Сортировка пластика

Ежедневно каждый житель планеты производит в среднем 0,74 кг мусора, около 14% которого составляет пластик. Производство пластика, вообще, одно из самых масштабных и составляет 19% от производимой во всем мире продукции. При этом, больше половины производимого пластика – это разного рода упаковка, т.е. продукция, не подразумевающая повторное использование и сразу же отправляющаяся в мусорную корзину. Кроме того, его еще и не так просто переработать, поэтому, например, в Европе лишь 31,1% идет на переработку, 41,6% сжигается, а 27,3% отправляется пополнять полигоны. Однако, по сравнению с 2006 годом переработка выросла на 79%, а пластика, отправляемого на полигоны, стало на 43% меньше.

Относительно неплохо обстоит дело в Европе, в большинстве же стран мира мусорная проблема стоит достаточно остро. В России, например, на сегодняшний день 94% всего мусора отправляется на полигоны. Пару лет назад мы, вроде бы, осознали эту проблему и принялись ее решать, но выяснилось, что без предварительной сортировки (т.е. гражданами), увы, мало что получится.

С 2020 года обязательную сортировку начали водить в Москве, но оказалось, что половина жителей в принципе не была готова к такому раскладу. Не удивительно, ведь в отличие от европейцев, россиянам никто не прививал годами (!) культуру сортировки.

Вообще, перерабатывать мусор, особенно пластик, объективно говоря, сложно. Но особенно сложно (и дорого) его рассортировать. Необходимость сортировки, в свою очередь, диктуется возможностью переработки того или иного полимера. Есть группы пригодных, условно пригодных и непригодных для переработки пластиков. Большинство существующих технологий переработки пластика ориентированы на переработку индивидуальных полимеров - PET или HDPE, за редким исключением, когда совместно могут перерабатываться, например, PP и PE.

Несмотря на далеко шагнувшие в этом деле технологии, все еще невозможно обойтись одним этапом сортировки. Это многостадийный процесс, с применением разных способов сортировки, о которых и поговорим далее.

На диаграмме видим, как устроен процесс сортировки отходов. В красной рамке объединены контактные методы сортировки, в фиолетовой – бесконтактные, т.е. когда сортировка осуществляется путем сканирования отходов каким-либо сенсором.

Гравитационная сепарация включает методы сухого и влажного разделения.

«Сухие» методы» - воздушная и баллистическая сепарация.

Как делим? Классификация происходит в противотоке воздуха по массе, форме и размеру.

Что делим? Удаляем из сырья частицы пыли, бумаги, стекла, текстиля и различных волокон. Баллистические сепараторы оборудованы классификаторами и позволяют рассортировать частицы по размерам.

«Влажные» методы включают суспензионное, вибрационное разделение и разделение в гидроциклонах.

Как делим? В основе принципа суспензионного разделения лежит разность плотностей разделяемых частиц. Так, менее плотные частицы всплывают, более плотные – осаждаются. Среда для разделения подбирается исходя из плотности разделяемых частиц.

Что делим? Посторонние частицы от пластика, смеси пластиков: PET от PP и PE или ABS от PS.

Но! Если частицы имеют близкие значения плотностей, то разделить их не удастся, как например смесь PP, HDPE и LDPE. Кроме того, на эффективность процесса сильно влияет наличие пузырьков воздуха на поверхности полимера, а также добавки, вводимые в полимеры (антиокислители, филлеры и пр.).

Вибрационное разделение

Как делим? Пропусканием через массу пульсирующей с определенной частотой струи пара или жидкости достигается разделение частиц (даже близких по плотности).

Разделение в гидроциклонах.

Как делим? В циклон подаются твердый материал и жидкость, разделение происходит под действием центробежных сил. С верха гидроциклона отводятся более легкие частицы, с низа более тяжелые.

Что делим? Отделяем примеси и делим смеси пластиков.

Но! Необходимо предварительно сортировать частицы по размерам и точно выбирать/поддерживать соотношение жидкость:твердое вещество.

Как делим? Принцип разделения основан на трибоэлектрическом эффекте. Попросту говоря, в результате трения частиц пластика друг о друга они приобретают заряд, и дальнейшее разделение происходит в соответствии с их зарядом. Если посмотреть на трибоэлектрическую цепочку (рисунок), то понятно, на каком электроде окажется тот или иной тип пластика:

Что делим? Смеси пластиков

Но! Требуется полная осушка пластика перед разделением, филлеры и добавки в составе полимера, а также форма и размер частиц влияют на эффективность разделения. Кроме того, наличие загрязнений влияет на заряд поверхности частиц.

Как делим? Метод флотации основан на различной смачиваемости частиц жидкостью (обычно водой). В среду вводится т.н. «носитель» - пузырьки воздуха, которые прилипают к гидрофобным частицам (плохо смачиваемым водой) и выносят их на поверхность, в то время как гидрофильные (те, что хорошо смачиваются водой) тонут.

Что делим? Смеси PS, PVS, PET, PC и смеси полиолефиновых пластиков.

Но! Техника не получила широкого распространения, так как требуется регенерация воды (для повышения эффективности в нее вводятся различные реагенты), а на эффективность сильно влияют наличие загрязнений и форма частиц.

Как делим? В водной среде с суспендированным оксидом железа. Под действием магнитного поля возникает т.н. «искусственная гравитация», сила которой изменяется экспоненциально в вертикальном направлении. Соответственно, эффективная плотность жидкости также изменяется в вертикальном направлении, благодаря чему и происходит разделение.

Что делим? Полимеры с близкими по значению плотностями.

Но! Эффективность зависит от смоченности частиц и отсутствия турбулентности в потоке разделяемого сырья.

Это самый точный и быстрый способ сортировки, но и одновременно самый дорогой. Разделение происходит по одинаковой схеме, разница лишь в принципе работы сенсоров:

- пластик движется по конвейеру;

- сканируется сенсором, связанным с компьютером;

- пневматическая система сортирует пластик в соответствии с командами, поступающими с компьютера.

Спектроскопические методы – в области видимого спектра или ближней инфракрасной областях.

Как делим? Так как каждый полимер имеет индивидуальный, только ему присущий спектр, сенсор снимает спектры частиц, далее происходит их обработка и отправка соответствующего сигнала пневмосистеме.

Что делим? Смеси полимеров, полимеры от дерева, стекла и т.д.

Из плюсов стоит отметить высокую скорость и многократность (а значит точность) детектирования и отсутствие прямого контакта с материалом.

Но! Размер хлопьев и их расположение на транспортере влияет на эффективность процесса. Невозможно разделение черных и темных пластиков из-за их низкой отражательной способности.

Гиперспектральная визуализация – быстрый, недеструктивный и относительно недорогой способ. Сенсоры, помимо спектральной, собирают пространственную информации о частицах и отправляют в анализатор, где формируется единая картинка. Это помогает исключить влияние расположения и формы частиц.

Рентгенофлюоресцентная сепарация

Как делим? Метод основан на детектировании излучаемого света и высвобождаемой энергии ранее облученной рентгеновскими лучами пробы.

Что делим? Черные и темные пластики. Отделение PVC пластиков, содержащих бром (придает материалам огнестойкость), которые получают все более широкое распространение.

Но! Метод не требует какой-либо предварительной подготовки сырья, но не позволяет разделять смеси других полимеров и имеет весьма серьезные ограничения, связанные с безопасностью.

Лазерная спектроскопия пробоя

Как делим? Принцип действия основан на удалении малых количеств вещества с поверхности материала путем обработки высокоэнергетическим импульсным лазером. Лазер вызывает образование микроплазмы, которая распыляет образец и вызывает излучение в ИК- и УФ-областях, регистрируемое спектрометром. Характеризует относительное содержание химических элементов в образце и их распределение.

Что делим? Смеси PVC, PS, PET, PP, LDPE и HDPE.

Кроме перечисленных, есть вспомогательные технологии - магнитная и вихревая сепарация, позволяющие отделить магнитящиеся (железо) и немагнитящиеся (алюминий, медь) металлы соответственно. Обычно они используются на предварительных стадиях сепарации и их эффективность сильно зависит от морфологии и морфометрии частиц.

Дополнительно можно выделить метод сепарации по температурам плавления, основанный на селективной термоадгезии различных материалов к ленте-транспортеру. Метод имеет низкие операционные затраты, но им можно разделить лишь 2 типа пластика.

С высокой чистотой индивидуальный полимер позволяет выделить метод селективного растворения. Процедура предусматривает растворение в подходящем растворителе, осаждение, нерастворенного материала, фильтрацию и последующее испарение растворителя. Едва ли метод получит широкое распространение, так как требует отдельных растворителей для групп полимеров и большого их расхода.

Таким образом, мы видим, что нет одного универсального способа, который бы позволял разделить мусор на множество индивидуальных компонентов. Сортировка - всегда сложный, многостадийный процесс и наибольшие сложности связаны с разделением пластиков. Это одна из основных причин, почему сегодня все больше внимания уделяется технологиям переработки смесового пластика (проще говоря - микса).

Да, это безусловно, сопряжено с совершенно иными технологическими трудностями (например, выделение хлора, при переработке PVC и т.д.), но это разумная плата за сокращение затрат на сортировку и возможность переработки полимера в товарный продукт по одной технологии.

Кроме того, при переработке микса нет необходимости обязывать жителей делать даже минимальную сортировку пластиковых отходов (например, отделять бутылки). Достаточно складывать весь пластик в отдельный контейнер, что проще.

Компания ARSKA Tech в течение нескольких лет пристально следит за развитием технологий сортировки и рециклинга бытовых отходов. Мы хотим внести свой вклад в улучшение экологической обстановки во всем мире и поэтому разработали технологию переработки полимеров в высокомаржинальный продукт.

Если вы заинтересованы во внедрении или совместном развитии нашего продукта – приглашаем к сотрудничеству.

Список использованных источников:

1. Fernando P., Use of Recycled Plastics in Eco-efficient Concrete, Woodhead Publishing, November 2018, 492 p.

2. Biswajit R., Sorting of plastic waste for effective recycling, Int. Journal of Applied Sciences and Engineering Research, Vol. 4, Issue 4, 2015, DOI: 10.6088.ijaser.04058.

3. Sathish Paulraj Gundupalli et. all, A review on automated sorting of source-separated municipal solid waste for recycling, Waste Management, 2017, 56-74 p.

4. https://datatopics.worldbank.org/

5. https://www.statista.com/