Пластиковые отходы: переработка или утилизация?

Что же делать с пластиковым мусором?

Чтобы перевести отходы пластика в готовые изделия, нужно проделать достаточно большое количество дополнительных мероприятий и технологических операций: создать инфраструктуру раздельного сбора вторичного сырья, провести его сортировку, использовать дробилки, экструдеры, литьевые машины для изготовления гранул, волокон и конечной продукции.  Тем не менее, с точки зрения бизнеса вторичная переработка пластика достаточно эффективна, поскольку во-первых, вторсырье при налаженной системе сбора, сортировки и сбыта на 40–60 % дешевле первичного, получаемого из ископаемых ресурсов, во-вторых, за счет снижения производственных затрат повышается конкурентоспособность производимых изделий и, наконец, в-третьих, рентабельность такого бизнеса может достигать 20 %.

Ежегодно в мире производится более 400 млн т различных видов пластика, и из этого объема вторично перерабатывается всего 9–12 %, а наибольшая часть отходов попадает на свалки, в окружающую среду или сжигается. Так, в Мировой океан ежегодно попадает от 5 до 12 млн т пластиковых отходов, которые образуют гигантские мусорные пятна (одно из них имеет площадь размером с территорию Франции). Известно, что микропластик обнаружен даже на Эвересте и в Марианской впадине. Существуют и чисто технические ограничения в части вторичной переработки пластика. По оценкам специалистов, только 14 % вторичного пластика пригодно для производства новых товаров, тогда как остальное количество может быть использовано как топливо или захоранивается на мусорных полигонах. Практически нет проблем с переработкой  отходов производства в виде, например, брака или литников при литье под давлением, которые можно по месту производства измельчить и добавить к первичному материалу. Но многослойные и композитные пластики практически не перерабатываются (например, упаковка для чипсов). В результате трудоемких и затратных процессов сортировки и разделения смешанных и (или) многокомпонентных отходов на составляющие вторичная переработка часто становится дороже производства нового пластика, что делает ее нерентабельной или малорентабельной без господдержки. Например, завод по переработке ПЭТ в Твери производительностью 40 тыс. т в год строился три года и обошелся в 1,2 млрд руб. со сроком окупаемости в 10 лет.

Тем не менее в странах, где налажен эффективный раздельный сбор пластиковых отходов, удается добиться высокой степени их утилизации.

Что же происходит в нашей стране с проблемой пластиковых отходов? Россия занимает 3-е место в мире по ежегодному объему неутилизируемого пластика (примерно 3,1 млн т, по данным на 2024 г.). Перерабатывается примерно 10–12 % от общего количества с получением вторичного сырья, которое может быть переработано в изделия, но в целом этот путь никак не снижает экологическую нагрузку, поскольку и эти изделия в конечном счете опять попадают на мусорные полигоны.

Итак, где же выход?

Безусловно, напряжение снимает использование пластиковых отходов в качестве топлива на мусоросжигательных заводах, однако круг пластиков, применяемых для данных целей, весьма ограничен: в основном это полиолефины (ПЭ, ПП), а, например, ПС или ПВХ не подлежат утилизации путем сжигания. Ограничение накладывается самой технологией сжигания, поскольку температура, фиксируемая в ядре пламени, достигает 750 °C, что приводит к обратимости реакций распада полимеров и образованию большого количества вредных продуктов выброса: диоксинов, хлорорганических производных, оксидов азота, монооксида углерода и т.п. В качестве еще одного довода приведем следующие цифры: при сжигании 1 т пластика в среднем образуется до 2 т углекислого газа.

Оптимальным выходом из ситуации с трудноперерабатываемыми или неперерабатываемыми пластиковыми отходами нам представляется использование метода так называемой термобарической деструкции (ТБД), относящегося по своей природе к методам химического рециклинга. Этот термин отражает два основных параметра (высокие температура и давление), используемых для достижения конечного результата, – полного разложения отходов и очистки водной среды, в которой протекает процесс. В своей работе мы попытались скомбинировать механохимическую деструкцию пластиковых отходов, проводимую в водной фазе с соотношением 80 % воды и 20 % отходов, с процессами дальнейшей переработки полученной пульпы в условиях сверхкритического состояния воды.

Суть технологии сверхкритического состояния воды

Еще в конце 1980-х – начале 1990-х гг. в Японии и США были разработаны и внедрены установки для переработки целого ряда промышленных отходов методом сверхкритического водного окисления (СКВО). Методика зарекомендовала себя как весьма перспективная и использовалась даже в таких сложных процессах, как переработка печатных плат. Однако процесс водного окисления сопровождался целым рядом негативных побочных эффектов, что приводило к коррозии основных элементов установки, отчего использование такого процесса становилось невыгодным.

В сверхкритическом состоянии вода становится универсальным растворителем и мощным окислителем, способным разрушать сложные молекулярные связи. Это позволяет:

• разлагать органические отходы (пластик, нефтешламы, сточные воды) до простых соединений без образования токсичных побочных продуктов;
• перерабатывать опасные вещества, включая боевые отравляющие вещества и радиоактивные отходы;
• производить из органических отходов топливо в виде смеси газа: метана, легких углеводородов и водорода.

Одновременно меняется воздействие воды на соли металлов: они переходят в состояние квазикристаллических гетероциклических нерастворимых соединений.

Технология сверхкритического состояния воды (СКВ) – это инновационный метод, основанный на использовании воды при температурах выше 374 °C и давлении свыше 218 атм, при которых вода приобретает уникальные свойства, соответствующие характеристикам жидкости и газа одновременно. Существенными преимуществами этой технологии являются высокая скорость протекания процессов распада (менее минуты) и универсальность: одна и та же установка может перерабатывать разнородные отходы и их смеси.

Установки для СКВО, производившиеся в конце XX в., обязательно обеспечивали стадию окисления, что, на наш взгляд, является ошибочным решением. В тот период также не использовались установки для предварительной механохимической обработки, что, безусловно, снижало производительность и эффективность самих установок СКВО. Современные установки ТБД лишены этих недостатков (см. титульное фото).

Преимущества метода ТБД по сравнению, например, с плазмохимическим способом утилизации полимеров очевидны. Они заключаются в более низкой стоимости и более высокой производительности оборудования. Например, цена плазмохимических установок для переработки 5000 т пластика в год составляет 6 млн долл. США, тогда как установка ТБД близкой производительности (7000 т пластика в год) обойдется потребителю в 2 млн долл. США. Кроме того, если на плазмохимических установках требуется дополнительная очистка реакционной среды, в которой протекает процесс (как правило, это вода), то технология ТБД дает на выходе чистую воду и газовую смесь (в основном водород и метан). Мы предлагаем также обратить внимание на то, что в случае применения ТБД происходит переход от твердой фазы к жидкой и газообразной, т.е. процесс утилизации приближается к схеме стандартного циклического природного процесса. Осталось только замкнуть цикл утилизации для получения конечного полезного продукта.

Что может быть полезным продуктом при утилизации методом ТБД?

Поставленный нами вопрос совсем не праздный, поскольку именно получение полезных продуктов при помощи метода ТБД и создает один из важнейших элементов экономики замкнутого цикла.

Одним из таких продуктов могут быть олигомеры трудноперерабатываемых пластиков, которые затем по принципу химического рециклинга можно снова полимеризовать без какой-либо потери эксплуатационных свойств и использовать для производства новых изделий. Так, предварительная обработка пластика и его измельчение до микронных размеров, достигаемое с помощью технологии магнитострикции в водной фазе, является необходимым предварительным условием успешного проведения процессов деполимеризации и газификации в реакторе СКВ. Например, нами был подвергнут процессу магнитострикции порошкообразный вспененный ПС (рис. 1, а). После трехминутной обработки в магнитострикторе была получена устойчивая водно-органическая эмульсия (рис. 1, б) с ее последующим (примерно через четыре часа) расслоением на водную и органическую фазы. Также нами были получены олигомеры ПС различной молекулярной массы (рис. 1, в, г). Таким образом, даже использование только одной стадии магнитострикции позволяет изменить подход к утилизации таких трудноперерабатываемых пластиков, как вспененный ПС.

Другим полезным продуктом является вода, которая сохраняется в процессе ТБД и может быть использована для технических нужд, а в случае ее доочистки – и для питьевых, что для стран с дефицитом водных ресурсов и высоким уровнем использования пластика (например, ОАЭ) является одним из путей эффективной экономии водных ресурсов.

Еще одним полезным продуктом является газовая смесь, которая может быть использована для создания мощностей по электрогенерации. Следует учесть, что теплотворная способность газовой смеси, получаемой в процессах ТБД, выше, чем у метана и коксующегося угля, не говоря уже о бурых углях. Объем получаемого газа зависит от мощности установки и влажности перерабатываемого пластика. Оптимальное соотношение твердой (пластик) и жидкой (вода) фаз составляет 15–20 и 85–80 % соответственно. При мощности установки 6 м³ в час перерабатываемого вторичного сырья с высоким содержанием углеводородов различной природы получится более 8 млн м³ в год газовой смеси. Нами были проведены предварительные расчеты для проекта по производству электроэнергии в Социалистической Республике Вьетнам с использованием в качестве сырья пищевых и пластиковых отходов. Оказалось, что с увеличением мощности и производительности установок существенно снижается себестоимость производимой электроэнергии (см. таблицу).

Сравнительные характеристики установок ТБД различной мощности

* При влажности 80 %.

Кроме того, использование такого типа электрогенерации для потребностей производства (например, в процессах опреснения воды) значительно снижает себестоимость конечной продукции и делает процесс менее энергозависимым от внешних источников.

Еще одним интересным направлением является применение получаемой газовой смеси в целях независимой генерации электроэнергии для майнинговых ферм. При этом используется не только газ, но и избыточное тепло, которое может быть применено для охлаждения майнингового оборудования. Доказано, что при стоимости 1 кВт×ч не выше 10 евроцентов майнинг является сверхэффективным и энергонезависимым.

Итак, с «зеленой» энергетикой все более или менее понятно. Но существует и более эффективный способ использования газовой смеси, заключающийся в том, что технология ТБД позволяет получить смесь метана и водорода, которая может быть использована как исходное сырье для производства метанола. Сам метанол является не только важным продуктом органического синтеза, но и полупродуктом для дальнейшего получения из него тех же пластиков. Тем самым как бы замыкается цикл согласно следующей эффективной цепочке: газ – пластик – жидкость/газ – жидкость – пластик.

Почему же этот простой, на первый взгляд, путь не используется широко в мировой практике? Недостаточная известность или традиционное недоверие ко всему новому? Можно только предполагать, хотя преимущества технологии ТБД очевидны. Во-первых, если говорить об экологических проблемах, то они, безусловно, решаются уже на стадии получения из полимерных отходов газовых смесей и жидких полупродуктов, которые можно использовать в качестве топлива для ТЭЦ. Это особенно эффективно для малых городов, где технология ТБД может быть использована как для переработки пластика, так и для одновременной очистки канализационных стоков этого населенного пункта. Во-вторых, это приведет к снижению добычи нефти и природного газа и, соответственно, к сокращению рентной экономики. Хотя еще в конце XIX века великий русский ученый Д. И. Менделеев писал: «Нефть – не топливо! Топить можно и ассигнациями».

Еще одним существенным препятствием является то, что мы определяем термином «сумма технологий». Это действительно серьезное препятствие, поскольку для реализации таких проектов требуются усилия разработчиков в различных областях, а тут велика опасность воплощения ситуации из басни И. А. Крылова «Лебедь, рак и щука», хотя и басня «Квартет» тоже может пригодиться.

Итак, давайте останемся на твердой почве и остановимся на процессах переработки трудноперерабатываемых пластиков с последующей электрогенерацией.

Газификация и газификаторы

Далее рассмотрим технологии, основанные на полной газификации твердых коммунальных отходов (ТКО), включая пластиковые отходы.

Современные установки для полной газификации ТКО после их предварительной сортировки позволяют перерабатывать мусор в синтез-газ и широко распространены в мире. Например, в Австралии целый небольшой город уже 30 лет (с 1995 г.) использует синтез-газ для собственного электроснабжения. Важным условием для переработки ТКО, включающих пластики, является проведение реакции газификации при температурах свыше 1200 °С, которые позволяют избежать обратных реакций образования диоксинов, хлорорганики и других вредных выбросов. А сам синтез-газ и полученное избыточное тепло можно использовать для электро- и теплогенерации. В 2010 г. группой российских энтузиастов под руководством канд. техн. наук В. Н. Драгомирова был разработан реактор «Биорекс», способный перерабатывать 2,5 т/ч подготовленных ТКО в синтез-газ (рис. 2 и 3). На выходе объем получаемого синтез-газа составляет 5000 м³/ч при его теплотворной способности около 3000 ккал/кг. Этот объем позволяет обеспечить устойчивую электрогенерацию мощностью 3 МВт.

Привлекательность этого решения заключается в первую очередь в сравнительно невысокой стоимости реактора, который с производительностью переработки мусора, например, в 20 тыс. т в год обойдется конечному потребителю в 1 млн евро. Узким местом для данного реактора является необходимость тщательной подготовки исходного сырья: его желательно избавить от повышенной влажности (не более 40–50 %) и довести частицы до нужного размера (не более 10 мм в поперечном сечении). Также надо обеспечить равномерную подачу сырья в реактор. Несоблюдение одного из этих требований приводит к уменьшению количества водорода, содержащегося в газовой смеси, и к понижению температуры в реакторе, а это, в свою очередь, ведет к увеличению вредных выбросов в атмосферу. За прошедшие 15 лет появилось много технологических решений, включая магнитострикцию (рис. 4, а), позволяющих перевести ТКО в ультрадисперсное состояние с размером частиц до 40 мкм. На наш взгляд, эффективной может являться газификация в кипящем слое, сочетающая высокую эффективность с разумной стоимостью установок. Так, цена установок небольшой мощности, позволяющей перерабатывать 5–10 т отходов в сутки и получить генерацию до 1 МВт электроэнергии, составляет от 2 до 5 млн евро. В стоимость не входят затраты на энергоустановки. Но, по нашим оценкам, себестоимость 1 кВт×ч с учетом отчислений на амортизацию оборудования не превысит 15 евроцентов. Во многом конечная себестоимость будет определяться платой, которую может получить предприятие-переработчик за утилизацию пластика и ТКО.

Заключение

Мы надеемся, что данная статья позволит многим переосмыслить проблему переработки пластиковых отходов – в первую очередь трудно- или неперерабатываемых – и сосредоточиться на проблемах их утилизации с получением вторичных продуктов. Еще раз хотим подчеркнуть, что все аспекты создания технологии замкнутого цикла по утилизации подобных отходов определены. Более того – такие установки, включая оборудование для производства метанола (рис. 4, б), реально существуют и выпускаются в России, поэтому могут быть быстро внедрены. Так, модульная установка по производству метанола была разработана в лаборатории № 12 ИВТ РАН под руководством канд. хим. наук О. В. Маловой и сегодня уже внедряется на предприятиях «Татнефти». Установки «Биорекс» были изготовлены в 2010–2015 гг. в количестве четырех единиц и размещены в ряде балканских стран, установки с применением СКВ также сегодня производятся в мире и в России.

Обращаем внимание читателей на то, что все эти установки позволяют получать водород не путем электролиза, а из отходов. Стоит только поставить соответствующие мембраны для отделения и очистки водорода из газовой смеси. Водородная энергетика на пороге!

Plastic Waste: Recycling or Disposal?

S. V. Bychin, A.M. Shapiro

This article examines the narrow scope of thermobaric degradation technology for the disposal of polymer waste of all types, and also discusses some aspects of gasification of those that are not recyclable.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 11 (318) 2025 г., с. 36-41.