Metody zagospodarowania polimerowych odpadów kompozytowych

Materiały kompozytowe otrzymane na bazie włókien szklanych lub węglowych oraz termoutwardzalnych lub chemoutwardzalnych żywic polimerowych, są bardzo niewdzięcznym materiałem do recyklingu. Szczególnie trudne do obróbki są odpadowe żywice epoksydowe z uwagi na ich wyjątkowo trwałe usieciowanie i odporność na działanie większości czynników chemicznych. Aktualnie na świecie proponowanych jest kilka sposobów przetwarzania, utylizacji i recyklingu odpadów kompozytowych :

• Składowanie – szeroko stosowane z uwagi na prostotę i niskie koszty. Składowane kompozyty są trwałe i obojętne dla środowiska, co jest równocześnie zaletą i wadą. Niestety w wielu przypadkach z uwagi na obecność pustych przestrzeni znacząco rośnie objętość składowanych odpadów;
• Rozdrabnianie i dodatek kompozytu do betonu jako substytut kruszywa. Wadą tej metody jest hydrofilowość odpadów oraz słabe właściwości mechaniczne otrzymanych mieszanek betonowych. Niebagatelną rolę odgrywa również wysoki koszt rozdrabniania odpadów;
• Silne rozdrabnianie, mieszanie z dodatkowymi świeżymi porcjami polimeru, a następnie produkcja nowych elementów konstrukcyjnych i użytkowych. Wadą jest słaba wytrzymałość mechaniczna otrzymanych wyrobów i wysoki koszt przetwarzania;
• Spalanie w spalarniach odpadów i cementowniach. Wadą jest duża zawartość części stałych przekraczająca 50%, mała wartość energetyczna, bardzo duże koszty rozdrobnienia, często odpady są zanieczyszczone PVC i pianką PUR i należy je spalać w dedykowanych spalarniach odpadów;
• Piroliza w reaktorach obrotowych, fluidalnych i in. Podobnie jak w przypadku spalania problemem jest duża zawartość części stałych i mała szybkość procesu. Stałe produkty pirolizy (włókna) są mocno zanieczyszczone, rozdrobnione i posiadają niską wytrzymałość mechaniczną co utrudnia ich recykling. Również ciekłe produkty pirolizy są mocno zanieczyszczone, mają skłonność po repolimeryzacji i zestalania;
• Solwoliza – recykling chemiczny polegający na chemicznej depolimeryzacji i usunięciu matrycy polimerowej z kompozytu za pomocą płynnych rozpuszczalników. Heterogeniczny układ i duża zawartość części stałych są przyczyną małej szybkości solwolizy. Poprawę kinetyki można osiągnąć poprzez silne rozdrobnienie odpadu oraz stosowanie wysokich ciśnień i temperatury. Rozróżniamy:
• hydrolizę z użyciem wody lub alkoholi alifatycznych prowadzoną w warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury, często w warunkach nadkrytycznych;
• wysokotemperaturową glikolizę, często z dodatkiem specjalistycznych katalizatorów;
• stosowanie agresywnych rozpuszczalników (fenol, aceton) w bardzo wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem;
• destrukcyjne trawienie żywicy kwasem octowym, azotowym i in.

Należy podkreślić, że procesy solwolizy są aktualnie najbardziej atrakcyjną metodą recyklingu zużytych łopat turbin wiatrowych. W ostatnich latach opublikowano setki artykułów naukowych opisujących solwolizę materiałów kompozytowych. Brak jest jednak informacji o wdrożeniach przemysłowych, a doniesienia literaturowe opisują najczęściej badania w skali laboratoryjnej, rzadko przekraczającej masę kilku gram przetwarzanego kompozytu. Ogólną zaletą solwolizy jest otrzymywanie stosunkowo czystych włókien szklanych i węglowych, a otrzymane włókno zachowuje większość swoich właściwości mechanicznych. Problem recyklingu chemicznego to przede wszystkim bardzo niska szybkość ogólna procesu solwolizy wynikająca z jego heterogenicznego charakteru. Szybkość procesu można zwiększyć poprzez znaczne rozdrobnienie kompozytu, ale odzyskuje się wówczas krótsze, trudniejsze do zagospodarowania włókna. Poprawę kinetyki solwolizy można zwiększyć stosując wysoką temperaturę i ciśnienia procesu. Niestety stosowanie autoklawów w znaczący sposób zwiększa koszty solwolizy i niesie za sobą szereg utrudnień aparaturowych i procesowych. Z kolei rozpuszczanie kwasami i stosowanie katalizatorów solwolizy prowadzi do powstawania dużych ilości trudnych do zagospodarowania toksycznych ścieków. Należy ponadto podkreślić, że bardzo często stosowane solwenty mają ograniczone, wybiórcze działanie i dedykowane są do konkretnego rodzaju żywicy, np. żywicy epoksydowej, a ich działanie destrukcyjne w stosunku do innych polimerów jest o wiele słabsze.

Przygotował: Krzysztof Jastrząb, kjastrzab@itpe.pl

Zakład Transformacji Energetycznej