آفاق تطبيق تقنية التخلص الحراري/إعادة التدوير لنفايات رغوة البولي يوريثان
المشكلة
يتم إنتاج ملايين الأطنان من منتجات البولي يوريثان سنويًا حول العالم، وتمثل نسبة كبيرة منها منتجات تستخدم لمرة واحدة. بدأ استهلاك البوليمرات في الازدياد منذ بداية الستينيات من القرن العشرين، ولا يزال متوسط استهلاك الفرد السنوي مستمرًا في النمو. على سبيل المثال، يبلغ هذا المؤشر في روسيا حوالي 1 كجم، وفي اليابان - 4 كجم، وفي أمريكا الشمالية - 5 كجم.
يؤدي النمو في استهلاك البولي يوريثان حتمًا إلى زيادة نفاياته. في بلادنا، لا يتجاوز جمع وتدوير نفايات البوليمرات 13٪. في أوروبا، يمثل حطام البناء حوالي 30٪ من نفايات البولي يوريثان، لكن هذا لا يشكل سوى جزء ضئيل من إجمالي العبء البيئي للبولي يوريثان.
تشكل نفايات البولي يوريثان مشكلة كبيرة لمؤسسات مختلف مجالات الصناعة، بما في ذلك صناعة الأثاث، وصناعة السيارات، وإنتاج مواد البناء والتعبئة والتغليف. السبب الرئيسي لتولد النفايات هو عمليات القطع، والتشكيل، وإنتاج المنتجات المعيبة، وكذلك العمليات المصاحبة مثل الطحن والمعالجة الميكانيكية. على الرغم من زيادة أحجام تولد هذه النفايات، تواجه إعادة تدويرها والتخلص منها صعوبات كبيرة من الناحية التقنية والاقتصادية والتنظيمية.
تشمل المصادر الأكثر شيوعًا لتكوين نفايات البولي يوريثان:
- التفصيل والقطع: بقايا وقطع تظهر عند تشكيل الفراغات للأثاث الناعم، والمراتب، وعناصر العزل الصوتي والحرارية للمباني؛
- إنتاج المنتجات المعيبة: منتجات لا تتوافق مع المعايير التقنية المحددة لجودة السطح، والكثافة، والأبعاد الهندسية، أو درجة اللون؛
- المعالجة الميكانيكية: تولد غبار دقيق وشظايا صغيرة تنشأ عند طحن ومعالجة الأجزاء الجاهزة من البولي يوريثان؛
- بقايا القوالب: مواد بوليمرية متبقية في القوالب بعد انتهاء الدورة التكنولوجية، ولا يمكن إعادة استخدامها في عملية الإنتاج.
الميزة الأساسية لنفايات البولي يوريثان هي تركيبها الكيميائي. يتكون البولي يوريثان من مزيج معقد من المركبات الكيميائية التي تشمل البوليولات والإيزوسيانات، مما يمنحها خصائص فريدة من القوة والمرونة والمتانة. ومع ذلك، فإن هذه الميزة بالذات تعقد بشكل كبير مهمة التخلص من هذه النفايات.
من بين الصعوبات الرئيسية يمكن تمييز عدة نقاط.
التنوع الكيميائي. التركيب متعدد المكونات والمعقد للبولي يوريثان يعيق الفرز البسيط والفصل إلى عناصر مكونة، مما يجعل من المستحيل إدراج النفايات ببساطة في مخططات إعادة تدوير البلاستيك العادية.
عدم الجدوى الاقتصادية. بسبب البنية الخفيفة والوزن النوعي المنخفض، تصبح تكاليف النقل مرتفعة جدًا بالنسبة لقيمة المادة نفسها، مما يجعل جمع ونقل النفايات غير فعال اقتصاديًا حتى لمسافات قصيرة.
الحاجة إلى معدات متخصصة. تتطلب معالجة نفايات البولي يوريثان معدات خاصة باهظة الثمن، قادرة على التعامل مع البنية الكيميائية للمادة وضمان جودة مقبولة للمنتج النهائي.
ارتفاع تكلفة المعالجة. ترتبط عملية معالجة البولي يوريثان باستهلاك كبير للطاقة وتآكل كبير للمعدات، مما يؤثر سلبًا على اقتصاد المؤسسة ويحد من التنفيذ الواسع لعملية إعادة التدوير.
بالإضافة إلى ذلك، هناك عدد من العوامل الإضافية التي تفاقم الوضع:
- عدم وجود قاعدة تشريعية كاملة ومعايير تنظيمية للتخلص من البولي يوريثان في روسيا؛
- عدم كفاية توفر المعلومات حول طرق المعالجة الفعالة وعدم كفاية عدد المتخصصين في هذا المجال؛
- انخفاض مستوى اهتمام المنتجين باستثمار الأموال في تطوير طرق معالجة البولي يوريثان بسبب ارتفاع تكلفة الإنتاج للمنتج النهائي.
المهام الهندسية
تقييم مشكلة معالجة نفايات البولي يوريثان وتحديد مدى أهمية البحث الجاري؛ صياغة منهجية إجراء اختبارات تجريبية للمعدات على عينات تجريبية من النفايات؛ تحديد إنتاجية المحرقة عند حرق العينة التجريبية من النفايات؛ تسجيل قيم درجات الحرارة التشغيلية في الغرفة الرئيسية والغرفة الثانوية؛ تحديد كمية الوقود المستهلكة؛ إجراء مراقبة إنتاجية بصرية لجودة انبعاث الملوثات عند مخرج مدخنة العادم؛ دراسة فئة خطورة المخلفات الرمادية بمشاركة مختبر معتمد؛ تقييم جودة انبعاث الملوثات في الهواء الجوي بدون نظام معدات تنظيف الغاز بناءً على نتائج القياسات والأبحاث الآلية للمختبر المعتمد، واختيار نظام فعال لمعدات تنظيف الغاز عند الضرورة، صياغة استنتاجات بناءً على نتائج البحث.
نتيجة العمل على المنتج
تحديد تركيب النفايات
الجدول 1. التركيب العنصري المحسوب للنفايات
| اسم النفايات | C, % | H, % | O, % | N, % | S, % | Cl, % | W, % | A, % | Q, كيلو كالوري/كجم | Ср, جول/(كجم×درجة مئوية) |
| نفايات البولي يوريثان عند إنتاج منتجات منه (3 35 761 11 20 4) | 64.918 | 6.862 | 10.209 | 5.739 | 0.481 | 1.626 | 4.073 | 6.092 | 6644 | 1400 |
حيث C, H, O, N, S, Cl, W, A – محتوى الكربون، الهيدروجين، الأكسجين، النيتروجين، الكبريت، الكلور في النفايات، رطوبة ومحتوى الرماد في النفايات؛
Q – القيمة الحرارية الصغرى لخليط النفايات، كيلو كالوري/كجم
Ср – السعة الحرارية النوعية للنفايات، جول/(كجم×درجة مئوية)
حساب المعلمات التشغيلية للتجربة
نتيجة حساب الإنتاجية للمحرقة الدوارة HURIKAN 200 R في الجدول 2.
الجدول 2. نتيجة حساب الإنتاجية للمحرقة الدوارة HURIKAN 200 R (عند درجة حرارة تشغيل في الغرفة الرئيسية حتى 1000 درجة مئوية، وفي الغرفة الثانوية حتى 1200 درجة مئوية، معامل الهواء الزائد 1.49)
| نوع الوقود | الإنتاجية، كجم/ساعة | استهلاك الوقود، كجم/ساعة | حجم غازات العادم بعد الغرفة الثانوية، ن م³/ساعة | ||
| إجمالي | في الغرفة الرئيسية | في الغرفة الثانوية | |||
| ديزل | حتى 34 | حتى 26.6 | حتى 0.3 | حتى 26.3 | 831.8 |
الجدول 3. القيم المحسوبة لتركيزات الملوثات واستهالك المادة الكيميائية القلوية الجافة (هيدروكسيد الصوديوم) للمحرقة HURIKAN 200 R
| اسم المادة الملوثة | وحدة القياس | القيمة المحسوبة للتركيز | الاستهلاك المحسوب للمادة الكيميائية القلوية (هيدروكسيد الصوديوم)، كجم/ساعة | الحجم المحسوب لغازات العادم بعد نظام تنظيف الغاز بالتبريد، ن م³/ساعة |
|
| بدون نظام تنظيف الغاز | بعد نظام تنظيف الغاز بالتبريد | ||||
| ثاني أكسيد الكبريت | مجم/م³ |
521 | 8 | 1.514 | 1131.9 |
| الجسيمات المعلقة | مجم/م³ |
150 | 1 | ||
| كلوريد الهيدروجين | مجم/م³ |
683 | 10 | ||
وفقًا لنتائج الحرق التجريبي للعينة التجريبية من النفايات: نفايات البولي يوريثان عند إنتاج منتجات منه (فهرس 3 35 761 11 20 4)، على الوحدة HURIKAN 200 R، تم تحديد الوضع الحراري التشغيلي الذي يضمن حرقًا عالي الجودة للمادة الأولية: 600 درجة مئوية وما فوق في الغرفة الرئيسية.
خلال عملية الحرق التجريبي للنفايات، تم إيقاف أجهزة الحرق في الغرفة الرئيسية لفترات قصيرة بسبب اشتعال النفايات ذاتيًا، مما وفر الحفاظ على درجات الحرارة اللازمة في غياب اللهيب الاحتياطي. في الغرفة الثانوية، عملت أجهزة الحرق باستمرار للحفاظ على الوضع الحراري المطلوب.
بلغ استهلاك وقود الديزل خلال عملية المعالجة الحرارية للعينة التجريبية من النفايات 26 لتر/ساعة.
بلغت المخلفات الرمادية من حرق العينة التجريبية 7.1٪ من حيث الكتلة.
الصورة. المخلفات الرمادية بعد حرق العينة التجريبية من النفايات
نتيجة دراسة جودة انبعاث الملوثات. فئة خطورة المخلفات الرمادية.
وفقًا لبيانات حساب المعلمات الفعلية للانبعاثات (بروتوكول الاختبارات الذي يستند إليه الحساب: رقم 2024ФХО/ПВ345 بتاريخ 19.11.2024) تم تحديد النتائج التالية:
نقطة أخذ العينات |
المؤشر المحدد |
معدل تدفق الغاز الحجمي في الظروف القياسية، م³/ثانية |
وحدة القياس |
نتيجة الاختبارات |
الانبعاث الفعلي، جم/ثانية |
مدخنة الوحدة H200R بدون نظام تنظيف الغاز |
أكسيد النيتروجين | 0.281 | مجم/م³ |
87 | 0.024447 |
| ثاني أكسيد النيتروجين | 2.1 | 0.000590 | |||
| ثاني أكسيد الكبريت | 2.9 | 0.000815 | |||
| أحادي أكسيد الكربون | 18 | 0.005058 | |||
| الهيدروكربونات المشبعة C12-C19 | 2.4 | 0.000674 | |||
| الجسيمات المعلقة | 44 | 0.012364 | |||
| بنز(أ)بيرين | 0.00019 | 0.000000053 | |||
| كلوريد الهيدروجين | أقل من 0.01 | - | |||
| فلوريد الهيدروجين | 0.057 | 0.000016 | |||
| الزئبق | أقل من 0.014 | - | |||
| الكادميوم | 0.018 | 0.000005 | |||
| الرصاص | 0.0072 | 0.000002 | |||
| الكروم في الغبار | 0.0020 | 0.00000056 | |||
| النحاس | 0.13 | 0.00003653 | |||
| المنغنيز في الغبار | 0.001 | 0.00000028 | |||
| النيكل في الغبار | 0.11 | 0.00003091 |
الاستنتاج: أظهر البحث تجاوز معلمات تركيزات الملوثات في غازات المداخن مقارنة بالوثيقة المرجعية لأفضل التقنيات المتاحة 9-2020 فيما يتعلق بالجسيمات المعلقة والمعادن الثقيلة. التركيب الموصى به لنظام تنظيف الغاز: إعصار بطارية، مرشح قماشي، ممتص الفحم.
خصائص المخلفات الرمادية.
خلال الاختبارات الحيوية للرماد ومخلفات حرق نفايات إنتاج الألياف الكيميائية مع إضافة نفايات الاستهلاك في الإنتاج باستخدام كائنات الاختبار Daphnia magna Straus و Scenedesmus quadricauda، تم اكتشاف تأثير سام حاد للمستخلص المائي للنفايات.
وفقًا للملحق رقم 5 لأمر وزارة الموارد الطبيعية والبيئة الروسية رقم 158 بتاريخ 31.03.2025 «بشأن الموافقة على معايير تصنيف النفايات إلى فئات الخطورة من I إلى V حسب درجة التأثير السلبي على البيئة»، يمكن تصنيف النفايات إلى الفئة الرابعة من الخطورة على البيئة الطبيعية. البروتوكول رقم 2024ФХО/О4143 بتاريخ 19 نوفمبر 2024.
الاستنتاجات
يُشكل التخلص من نفايات البولي يوريثان (PPU) مشكلة بيئية خطيرة نظرًا لخصوصية طبيعتها الفيزيائية-الكيميائية وظروف معالجتها المعقدة. وتتفاقم المشكلة بسبب عدم وجود طرق موثوقة واقتصادية للتخلص، خاصة بالنسبة للحجم الكبير من النفايات. يتطلب حل المسألة نهجًا متعدد القطاعات يجمع جهود الدولة والعلم والصناعة.
أظهر البحث التجريبي لتقنية المعالجة الحرارية فعالية عالية لطريقة المعالجة الحرارية لنفايات البولي يوريثان في محرقة دوارة. تم تحديد أن هذه التقنية تتمتع بعدد من المزايا التي تتميز بمستوى عالٍ من الفعالية الاقتصادية والبيئية على حد سواء.
يتم تقييم الفعالية الاقتصادية للتقنية من خلال مؤشرين رئيسيين:
- جودة حرق النفايات. تتميز المعالجة الحرارية في المحرقة الدوارة بالاحتراق شبه الكامل للمكونات العضوية لنفايات البولي يوريثان، مما يوفر معامل تحلل وإزالة عالٍ.
- نسبة الرماد المنخفضة للنفايات. بعد المعالجة الحرارية، تتكون كتلة ضئيلة من المخلفات الرمادية، والتي لا تشكل عبئًا كبيرًا على المعالجة والتخزين اللاحقين.
هذه العوامل تجعل التقنية المقترحة مجدية اقتصاديًا وتنافسية مقارنة بطرق دفن نفايات البولي يوريثان التقليدية.
تحدد صداقة البيئة للطريقة من خلال جانبين رئيسيين:
- تخفيض كبير في كتلة وحجم النفايات. تسمح المعالجة الحرارية بتقليل كتلة وحجم نفايات البولي يوريثان المستلمة بنحو 89٪، مما يحل بشكل فعال قضايا التخزين والدفن.
- جودة عالية للانبعاثات المُنقاة. يتم تحقيق مؤشرات عالية للنقاء البيئي باستخدام مجمع عالي التقنية لمعدات تنظيف الغاز، مما يضمن الالتزام بالحدود التنظيمية لمحتوى الملوثات في الغلاف الجوي وفقًا للقواعد والمعايير الصحية (SanPin).
تُظهر التقنية المختبرة للمعالجة الحرارية لنفايات البولي يوريثان إمكانات كبيرة للتنفيذ الواسع في الصناعة، مما يسمح بحل المهام الاقتصادية والبيئية في وقت واحد. تؤكد نتائج الأبحاث على إمكانات مواصلة دراسة وتحسين هذه الطريقة لحل مشكلة التخلص من البولي يوريثان بشكل فعال.
استشارة مجانيةمشاريع أخرى
إزالة القطران
التخلص من الرشاحة
التخلص من النفايات السائلة الناتجة عن تقطيع رقائق السيليكون
التخلص من الحمأة (الحمأة) من محطات المعالجة البيولوجية
التخلص من مخلفات البناء
التخلص من النفايات الناتجة عن محطات الطاقة الحرارية، ومحطات توليد الطاقة والحرارة المشتركة، ومحطات الغلايات
التخلص من النفايات الطبية
التخلص من النفايات الكيميائية الناتجة عن فحم الكوك
التخلص من حمأة النفط
