and Environmental Protection
http://ago.helion.pl ISSN 1733-4381, Vol. 12 nr 1 (2010), p-47-56
Właściwości fizykochemiczne mieszanki odpadów z grupy poliolefin Czop M., Kozielska B.,
Politechnika Śląska
Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki
Katedra Technologii i Urządzeń Zagospodarowania Odpadów ul. Konarskiego 18; 44-100 Gliwice
tel. (032) 237 21 04 fax. (032) 237 11 67 e:mail monika.czop@polsl.pl
Streszczenie
W artykule zaprezentowano instalacje do przekształcania odpadów z tworzyw sztucznych w regranulat. Uzyskiwany produkt jest mieszaniną odpadów z grupy poliolefin. Odpady z tworzyw sztucznych pozyskiwane są głównie z sortowni odpadów komunalnych i selektywnej zbiórki od ludności oraz w niewielkim procencie są to również odpady poprodukcyjne. Produktem finalnym jest rozdrobniona mieszanina tworzyw sztucznych z grupy poliolefin, która służy jako dodatek do procesów produkcyjnych.
W artykule zaprezentowano wyniki badań otrzymywanej mieszanki odpadów z tworzyw sztucznych. Przeprowadzane analizy podzielono na grupy dotyczące: właściwości fizycznych, termicznych oraz chemicznych. Analizowane próbki odpadów zostały pobrane do badań z firmy Ekopartner – Silesia Sp. z o.o.
Abstract
Physical and chemical properties of the waste mix of polyolefines group
The article presents installations for the transformation of plastics waste into regranulated product. Obtained product is a mix of polyolefines group wastes. Plastic wastes are acquired maliny from the municipal waste storting plant and individual collecting from the people. A minor percentage consists of the post-production wastes. Final product is a desintegrated mix of plastics of the polyolefines group, which serves as an additive to the production processes.
The article presents test results of the obtained plastics waste. The performed analyses were divided into groups regarding: physical, thermal and chemical properties. Analysed Samales of waste were taken for tests from company Ekopartner – Silesia Sp. z o.o.
1. Wstęp
W minionych latach na rynkach państw Unii Europejskiej zaobserwowano wzrost zapotrzebowania na różnorodne opakowania z tworzyw sztucznych. W 2008 roku dominującą rolę w produkcji opakowań odegrały tworzywa sztuczne z grupy poliolefin. Szacuje się, że ich udział w tej gałęzi przemysłu stanowi 70% ogółem wytworzonych wyrobów [1, 2, 3]. zastosowanie użytkowe 4% urządzenia i przyrządy 11% budownictwo i konstrukcje 6% przemysł i zastosowanie komercyjne 7% inne 2% opakowania 70%
Rys. 1.1. Udział poliolefin w poszczególnych gałęziach przemysłu [1,2].
Wytwarzane z tego surowca opakowania stosowane są głównie do pakowania żywności i napojów, ale również produktów chemii gospodarstwa domowego oraz płyt i folii zabezpieczających produkty w czasie transportu. Obecnie dostępna paleta tworzyw sztucznych umożliwia w praktyce zastąpienie niemal każdego tworzywa naturalnego. Największy wzrost produkcji oraz popyt na tego rodzaju produkty notowany został w państwach takich jak: Czechy, Węgry oraz Polska, czyli w Państwach nowo przyjętych do Wspólnoty Państw Unii Europejskiej [5, 6, 7].
Najwięcej tworzyw sztucznych do produkcji opakowań stosuje się w krajach wysoko rozwiniętych takich jak Niemcy i Włochy, zużycie tego surowca wynosi około 3,5 miliona Mg, mniejsze zużycie można zaobserwować we Francji oraz pozostałych państwach Unii Europejskiej. Najmniej tworzyw sztucznych do produkcji opakowań zużywa się w Polsce i Hiszpanii.
W 2007 roku w Polsce selektywnie zebrano 67 000 Mg odpadów z tworzyw sztucznych, natomiast na rynek wprowadzono 499 315 Mg opakowań z tworzyw sztucznych, z czego jedynie 28% poddano recyklingowi [3]. Wynik ten pozwala stwierdzić, iż recykling odpadowych tworzyw sztucznych w Polsce zaczyna dopiero raczkować i o sukcesie w tej dziedzinie będzie można mówić kiedy poziom recyklingu tego surowca wyniesie powyżej
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 12 issue 1 (2010) 49 50% masy opakowań z tworzyw sztucznych jakie zostają wprowadzane na rynek. Sytuacja ta rodzi potrzebę szukania nowych rozwiązań pozwalających na wzrost poziomu odzysku tego surowca, gdyż Unia Europejska nakłada na Państwa członkowskie wymogi prawne, które w sposób precyzyjny określają racjonalne gospodarowanie odpadami [6, 7, 8].
2. Charakterystyka badanych odpadów
Do badań została wybrana mieszanina odpadów z tworzyw sztucznych z grupy poliolefin. W skład mieszaniny wchodziły odpady z polietylenu i polipropylenu. Analizowana mieszanka odpadów z grupy poliolefin była pobrana w postaci granulatu.
Odpady pobrane do badań pochodzą z firmy Ekopartner – Silesia Sp. z o.o. zajmującej się pozyskiwaniem odpadów z tworzyw sztucznych, a następnie ich przetwarzaniem w taki sposób, aby w efekcie końcowym uzyskać produkt w postaci przemiału, który stanowi surowiec wyjściowy dla firm zajmujących się wytwarzaniem produktów z tworzyw sztucznych. Spółka przerabia około 50 Mg odpadów z tworzyw sztucznych w skali miesiąca [4].
Do głowach źródeł pozyskiwania odpadów z tworzyw sztucznych przez spółkę należą: • odpady pochodzące z sortowni odpadów komunalnych (odpady te charakteryzują
się niską jakością, gdyż są one bardzo zabrudzone, co ma duże znaczenie dla efektywności procesu produkcyjnego, im bardziej zabrudzone są odpady tym spadek wydajności instalacji jest większy, wzrasta też zużycie wody, a także pojawia się niebezpieczeństwo spadku jakości produktu końcowego),
• odpady ze zbiórki selektywnej (odpady te charakteryzują się znacznie lepszą czystością od odpadów pochodzących z sortowni, wynika to z faktu, że nie mają one bezpośredniego kontaktu z innymi frakcjami odpadów. Odpadów z tej grupy jest jednak niewiele, gdyż zbiórka selektywna odpadów realizowana jest w niewielu gminach i z różnym skutkiem),
• odpady poprodukcyjne (stanowią najlepszą grupę odpadów z tworzyw sztucznych, gdyż charakteryzują się niemalże idealną czystością i są to najczęściej odpady jednorodne. Takie surowce są jednak trudno dostępne gdyż coraz więcej firm posiada własne instalacje do odzysku tego rodzaju odpadów tzn. prowadzi minimalizację odpadów u „źródła”).
Obecnie podstawowymi dostawcami odpadów z tworzyw sztucznych dla spółki Ekopartner – Silesia Sp. z o. o. są miejskie przedsiębiorstwa gospodarki komunalnej znajdujące się w regionie Górnego Śląska. Coraz więcej z nich dysponuje już własnymi sortowniami, dzięki którym z ogromnego strumienia odpadów komunalnych jakie dostawałyby się bezpośrednio na składowiska, można odzyskać znaczącą ilość surowców wtórnych [4].
3. Proces technologiczny linii do utylizacji odpadów z tworzyw sztucznych
Proces produkcyjny w firmie Ekopartner – Silesia Sp. z o. o. polega na tym, iż dostarczane do hali produkcyjnej odpady z tworzyw sztucznych są segregowane - o ile wymaga tego
dana partia, lub jeśli jest ona jednorodna i nieznacznie zanieczyszczona kierowane bezpośrednio na linie produkcyjną (Rys.3.1).
Na początku linii technologicznej odpady są ładowane na przenośnik taśmowy, który dostarcza je do rozdrabniacza, gdzie zostają wstępnie rozdrobnione. Tak przygotowane odpady kierowane są do kolejnego rozdrabniacza, gdzie zostają rozdrobnione według wymaganej przez odbiorcę granulacji. Wielkość płatka reguluje się doborem sita o określonej średnicy otworów.
Następnie tworzywo poprzez wysyp młyna trafia na przenośnik taśmowy i transportowane jest do kosza, skąd w miarę potrzeb odprowadzane są przenośnikiem do zbiornika mycia[4].
Utrzymujące się płatki tworzywa (polipropylenu i polietylenu) na powierzchni wody są zgarniane ręcznie za pomocą specjalnego ramienia posuwającego się po brzegach zbiornika. W ten sposób brud, ziemia lub inne niż polipropylen i polietylen tworzywa opadają na dno zbiornika. Utrzymujące się na powierzchni płatki są w wyniku ruchu ramienia myte. W przypadku mocno zanieczyszczonych odpadów do wody w wannie dodawany jest detergent, przez co zwiększa się skuteczność mycia. Brudna woda w zbiorniku jest wywożona okresowo wozem asenizacyjnym do oczyszczalni ścieków.
Lżejsze od wody płatki tworzywa spływają rynną zbiornika na sito wibracyjne, które wibrując powoduje intensywne ociekanie wody z tworzywa. Dzięki wibracjom sita i jego nachyleniu pod kątem 80 tworzywo przesuwając się spada do umieszczonej poniżej wanny, w której oczekuje na dalszą część procesu.
Z wanny tworzywo jest podawane do kosza zasypowego, z którego materiał transportuje się przenośnikiem ślimakowym do rurociągu suszącego gdzie styka się ono z podgrzanym powietrzem ogrzewanym przy pomocy nagrzewnicy napędzanej olejem opałowym. W ten sposób mokre tworzywo w rurociągu suszącym jest porywane strumieniem nagrzanego powietrza. Wysuszone tworzywo kierowane jest do cyklonu, gdzie ruchem wirowym unoszone jest przez pęd powietrza. Pod wpływem siły odśrodkowej cząstki tworzywa są odrzucane na pobocznicę walca skąd pod wpływem występujących prądów i siły grawitacji opadają do części stożkowej cyklonu. Z części stożkowej zsypują się do workownicy, na której króćcach znajdują się zasuwy. Na króćcach można zawiesić worki typu „big-bag” lub podstawić odpowiednie pojemniki.
W celu opróżnienia workownicy z suchego już przemiału podstawia się wór lub pojemnik a następnie odsuwa zasuwy. Po napełnieniu się „big-baga” zamyka się zasuwę, a w miejsce napełnionego zakłada wór pusty.
Powietrze wykorzystane w cyklonie oczyszczane jest poprzez zespół filtrów wykonanych ze specjalnej włókniny poliestrowej i wentylatorem wyciągane na zewnątrz [4].
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 12 issue 1 (2010) 51
4. Wyniki badań
Analizę poszczególnych właściwości fizykochemicznych badanych odpadów z tworzyw sztucznych wykonano zgodnie z obowiązującymi polskimi normami.
Każde oznaczenie zostało wykonane trzykrotnie, a każda seria pomiarowa była przeprowadzona w taki sam sposób. Wyniki badań przedstawione w tabelach stanowią średnią arytmetyczną.
W ramach analizy odpadów z tworzyw sztucznych wykonano oznaczenia określające podstawowe właściwości fizyczne (tabela 4.1).
Tabela 4.1. Właściwości fizyczne badanych odpadów z tworzyw sztucznych. Lp. Rodzaj oznaczenia Jednostka Wyniki
1 Wilgotność całkowita % 0,03
2 Gęstość objętościowa kg/m3 0,04
3 Gęstość nasypowa kg/m3 0,03
Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić iż analizowane odpady z tworzyw sztucznych charakteryzują się niewielką zawartością wilgoci, jest ona na granicy oznaczalności i wynosi 0,03%.
Pod względem transportu i przechowywania odpadów z tworzyw sztucznych pożądany jest możliwie wysoki stopień zagęszczenia odpadów. Badana próbka charakteryzuje się gęstością rzędu 0,03 kg/m3, podczas gdy dane literaturowe określają gęstość czystego polietylenu i polipropylenu na poziomie około 0,90 kg/m3. Taka niska gęstość nasypowa jest spowodowana dodatkowym rozdrobnieniem, które ma na celu obniżenie kosztów transportu.
Dokonana została analiza podstawowych właściwości paliwowych badanych odpadów. Wyniki przedstawiono w tabeli 4.2.
Tabela 4.2. Właściwości paliwowe badanych odpadów z tworzyw sztucznych Lp. Rodzaj oznaczenia Jednostka Wyniki
1 Części lotne % 99,13
2 Części palne % 99,1
3 Części niepalne % 0,86
4 Ciepło spalania MJ 62,99
5 Wartość opałowa MJ/kg 62,94
Badane odpady z tworzyw sztucznych charakteryzują się dużą zawartością części palnych oraz części lotnych. Wielkości te są rzędu 99%, świadczy to o dużej zawartości substancji palnych. W trakcie termicznej degradacji odpady z tworzywa sztucznego nie powstaje
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 12 issue 1 (2010) 53 popiół gdyż odpady wypalają się niemalże do końca, ale powstaje duża ilość produktów gazowych, co może powodować większą emisję zanieczyszczeń wprowadzanych do atmosfery. Podczas termicznego przekształcania odpadów z tworzyw sztucznych powstają głównie tlenek węgla i ditlenek węgla, ditlenek siarki i tlenki azotu, wymienione gazy przyczyniają się do wzrostu efektu cieplarnianego.
Zawartość wilgoci oraz części palnych w badanych odpadach ma wpływ na wartość opałową. Wartość opałowa jest wyższa gdy odpad charakteryzuje się niewielką wilgotnością oraz dużą zawartością części palnych. Wartość opałowa badanych odpadów wynosi 63 MJ/kg. Wartość opałowa badanych odpadów z tworzyw sztucznych jest wysoka i przewyższa wartość opałową charakterystyczną dla oleju opałowego 43 MJ/kg. Tak wysoka wartość może być spowodowana wymieszaniem odpadów oraz pozostałościami różnych środków użytych do mycia oraz substancji, które były przechowywane w opakowaniach.
W badanych odpadach z tworzyw sztucznych określono zawartości podstawowych składników elementarnych takich jak azot, siarka, węgiel i wodór. Wyniki zaprezentowano na rysunku 4.1. węgiel 85,56% wodór 0,14% pozostałe składniki 13,79% azot 0,29% siarka 0,22%
Rys. 4.1. Skład elementarny badanych odpadów z tworzyw sztucznych.
Analiza składu elementarnego wykazała, iż badane odpady składają się głównie z pierwiastka węgla, co jest zgodne z ich budową ponieważ odpady należą do związków polimerowych. Udział pozostałych pierwiastków takich jak: wodór, siarka i azot, jest śladowy.
Około 14% w badanych odpadach stanowią pozostałe składniki takie jak tlen (O2) i chlor
(Cl) oraz fosfor (P), które ze względu na brak możliwości technicznych i ekonomicznych nie zostały oznaczone.
Korzystną cechą badanej próbki jest fakt, że w trakcie termicznej degradacji odpadów może wystąpić niska emisja tlenku siarki i azotu.
W celu określenia stopnia zagrożenia dla środowiska przyrodniczego jakie mogą wywoływać analizowane odpady w trakcie składowania, przeprowadzono oznaczenia w zakresie wymywalności zanieczyszczeń. Wyniki tych oznaczeń przedstawiono w tabeli 4.3.
Tabela 4.3. Wymywalność zanieczyszczeń z wyciągu wodnego z odpadów z tworzyw sztucznych.
Lp. Rodzaj oznaczenia Jednostka Wyniki
1 Chlorki mg/dm3Cl- 50
2 Azot azotanowy (V) mg/dm3NO3- 0,18
3 Azotany mg/dm3 0,79 4 Siarczany mg/dm3SO4 2- 3,80 5 Ortofosforany (V) mg/dm3PO43- 6,00 6 Fosfor mg/dm3 1,96 7 pH - 9,39
Badania stopnia wymywalności zanieczyszczeń z analizowanych odpadów wykazały, nieznaczny wpływ na środowisko glebowe, gdyż oznaczone składniki nie przekroczyły dopuszczalnych wartości.
Zawartość chlorków w wyciągu wodnym z odpadów wynosi 50 mg/dm3, otrzymana wartość nie przekracza dopuszczalnej zawartości chlorków w ściekach, które mogą być wprowadzane do wód lub ziemi.
Zawartość azotu azotanowego i siarczanów również jest niewielka. Natomiast zawartość fosforu wynosi około 2 mg/dm3, co może powodować zjawisko eutrofizacji zbiorników wodnych.
W ramach analizy odpadów pod kątem możliwości zagrożenia dla środowiska przeprowadzono również badania na zawartość składników agresywnych. Uzyskane wyniki zamieszczono w tabeli 4.4.
Analiza odpadów z tworzyw sztucznych wykazała, iż nie zawierają one dużych ilości składników agresywnych, takich jak SO2 czy NO3 ponieważ ich zawartość jest na granicy
oznaczalności. Natomiast badane odpady charakteryzują się znaczną ilością HCl, około 137 g/kg. Taka zawartość może być spowodowana dodatkami pochodzącymi np. z detergentów, utwardzaczy, plastyfikatorów.
Archives of Waste Management and Environmental Protection, vol. 12 issue 1 (2010) 55
Tabela 4.4. Wyniki oznaczeń składników agresywnych
Lp. Rodzaj oznaczenia Jednostka Wynik
1 Chlorowodór (HCl) g/kg 137,52
2 Tritlenek azotu (NO3) mg/dm3 0,4
3 Ditlenek siarki (SO2) mg/kg p.o. p.o. - poniżej progu oznaczalności
5. Wnioski
Przeprowadzone analizy właściwości fizykochemicznych odpadów z tworzyw sztucznych z grupy poliolefin pozwalają sformułować następujące wnioski:
1. Poznanie właściwości fizykochemicznych odpadów pozwala na określenie kierunku ich powtórnego wykorzystania lub ekonomicznego ich zagospodarowania,
2. W Polsce z roku na rok maleje ilość odpadów z tworzyw sztucznych kierowanych na składowiska a dynamicznie wzrasta stopień recyklingu,
3. Badana próbka odpadów z tworzyw sztucznych posiada znikomą wilgotność, charakteryzuje się wysoką wartością opałową ok. 63 MJ/kg, niską zawartością substancji palnych, można stwierdzić, że odpady z tworzyw sztucznych odznaczają się dużą podatnością do wypalania, a zatem spełniają ogólne wymogi stawiane materiałom palnym, co jest pozytywne w przypadku degradacji termicznej,
4. Analizowane odpady z tworzyw sztucznych zawierają nieduże ilości takich pierwiastków jak siarka, azot co nie będzie prowadziło do dużej emisyjności gazowej takich produktów jak ditlenek siarki (SO2) czy tlenki azotu (NOx),
5. Rozdrobnione odpady z tworzyw sztucznych posiadają małą gęstość nasypową co wiąże się z mniejszymi kosztami transportu oraz z mniejszą powierzchnią potrzebną do ich magazynowania,
6. Analizowane odpady charakteryzują się zerową wymywalnością zanieczyszczeń, praktycznie wymywają się jedynie zanieczyszczenia z ich powierzchni, które powstają w trakcie użytkowania, zbiórki i transportu,
7. Zawartość składników agresywnych w produktach gazowych takich jak ditlenek węgla, tritlenek azotu jest na progu oznaczalności. Niepokojąca jest duża zawartość w produktach gazowych chlorowodoru, jest ona rzędu 137 g/kg, wielkość ta może być spowodowana zarówno substancjami dodawanymi w czasie produkcji tworzywa (np. plastyfikatory) może być też spowodowana zanieczyszczeniami po środkach, które były przechowywane w opakowaniach z tworzyw sztucznych oraz może być to wpływ środków myjących użytych na linii technologicznej służącej do obróbki odpadów.
Na podstawie uzyskanych wyników badań można stwierdzić, że odpady z tworzyw sztucznych nadają się pod względem energetycznym do termicznej utylizacji. Należy jednak pamiętać, że taka metoda niesie też za sobą negatywny wpływ np. na atmosferę, Odpady w tworzyw sztucznych można wykorzystać jako surowiec do produkcji innych elementów z tworzyw sztucznych po zmianie w regranulat np. do produkcji doniczek, ławek, znaków drogowych itp. Ponieważ nie tracą na jakości
Literatura
[1] Kozielska B.: Oznaczanie właściwości fizycznych i chemicznych odpadów z grupy poliolefiny (PO), Politechnika Śląska, Praca magisterska, Gliwice 2009,
[2] Światowy rynek produktów trermoformowanych z tworzyw sztucznych – 2008 rok. Dostępny na stronie internetowej: http://www.tworzywa.com.pl, z dnia 1.04.2009.
[3] Główny Urząd Statystyczny - Ochrona Środowiska 2008, Warszawa 2008,
[4] Kotlarski K.: Kierunki zagospodarowania odpadów z tworzyw sztucznych. Doświadczenia nowo powstałej firmy EKOPARTNER – SILESIA SP. Z O.O., Politechnika Śląska, Praca magisterska, Katowice 2004.
[5] Hyla I: Tworzywa sztuczne własności – przetwórstwo – zastosowania, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2004,
[6] Dobrosz K., Matysiak A.: Tworzywa sztuczne właściwości i zastosowanie, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1979,
[7] Wandrasz J. W., Wandrasz, A. J.: Paliwa formowane, biopaliwa i paliwa z odpadów w procesach termicznych, Wydawnictwo Seidel – Przywecki Sp. z o.o., Warszawa 2006,
[8] Bilitewski B., Hardtle G., Marek K.: Podręcznik gospodarki odpadami, teoria i praktyka, Wydawnictwo Seidel – Przywecki Sp. z o.o., Warszawa 2006.
