Введение к работе
Актуальность работы. Бурный рост производства полимерных материалов за последние 25+30 лет привел к тому, что в настоящее время как бытовые (БО), так и промышленные (ПО) отходы полимеров составляют значительную часть твердых отходов (ТО), проблема утилизации которых связана с необходимостью переработки методами, исключающими дополнительное загрязнение окружающей среды (ОС). Основными методами утилизации полимерных отходов в настоящее время являются: 1) захоронение на свалках и полигонах; 2) сжигание на мусоросжигательных заводах; 3) рениклннг; 4) создание фото- и биоразлагающихся полимеров. Первые два из перечисленных способов утилизации до сих пор остаются основными. Несмотря на то, что экобаланс процесса сжигания более благоприятен, чем захоронения на полигонах, термическое разложение хлорированных полимеров (типа ПВХ, хлоркаучуков), а также веществ, не содержащих галогенов (например ПЭ), в присутствии источника хлора приводит к образованию хлорированных изомеров бензола, полихлор-бифенилов, диоксинов, фуранов (веществ I класса опасности).
Плазменные методы применяются в настоящее время для обезвреживания жидких и газообразных особо токсичных, канцерогенных и других опасных отходов при температурах выше 4000С 'за счет энергии электрической дуги в окислительной среде со степенью разложения до 99 %.
Возбуждение низкотемпературной плазмы пониженного давления в кислороде приводит к генерации активных частиц (атомов, радикалов, возбужденных молекул, ионов и других), воздействие которых на полимерные материалы приводит к деструкции последних до простых летучих продуктов: СО, СОг, Н^О, Н2, НС1 и других. Причем варьируя параметры разряда и режимы обработки можно добиться степени разложения до 100 %. Поэтому, использование плазмы данного вида для переработки полимерных материалов представляет несомненный интерес и может быть целесообразным как с точки зрения снижения . мощности токсичных выбросов, так и повышения энергетической эффективности процесса утилизации полимеров.
Работа выполнена в соответствие с тематическими планами исследований Ивановской государственной химико-технологической академии и планами совместных работ с НИИ «Сатурт> г. Киев (№ 12.45.88а).
Цель работы : изучение общих закономерностей кинетики и механизмов процессов утилизации различных классов полимеров в кислородной неравновесной плазме пониженного давления и оценка их экологической эффективности.
Для реализации поставленной цели было необходимо . - изучить кинетику, механизмы и состав продуктов деструкции различных классов полимеров в кислородной низкотемпературной плазме пониженного давления с целью выявления полноты разложения полимеров и
2"
сравнительного токсикологического анализа основных газообразных продуктов термоокйслительной и плазмохимической деструкции полимеров, а также исследовать возможность применения низкотемпературной плазмы других кислородсодержащих газов (паров воды) для эффективной утилизации отходов полимеров;
исследовать возможность использования расчетов вероятности гетерогенной рекомбинации атомов кислорода на поверхности полимеров для оценки скорости целевого плазмохимического процесса деструкции полимеров при решении технологических задач утилизации отходов полимеров в плазменных реакторах любой геометрии ;
- определить удельные энергозатраты на разложение полимеров в низкотемпературной кислородной плазме пониженного давления и конкурентную способность данного метода по сравнению с термическими методами утилизации полимеров.
Научная новизна и значимость. Впервые проведен сравнительный экологический анализ термических и плазмохимических методов утилизации отходов полимеров и предложена методика оценки скоростей разложения пленочных полимеров по одному легко контролируемому параметру (интенсивности излучения линии атомов О на длине волны 777 нм).
Установлены закономерности разложения различных классов полимеров в низкотемпературной плазме кислорода. Определены вклады активных частиц в деструкцию и лимитирующие стадии процесса, что позволяет предсказать динамику поведения и состав выделяющихся продуктов других типов полимеров в кислородной низкотемпературной плазме. Показано, что.при действии неравновесной плазмы на пленочные полимеры основными газообразными продуктами являются СО2, ЬЬО, СО и Нг ( полиэтилен - ПЭ, полипропилен - ПП, полннзобутилен - ПИБ, поливиниловый спирт - ПВС, полистирол - ПС, полиэтилентерефталат -ПЭТФ, поливинилхлорид - ПВХ, политетрафторэтилен - ПТФЭ, полнамидимид - ПАИ, полним ид - ПИ ), а также легкие углеводороды ( ПИБ), С12 и НС1 (ПВХ), HF и F-содержащие углеводороды (ПТФЭ), NOx (ПАИ и ПИ), количество и токсикологические свойства которых значительно ниже номенклатуры и диапазона токсического действия продуктов термоокислительной деструкции полимеров.
Практическая ценность. Предложен экологически безопасный способ
утилизации отходов полимеров в неравновесной низкотемпературной плазме
кислорода пониженного давления. Показано, что энергетические затраты на
деструкцию полимеров в плазме О2 не превышают величин,
соответствующих термическим методам утилизации полимеров.
Предложенный метод утилизации полимерных отходов может найти применение не только в технике защиты окружающей среды, но и в микроэ;. лронике (создание новых маскирующих покрытий и их
последующее плазменное удаление), а также представляет интерес для химии высоких энергий (старение уплотнений летательных аппаратов):
Установлено, что плазма паров воды может использоваться для эффективного и полного разложения ароматических термостойких полимеров (на примере ПАИ) со скоростью разложения не ниже, чем п плазме .Oj.
Предложен метод оценки скорости деструкции полимеров в' кислородной неравновесной плазме путем измерения интенсивности излучения линии атомарного кислорода (X = 777 нм) и расчетов вероятности гетерогенной рекомбинации атомов 03Р на поверхности полимеров в реакторах любой геометрии при решении задач утилизации отходов полимерных материалов.
Публикация и апробация работы. По результатам работы опубликовано 5 статей и 7 тезисов докладов.
Объем диссертации. Диссертация изложена на №9 стр., содержит
21 таблицу, 62 рисунка и состоит из введення , литературного обзора,
методики исследований, обсуждения результатов эксперимента,
содержащего две главы, выводы и список цитируемой литературы, включающий 154 наименования.