塑料绳索和网具、床单窗帘等。其中难以回收的是塑料薄膜、泡沫塑料、地膜以及混纺纤维等。

根据国内外高分子材料的产量和应用领域分析可以得知,废旧塑料和废旧纤维是产量最大的两类高分子材料,其中聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和涤纶这4种产品是用量最大,也是废弃量最多的产品。

2.2.2 废旧高分子材料的污染问题

高分子材料的大量生产,也导致大量废旧高分子材料的产生。如果这些废旧高分子材料全部进入环境,在自然界中逐渐积累起来,形成了白色污染,生态环境就会不堪重负,由此带来的危害主要表现在以下几点:

(1)废旧高分子材料的逐渐积累造成垃圾堆放点增多,填埋所用耕地面积加大,费用增加,同时耕地的减少又会引发粮食问题。

(2)焚烧废旧高分子材料虽然可以获得能量,由此而产生的二氧化碳、氯化氢、二噁英等有害物质对环境造成二次污染。

(3)大块泡沫塑料、农用地膜等进入土壤,残留时间长,特别是聚苯乙烯泡沫塑料,在土壤中可数百年不分解,影响了土地的渗透性,使土质变坏,长期影响农作物生长。

(4)江河、湖泊及海洋漂浮物中多半以上是废旧高分子材料,水生物误食或缠结后,大量死亡。1984年,意大利居民在亚得里亚海打捞上一头死鲸鱼,经解剖发现,它吞下了50多个塑料袋,有几个塑料袋卡在喉咙窒息而死。

(5)废旧高分子材料中常混有各种污染物和有害物,生活垃圾主要来源于家庭及商业服务业,这类高分子材料夹杂着大量污染物并携带各种细菌和病原体,污染环境。医疗高分子材料中含有更多的细菌。它们在收集、运输、储存的条件下,会发生细菌病原体的蔓延与繁殖,以及有机物腐败会产生恶臭气味和黑臭垃圾水,这些污染物进入环境,会造成直接或潜在的严重危害。

(6)最为严重的是,近期发现的塑料微粒对海洋、河流中的生物和饮用水的污染,研究团队已经从人类粪便中检出微塑料,确认塑料污染已进入人类的食物链,这些微颗粒极有可能对人类的身体健康造成重大影响。

2.2.3 废旧高分子材料回收现状

废旧高分子材料的回收和高值利用,是变废为宝和解决生态环境污染问题的重要途径。废旧高分子材料的回收和高值利用作为一项节约能源、保护环境的措施,受到世界各国的普遍重视。废旧高分子材料回收和高值利用方法主要包括分类回收、制取单体原材料、生产清洁燃油和用于发电等技术。一些新的废旧高分子材料高值利用技术已持续开发成功并推向应用领域。

Wrap公司的研究表明,废旧高分子材料回收利用对减少二氧化碳气体排放有重要作用。生命循环分析表明,与填埋和焚烧而回收能量的替代方案相比,回收利用每吨高分子可避免产生约1.5-2吨二氧化碳。

据前瞻网介绍,麦肯锡咨询公司研究报告提出,到2030年全球将可能有50%的高分子材料得到回收利用,比目前的水平高4倍,并可能创造巨大价值。通过废旧高分子材料回收利用,可使石化和高分子材料领域的利润增长高达600亿美元,占2016-2030年间该行业总利润增长的2/3。

目前废旧高分子材料的回收还处于初级阶段,塑料、橡胶和纤维三种材料的回收难度不同,因此回收现状也不尽相同。总体上与金属、纸张、玻璃等几类常见的材料相比,废旧高分子材料的回收率很低。但在一些产品集中度高的领域,例如轮胎和塑料瓶等,已经实现了较高的回收率。

在塑料方面,由于高分子材料作为塑料使用的范围及其广泛,所以大量回收目前难度较大,但有些种类的塑料已经有一定规模的回收利用,产品回收后一般经过分拣、清洗、改性后,仍然以塑料颗粒的形式进入塑料加工应用领域。例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料瓶,已经有技术实现了饮用水瓶回收后再制作饮用水瓶的瓶到瓶技术,也可以将回收的PET瓶进一步处理后,用作注塑制品的原材料,其它的一些废旧塑料制品,如汽车保险杠、塑料玩具、整理箱、塑料管材等,也可以实现较大规模的回收,回收产品作为垃圾袋等外观和性能要求更低的领域。

在橡胶方面,目前已回收利用的废旧橡胶主要有三个部分,一部分是废轮胎,占废橡胶总量的60%-70%,其组分主要有橡胶、炭黑、金属和纤维骨架材料、各种有机和无机添加剂,具有极高的再生利用价值,属六大固态可再生资源之一;一部分是废胶带、废胶管、废胶鞋及其他废橡胶制品;另外一部分是橡胶制品生产过程中产生的边角余料和报废产品。

在纤维方面,目前作为原料再进行回收利用的技术较少,主要原因是现在几乎所有的纺织品都是多种纤维复合在一起,同时由于纤维直径小,很难按聚合物种类进行分离。有限的一些回收是将纤维粉碎后作为填充物使用,利用价值很低。大部分被焚烧后作为热量进行回收。但由于合成纤维中涤纶占据的比例非常高,所以针对涤纶的回收目前有一定的进展,例如杜邦等开发的废旧涤纶解聚后制成对苯二甲酸二甲酯(DMT)单体,再进行聚合制备高品质纤维,已经实现了产业化应用。