способ переработки полимерных отходов

Формула изобретения

Способ переработки отходов полимеров, в том числе резиновых отходов и отходов полимерных композиционных материалов, включающий их измельчение путем продавливания исходного материала с помощью плунжера через матрицу со сквозными отверстиями с острыми режущими кромками, выполненными в продольном направлении к оси плунжера, при коэффициенте перфорации матрицы 0,35-0,55, последующее подрезание выходящих из матрицы жгутов отходов с помощью ножа, вращающегося со скоростью 60-200 об/мин, диспергирование полученного полупродукта со степенью дисперсности от 0,2 до 2,0 мм в водном растворе поверхностно-активного вещества и обработку на волновой установке в резонансном гидродинамическом режиме с частотой 5-40 кГц и амплитудой колебаний 0,05-2,0 МПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химии и касается переработки вторичного сырья и может быть использовано для измельчения отходов полимеров, в том числе резины и других полимерных композиционных материалов, и направлено на увеличение степени дисперсности и качества конечного продукта, повышение технологичности процесса и уровня промышленной безопасности, улучшение экологической безопасности.

Известен способ бародеструкционного измельчения резиновых отходов и получения резиновой крошки, включающий продавливание с помощью гидравлического пресса кусков резины через матрицу со сквозными отверстиями [А.с. СССР № 1728042; 23.04.1992] - (1).

Основным недостатком данного способа является большой расход энергии, необходимый для создания высокого давления, обеспечивающего оптимальный режим течения обрабатываемого материала.

Из RU 2069623, 27.11.1996 (2) известен другой способ переработки полимерных и резиновых отходов. Сущность известного способа заключается в том, что способ измельчения включает продавливание обрабатываемого материала через фильеру, перед входом в которую на поверхность материала в области максимальных нормальных напряжений наносят концентраторы напряжений.

Известный способ не технологичен, поскольку имеет невысокую степень измельчения сырья, подвержен закупориванию сквозных отверстий-фильер отходами производства и не обеспечивает должный уровень промышленной безопасности ввиду высокой степени пылеобразования.

Из RU 2042511, 27.08.1995 (3) известен способ переработки резиновых отходов (изношенных армированных металлическими элементами шин), в частности для разрушения, измельчения и разделения компонентов резинокордных изделий. Способ включает процесс прессования шин, при котором происходит отделение резины от металлических армирующих элементов, продавливание отходов резины (размягченной резины) через отверстия матрицы; сквозные отверстия матрицы выполнены в виде двух пересекающихся конических поверхностей с вершинами, направленными навстречу друг другу, причем коэффициент перфорации матрицы выбран из соотношения = S_отв/S_матр=0,2-0,3, где S_отв - суммарная площадь отверстий матрицы, S_матр - площадь рабочей поверхности матрицы.

Недостатком известного способа является то, что при продавливании шин в процессе экструзии через сквозные отверстия матрицы образуются куски резины различных размеров, или мелкая резиновая крошка, или жесткие резиновые жгуты, которые плохо отделяются от матрицы и тем самым затрудняют процесс переработки отходов. Кроме того, данный способ касается переработки только резиновых отходов.

Из RU 2147988, 27.04.2000 (4) известен другой способ переработки полимерных отходов, а именно переработки резиновых отходов в виде автомобильных изношенных шин, предназначенный для выделения резины из автомобильных шин. Способ включает также измельчение отходов путем продавливания их через матрицу со сквозными отверстиями. Способ предусматривает отделение выходящих из матрицы жгутов резины после окончания процесса экструзии, срезание и подрезание жгутов резины ножевыми устройствами.

Недостатком известного способа является недостаточная эффективность его и невозможность получения конечного продукта хорошего качества, обусловливающее дальнейшее использование различных полимерных (не только резиновых) переработанных отходов.

Технической задачей заявленного в качестве изобретения способа переработки полимерных отходов является повышение эффективности переработки отходов с целью дальнейшего эффективного использования переработанных отходов.

Техническим результатом заявленного способа является повышение степени дисперсности и качества продукта, технологичности процесса и уровня промышленной безопасности (снижения пылеобразования).

Поставленная техническая задача и технический результат достигаются способом переработки отходов полимеров и полимерных композиционных материалов, включающим измельчение их путем продавливания исходного материала через матрицу со сквозными отверстиями, имеющими острые (режущие) кромки и выполненными в продольном направлении к оси плунжера, коэффициент перфорации матрицы может достигать значения 0,35-0,55, а после продавливания осуществляют подрезание жгутов отходов на выходе из матрицы со скоростью вращения подрезающего инструмента 60-200 об/мин до размера от 0,2 до 2,0 мм с последующим диспергированием в жидкой среде при волновом воздействии на волновой установке в амплитудно-частотном диапазоне, обеспечивающем резонансный гидродинамический режим (5-40 кГц, 0,05-2,0 МПа), а в качестве жидкой среды используют водные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) ионогенной и неионной природы.

В способе по изобретению в качестве ПАВ используют оксиэтилированные спирты, алкилсульфонаты натрия (калия, аммония), сульфированные оксиэтилированные алкилфенолы (в частности, С-10) и др.

Полимерные отходы предварительно разрезают на куски, размеры которых не превышают диаметр матрицы. Коэффициент перфорации матрицы определяется как отношение суммарной площади отверстий матрицы к площади рабочей поверхности матрицы. Согласно изобретению он имеет значения 0,35-0,55.

Способ переработки полимерных отходов осуществляют, в частности, на установке, имеющей установленные на силовой раме гидравлический пресс с уплотнительным плунжером, матрицу со сквозными отверстиями.

Отверстия матрицы имеют острые режущие кромки и выполнены в продольном направлении к оси плунжера.

В качестве волновой установки можно использовать устройства (5), позволяющие возбуждать нелинейные колебания для интенсификации тепло- и массообменных процессов в многофазных средах в звуковом и ультразвуковом диапазоне частот. Для создания резонансного гидродинамического режима волновая установка содержит гидродинамический генератор колебаний и резонансную камеру.

Таким образом, заявляемый технический результат может быть достигнут всей совокупностью существенных признаков способа, которыми являются:

1) продавливание измельчаемого материала через матрицу со сквозными отверстиями с острыми режущими кромками, при этом коэффициент перфорации может достигать значений 0,35-0,55;

2) подрезание продавленного продукта со скоростью 60-200 об/мин до размера от 0,2 до 2,0 мм;

3) диспергирование полученного продукта в жидкой дисперсионной среде в присутствии ПАВ;

4) волновая обработка полученного продукта в амплитудно-частотном диапазоне, обеспечивающем резонансный гидродинамический режим.

Сущность изобретения

Итак, техническим результатом изобретения является повышение степени дисперсности и качества измельчаемого материала в качестве сырья для последующих физико-химических процессов и утилизации. Технический результат достигается тем, что продавливаемый продукт после подрезания до заданного размера на выходе из сквозных отверстий и последующего диспергирования в жидкой среде, содержащей ПАВ, подвергают воздействию нелинейных волновых колебаний в резонансном режиме [5].

Процесс сопровождается возбуждением как сдвиговых напряжений, так и кавитационных эффектов, способствующих глубокому разрушению структуры сырья.

Резиновые отходы и твердые отходы других полимеров имеют вязкость более 10¹² Па·с. Их перемещение по каналу (фильере) в зоне высокого давления происходит в режиме вязкой пластичности, что создает условия для грубого разрушения вязкоупругого материала. В данном способе измельчаемый материал (размер кусков должен быть не более диаметра матрицы со сквозными отверстиями) продавливают через сквозные отверстия, на выходе из которых его подрезают до заданной степени дисперсности (от 0,2 до 2,0 мм). Данная степень дисперсности обеспечивается интервалом вращения подрезающего ножа, который выбран с учетом того, что предотвращается забивание отверстий и образование пыли, ухудшающей условия труда и понижающей уровень промышленной безопасности. Полученный полупродукт смешивают с водным раствором ПАВ (дисперсионной средой) и далее подвергают волновой обработке в резонансном гидродинамическом режиме. Последняя стадия осуществляется на установке генерации нелинейных волновых колебаний [5], после которой готовый продукт поступает в приемную емкость.

Примеры конкретного осуществления способа, иллюстрирующие изобретение, но не ограничивающие его

Пример 1. Куски измельчаемого материала, например резины, продавливают через матрицу со сквозными отверстиями (по известному способу). Дисперсность полученного продукта составляет от 3 до 7 мм. Наблюдается забивание отверстий матрицы и высокое пылеобразование.

Пример 2. Куски измельчаемого материала продавливают через матрицу согласно изобретению, далее подрезают с помощью вращающегося ножа со скоростью вращения 60 об/мин. Полученный полупродукт со средней степенью дисперсности 2,0 мм диспергируют в 5% водном растворе ПАВ (например, алкилсульфоната натрия) и подвергают обработке на волновой установке в резонансном гидродинамическом режиме с частотой 40 КГц и амплитудой колебаний 0,05 МПа. Дисперсность полученного продукта составляет 100 мкм. Образование пыли не наблюдается.

Пример 3. Куски измельчаемого материала по примеру 2 продавливают через матрицу по примеру 2 и подрезают с помощью вращающегося ножа со скоростью вращения 200 об/мин. Полученный полупродукт со средней степенью дисперсности 0,2 мм диспергируют в 1% растворе ПАВ (например, сульфированного оксиэтилированного алкилфенола С-10) и подвергают обработке на волновой установке в резонансном гидродинамическом режиме с частотой 15 КГц и амплитудой колебаний 2,0 МПа. Дисперсность полученного продукта составляет 30 мкм. Образование пыли не наблюдается.

Пример 4. Куски измельчаемого материала (например, поливинилхлорида пластифицированного, линолеума) продавливают через матрицу по примеру 2, подрезают по примеру 3, полученный полупродукт диспергируют в 10% водном растворе ПАВ (например, оксиэтилированного спирта ОС-20) и далее подвергают волновой обработке в резонансном гидродинамическом режиме с частотой 5 КГц и амплитудой 0,5 МПа. Дисперсность получаемого продукта составляет 50 мкм. Образование пыли не наблюдается.

Промышленную безопасность оценивали по уровню пылеобразования в рабочей зоне установки, а технологичность - по степени забиваемости отверстий матрицы полимерным продуктом (данные приведены в таблице).

Таблица
N примера	Средний размер конечного продукта, мкм	Пылеобразование	Степень забиваемости отверстий, %
1 (контрольный по известному способу)	3000-7000	>ПДК	>>50
2	100	<<ПДК	2-3
3	30	<<ПДК	1-2
4	50	<<ПДК	1-1.5

Как видно из таблицы, конечный полимерный продукт, полученный способом по изобретению, характеризуется существенно более высокой степенью дисперсности. При этом в процессе его получения значительно снижается забиваемость сквозных отверстий матрицы установки. Использование водной дисперсионной среды способствует уменьшению пылеобразования, что в свою очередь обеспечивает пожаробезопасность процесса и улучшение санитарно-гигиенических условий труда. Применение ПАВ способствует получению более устойчивых и стабильных полимерных дисперсных систем, т.е. повышению их качества.

Таким образом, достигнутый технический результат позволяет рекомендовать применение данного способа, в частности, при получении битумных эмульсий, различных мастик и других материалов. Способ экологически обоснован, пожаробезопасен.

Источники информации

1. "Сборник докладов научно-практического семинара "Экологические аспекты производства, эксплуатации шин и резинотехнических изделий. Проблемы их вторичного использования и переработки". М.: "Максима", 13-16 марта 2000 г.; Установка для выделения и измельчения резины из автомобильных изношенных шин. Авторское свидетельство СССР № 1728042 А1, 23.04.92, Бюл. № 15.

2. Патент РФ № 2069623, 27.11.96, бюл. № 33.

3. RU 2042511, 27.08.1995.

4. RU 2147988, 27.04.2000.

5. Ганиев Р.Ф. Волновые машины и технологии (Введение в волновую технологию). - М.: Научно-издательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2008, стр. 41-48, 69-81.