Preparation of multilayer food packaging waste for processing to secondary materials

Abstract

The paper considers the problems of multi-layer food packaging processing and presents the results of research of the reagent layer separation of waste food packaging using dilute nitric acid for subsequent processing.

Full Text

В России, как в большинстве стран Западной Европы и мира в целом, для хранения жидких продуктов питания длительное время используют многослойную упаковку, в том числе фирмы Тетра Пак. Такую упаковку изготавливают путем последовательного соединения шести различных слоев из полиэтилена, картона, алюминиевой фольги, причем на 75% упаковка состоит из картона, на 20% из полиэтилена и 5% от общего объема составляет алюминиевая фольга. Для прочного скрепления слоев разнородных материалов между собой при изготовлении упаковки применяют метод горячего прессования. В настоящее время в России примерно 40% всех образующихся твердых бытовых отходов составляет упаковка, в том числе и многослойная. Отсутствие системы раздельного сбора отходов приводит к тому, что пока основная часть отходов упаковки поступает на полигоны для захоронения или на мусоросжигательные заводы. Перерабатывается в России только 15 тысяч тонн картонной упаковки из-под соков и молока, к 2020 году планируется этот объем довести до 100 тысяч тонн. Поскольку не существует единой технологии переработки разнородных материалов, входящих в состав упаковки, необходимо предварительно разделить её слои. На комбинатах по производству бумаги из отходов упаковки вымывается качественное целлюлозное волокно, которое впоследствии идет на изготовление канцелярской и туалетной бумаги, бумажных пакетов, гофротары и т.п. После отмывки целлюлозы для переработки и разделения плотно соединенных слоев полиэтилена и алюминиевой фольги в настоящее время в промышленности применяются следующие технологии: Горячее прессование - используется при производстве строительных материалов, панелей, кровельных материалов и т.д. Данный технологический процесс - наименее сложный среди других, широко распространен в Южной Америке. Пиролиз под действием СВЧ излучения. Технологический процесс, разработан компанией Enval. В отличие от сжигания, процесс пиролиза происходит без окисления и горения материала (в данном случае отходов упаковки), что дает возможность избежать выделения парниковых газов или токсичных веществ. Поскольку для осуществления процесса пиролиза Enval используют в качестве источника нагрева энергию микроволновых излучений и для него возможно применение возобновляемой электроэнергии, то весь процесс может быть нейтральным по отношению к высвобождению углерода [1]. Грануляция - позволяет при высокой температуре и давлении получить однородный материал в форме гранул. Гранулы используются в качестве сырья для изготовления пластмассовых изделий. Полиалюминиевая смесь (ПАС) как сырье обладает высокими качествами, что приводит к более широкому распространению этого вида технологии и вытеснению популярного пиролиза. Немаловажной причиной этого является более полное в сравнении с пиролизом соответствие концепции полного рециклинга. Низкотемпературная плазма - при высокой температуре, обеспечиваемой плазменным факелом, в условиях отсутствия кислорода ПАС разделяется. Алюминий в жидком состоянии попадает в рабочую камеру и остывает, принимая заранее заданную форму, а полиэтилен испаряется и конденсируется в форме парафина. Данный процесс осуществляется в установке «Плазма» и привлекает особое внимание тем, что каждый компонент возвращается в производственную цепочку в качестве элемента сырья. Эта технология разработана компанией TSL Ambiental (Бразилия) [2]. Также имеются данные о существовании сухого метода разделения многослойной упаковки типа Тетра Пак путем воздействия на ее фрагменты ударными силами трения. После такого механического воздействия происходит отделение целлюлозы от полиалюминиевой смеси, а затем разделение при помощи воздушной струи этой смеси на алюминий и полиэтилен [3]. В институте Инженерной экологии и химического машиностроения Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ) в течение ряда лет ведутся работы по реагентному разделению слоев полиэтилена и алюминиевой фольги. Предложен способ утилизации слоистых алюминированных материалов [4], за счет обработки измельченных слоев полиэтиленовой пленки и фольги уксусной кислотой концентрацией 80 - 90% при температуре выше 60 ºС. Определены оптимальные параметры процесса разделения слоев уксусной кислотой и технология реализации процесса [5]. Показано, что экономически целесообразно проводить разделение слоев материала при рециркуляции реагента и наличии в технологической схеме системы его регенерации. Поскольку концентрированная уксусная кислота обладает высокой летучестью, токсичностью и стоимостью, авторами проведены исследования и разработаны рекомендации по использованию для обработки отходов многослойной упаковки более дешевой и крупнотоннажной по производству слабой азотной кислоты. Производства «основной химии», в том числе производства азотной кислоты, в России и в странах бывшего СССР по настоящее время остаются крупнейшими в мире. И предлагаемые технологии переработки могут использоваться в крупных химических центрах России (городах Невинномысск, Нижний Новгород, Новгород и т.д.). При использовании в качестве реагента азотной кислоты не требуется разработка отделения регенерации реагента, т.к. мы получаем жидкий товарный продукт - нитрат алюминия, который применяется в текстильной промышленности в качестве протравы при дублении кож или в качестве катализатора при очистке стоков от нефтепродуктов и т.д. Образование нитрата алюминия проходит по реакции: 8Al + 30HNO3 → 8Al(NO3)3 + 3N2O↑ + 15H2O. Если принять, что разделение слоев в образце происходит в основном от кромки (разреза) образца к центру, а не за счет диффузии реагента через полимерную пленку, что визуально подтверждается, то степень измельчения отхода влияет на время разделения слоев. Результаты эксперимента подтвердили правильность этого предположения. В лаборатории для разделения слоёв опытных образцов отходов упаковки использовалась слабая азотная кислота концентрациями 15, 30, 60%. Образцы отходов помещались в термостатированный стеклянный сосуд с перемешивающим устройством. Время окончательного разделения слоев полиэтиленовой пленки и алюминиевой фольги определялось визуально. Результаты эксперимента представлены на рисунке 1. Сравнивая результаты разделения слоев упаковки с применением азотной и уксусной кислот различных концентраций температур (см. рисунок 2), можно отметить, что использование слабой азотной кислоты (до 60%) позволяет провести процесс за меньшее время и при более низкой температуре. Рисунок 1. Результаты экспериментов по разделению слоев полиэтиленовой пленки и алюминиевой фольги (образцы размером 5 х 5 мм) с использованием азотной кислоты Для определения количества алюминия, вступающего в реакцию с азотной кислотой за время разделения слоев, были проведены следующие замеры. Рисунок 2. Сравнение эффективности разделения слоев полиэтиленовой пленки и алюминиевой фольги с использованием азотной и уксусной кислот На электронных весах определяли массу образца (полиэтиленовая пленка+алюминиевая фольга). Затем образец помещали в термостатированный реактор с 30%-ной азотной кислотой и выдерживали при температуре 40 ºС в течение 15 минут до полного разделения слоев пленки и фольги. В результате контакта алюминиевой фольги и разбавленной азотной кислоты при разделении слоев часть алюминия переходила в раствор с образованием нитрата алюминия. После этого разделенные слои полиэтиленовой пленки и алюминия промывали дистиллированной водой, высушивали и еще раз взвешивали на электронных весах. Поскольку полиэтиленовая пленка инертна к с азотной кислоте, то потеря массы связана с реакцией алюминия с азотной кислотой и образованием нитрата алюминия. Массовая концентрация (С, %) нитрата алюминия, образовавшегося за один цикл работы установки, определялась по зависимости: , где m1 - масса образца до обработки кислотой; Δm =m1 - m2 - изменение массы образца после обработки кислотой; m2 - масса образца (слоев алюминиевой фольги и полиэтиленовой пленки) после обработки кислотой. Экспериментально установлено, что за 15 минут обработки образца 30% азотной кислотой в раствор переходило 29 - 31% от первоначальной массы алюминиевой фольги. Полученные при реагентном разделении слои полиэтилена и алюминиевой фольги далее могут перерабатываться по известным и широко применяемым в промышленности технологиям. Выводы Экспериментально установлено, что для проведения процесса разделения слоев в качестве реагента можно рекомендовать использовать 30% азотную кислоту при температуре 30…40 ºС. Уменьшение концентрации азотной кислоты в растворе увеличивает время разделения слоёв, а увеличение температуры раствора способствует интенсификации процесса разделения. Сравнение результатов разделения слоев многослойной упаковки с применением уксусной и азотной кислот показало, что для проведения процесса возможно применение слабой азотной кислоты (концентрация 30%, температура 30…40 ºС) вместо рекомендованной ранее концентрированной уксусной кислоты (концентрация 80…90%, температура 60…90 ºС [5]). При использовании азотной кислоты в качестве реагента для обработки многослойных отходов образуется жидкий товарный продукт нитрат алюминия. Замена реагента позволит упростить технологию разделения слоев отходов и удешевить производство в целом.