plik

ul. Żwirki 36, 90-924 Łódź

Projekt realizowany w ramach Priorytetu IV - Działanie 4.1 - Poddziałanie 4.1.1.

www. ife.p.lodz.pl

pn. „Przygotowanie i realizacja nowych kierunków studiów

tel. 042 278 45 31

w odpowiedzi na współczesne potrzeby rynku pracy

042 638 38 26

i wymagania gospodarki opartej na wiedzy”

Politechnika Łódzka

Wydział Chemiczny

INSTRUKCJA LABORATORIUM

Recykling materiałów polimerowych

(Recycling of polymers)

Realizowanego w ramach Zadania nr 9

pn. Doposażenie laboratorium pod nazwą Materiały i

nanomateriały polimerowe jako materiały inżynierskie.

Instrukcję opracował:

mgr inż. Anna Masek

Łódź, 2009

Strona | 3

Laboratorium pn. „Recykling materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9

1. CEL DWICZENIA (Aim of studies)

Celem dwiczenia pn. „Recykling materiałów polimerowych ” realizowanego w ramach Zadania 9

jest zapoznanie się z tematyką dotyczącą nowoczesnych rozwiązao problemu jakim jest

niewątpliwie zagospodarowanie nanomateriałów polimerowych w XXI wieku.

Na laboratorium przeprowadzony zostanie całkowity rozkład materiału polimerowego do

produktów ekologicznych dla środowiska, które mogą byd wykorzystane w innej dziedzinie

działalności. Celem uczestniczących w dwiczeniu będzie zapoznanie się z zasadą przeprowadzania

procesów recyklingu na wybranej i opracowanej metodzie oraz analiza produktów gazowych i

ciekłych pochodzących z rozkładu wybranego polimeru. Analiza produktów dokonana zostanie

przy zastosowaniu spektroskopii w podczerwieni metodą ATR i chromatografii gazowej.

2. WPROWADZENIE (Introduction)

2.1. Idea procesu recyklingu

Ilośd odpadów polimerowych w Polsce wynosi około 1 milion ton rocznie. Zagospodarowanie

odpadów z tworzyw sztucznych jest jednym z podstawowych zadao w obecnych czasach.

Rys.1. Produkcja tworzyw sztucznych na świecie [1]

Strona | 4

Laboratorium pn. „Recykling materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9

Dzięki uwarunkowaniach etyki ekologicznej i prawnej znaczna cześd tworzyw sztucznych jest

powtórnie przerabiana. Recykling można podzielid na :

Materiałowy- powtórne przetwórstwo

Chemiczny-piroliza i solwoliza

Organiczny-kompostowanie

Energetyczny

produktowy

Bardzo ważnym aspektem przy opracowywaniu nowych technologii recyklingu jest

uzyskiwanie recyklatów o dobrych i powtarzalnych właściwościach [2,3,4].

Recykling składa się z następujących etapów procesu technologicznego :

Rozdzielanie

- metoda sortowania powinna byd prosta i szybka oraz dawad dużą

dokładnośd sortowania w zależności od źródła odpadów. Niewątpliwe najprostsze jest

sortowanie ręczne, lecz najszybsze automatyczne (składa się z dwóch urządzeo –

identyfikującego tworzywo i urządzenie mechanicznie lub pneumatycznie oddzielające

rozpoznane tworzywo). W celu identyfikacji tworzyw najczęściej stosuje się metody

spektroskopowe (IR, masową, laserową), następnie po zidentyfikowaniu tworzywa

komputer przekazuje sygnał do urządzenia oddzielającego.

Najczęściej stosowane metody rozdzielania :

 W hydrocyklonach za pomocą działającej siły odśrodkowej,

 W wirówce za pomocą działającej siły odśrodkowej,

 Rozdzielanie według różnic zwilżalności nanomateriałów,

 Elektrostatyczny rozdział tworzyw oparty na różnicy ładunku tryboloelektrycznego

polimerów,

 Rozdzielenie za pomocą odpowiednich rozpuszczalników.

Rozdrabnianie

Podstawowe cele prowadzenia rozdrabniania tworzyw podczas procesu recyklingu:

* zwiększenie powierzchni właściwej cząstek,

* uzyskanie jedności granulometrycznej,

* zmiana objętości odpadów polimerowych,

Strona | 5

Laboratorium pn. „Recykling materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9

*efektywnośd,

*utworzenie warunków do dalszej granulacji,

Rozdrabnianie jest przeprowadzane w różnego rodzaju młynkach – rozdrabniaczach (gilotynowe,

walcowe, wielotarczowe z otwartymi sitami).

Suszenie

Warunki suszenia takie jak temperatura, czas zależą od właściwości nanomateriałów. Najnowszą

metodą suszenia jest suszenie za pomocą promieniowania podczerwonego, które penetruje

równomiernie materiał suszony, lecz nie nagrzewa powietrza znajdującego się w bębnie

obrotowym. Metoda ta ma dużą zaletę a mianowicie skrócenie czasu tego procesu

i uniwersalnośd zastosowania tej metody nawet dla mało odpornych polimerów.

Przetwórstwo

Do przetwarzania odpadów polimerowych stosuje się dwie metody, a więc wytłaczania jedno-

i dwuślimakowego oraz wtryskiwania. Istnieje jeszcze wiele wad samego procesu recyklingu,

a co jest z tym związane również mniejsza jakośd recyklatów która owocuje niedopuszczeniem

ich do kontaktu z żywnością. Dobrym rozwiązaniem wydaje się również zastosowanie

kompatybilizatorów oraz innowacyjne przetwórstwo [3].

2.2. Zagospodarowanie odpadów gumowych

Przemysł gumowy produkuje ze względu na specyfikę procesu technologicznego dużą ilości

odpadów. Ponowne przerobienie odpadu gumowego wymaga kosztownych i czasochłonnych

procesów pomimo to i tak recyklat posiada dużą gorszą jakośd nieporównywalna z oryginalnym

produktem. Dlatego też zagospodarowanie odpadów gumowych stanowi niezwykle poważny

problem.

Podstawowe metody zarządzania odpadami gumowymi są ukierunkowane na :

Zapobieganie - poprzez wydłużanie czasu eksploatacji,

Ponowne zastosowanie – bieżnikowanie opon , regeneracja taśm przenośnikowych,

Recykling produktowy – sztuczne rafy, falochrony, bariery ochronne,

Recykling materiałowy - zastosowanie miału gumowego w drogownictwie

Strona | 6

Laboratorium pn. „Recykling materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9

Regeneracja - depolimeryzacja, utlenianie, łącznie z degradacją łaocucha głównego

polimeru kauczukowego,

Odzysk energetyczny.

Recykling materiałowy jest metodą zalecaną do zagospodarowywania odpadów gumowych.

Najbardziej wymagającą metodą recyklingu tego typu odpadów jest dewulkanizacja siarkowych

wulkanizatów, czyli całkowity lub częściowy rozpad poli, di-, i monosiarczkowych wiązao

utworzonych w pierwotnym procesie wulkanizacji. Jednak jak do tej pory nie udało się

opracowad metody, dzięki której udało by się doprowadzid do rozpadu wiązao sieciujących bez

naruszenia struktury łaocucha głównego.

Obecnie stosuję się technologię regeneracji odpadów gumowych, a więc poddaje się

rozdrobnioną gumę obróbce termicznej, termochemicznej, termomechanicznej, dzięki którym

następuje obniżenie lepkości, umożliwiające dalsze przetwórstwo. Produkt recyklingu ma jednak

gorsze właściwości, gdyż zachodzi częściowa degradacja łaocuchów polimeru [5,6]. Jakie

stosowane są w przemyśle metody regeneracji:

Metoda parowo-olejowa –miał gumowy miesza się z olejem i regenerat uzyskuje się

poprzez wytłaczanie produktu przez sita lub przecieranie przez walcarkę

Metoda parowa- analogicznie jak w powyższej metodzie, lecz prowadzi się w atmosferze

gorącej pary wodnej

Metoda Lancaster-Banbury – proces prowadzone w mikserze i następnie filtrowanie lub

rafinowanie

Metoda Elgina- odpady przetwarzane w ciągłym trybie przez wytłaczarkę

jednoślimakową

Metoda ultradźwiękowa- działanie ciśnienia, ciepła i ultradźwięków umożliwia

zniszczenie wiązao sieciujących w produkcie [5-7].

2.3. Biokompozyty

Jedną z alternatyw na zagospodarowanie odpadów z materiałów polimerowych jest stworzenie

polimerów ulęgających biorozkładowi do produktów przyjaznych dla środowiska. Stale rosnąca

Strona | 7

Laboratorium pn. „Recykling materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9

tendencja rozwoju jest przypisana dla materiałów polimerowych modyfikowanych produktami

pochodzenia naturalnego. Najczęściej polimery modyfikuje się bionapełniaczami takimi jak:

Skrobia,

Celuloza, hemiceluloza, lignina,

Mączka drzewna,

Konopie,

Len,

Hydrolizaty białkowe.

Również prowadzone są badania nad dodawaniem do kompozytów biodegradowalnych

antyutleniaczy pochodzenia naturalnego takich jak:

flawonoidy,

nafto chinony,

pochodne fosforowe,

aminokwasy,

karetonoidy,

inne antyutleniacze fenolowe takie jak np.: tokoferol.

Takie biokompozyty zawierające odnawialne surowce mają niezwykle ważne znaczenie z punktu

widzenia ochrony środowiska, gdyż materiały te powinny byd kompostowalne i biodegradowalne

przez mikro i makroorganizmy do produktów takich jak biomasa i CO

[8,9]

Strona | 8

Laboratorium pn. „Recykling materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9

Rys.2. Cykl obiegu zamkniętego biokompozytów polimerowych [10].

3. PRZEBIEG DWICZENIA (Procedure)

Dobór materiału polimerowego oraz wstępne przygotowanie poprzez rozdrobnienie materiału

poddawanego procesowi recyklingu.

Przygotowanie aparatury służącej do recyklingu nanomateriałów polimerowych :

Włączyd chłodzenie (lodówkę),

Wprowadzid próbkę do pieca (polimer + katalizator), szczelnie zamknąd, dokręcid

wszystkie śrubki, zainstalowad termoparę,

Umocowad mieszadło,

Podłączyd przewód przepływu helu oraz przewód odprowadzania gazów powstałych

z rozkładu materiału,

Podłączyd chłodnicę, ustawid pod chłodnicą kolbę trójszyjną,

Włączyd przepływ helu,

Ustawid za pomocą termostatu żądaną temperaturę: 300

Należy kontrolowad temperaturę przez cały czas trwania procesu.

OPAKOWANIA

SKROBIA

CELULOZA

MATERIAŁY

SUROWCE

NATURALNE

ODNAWIALNE

BIOMASA CO

KOMPOST

FOTOSYNTEZA

PRODUKCJA

ZBIÓRKA
ODPADÓW

BIODEGRADACJA

Strona | 9

Laboratorium pn. „Recykling materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9

Po zakooczeniu procesu (zauważalne w momencie kiedy nie wydzielają się żadne gazy) należy

wyłączyd termostat, następnie zasilanie. Poczekad do momentu ochłodzenia pieca i dokładnie

oczyścid wnętrze pieca z pozostałości po procesie.

Następnie należy pobrad próbki do analizy i:

Wykonad widma powstałej cieczy po rozkładzie materiału polimerowego metodą

spektroskopii w podczerwieni FT-IR,

Dokonad analizy gazów powstałych podczas recyklingu materiału.

Sprawozdanie powinno zawierad (Report should include):

a) Wstęp literaturowy :

*Problematyka degradacji materiałów polimerowych,

*Opis zagadnienia dotyczącego recyklingu.

b) Wykonanie dwiczenia,

c) Wyniki pomiarów,

*identyfikacja związków pochodzących z rozkładu materiału na podstawie widm

spektroskopowych w podczerwieni,

* identyfikacja związków pochodzących z rozkładu materiału na podstawie wyników

z chromatografii gazowej.

d) Omówienie wyników badao,

e) Wnioski.

3.1.

Aparatura pomiarowa

a) Aparatura służąca do recyklingu materiałów polimerowych:

Strona | 10

Laboratorium pn. „Recykling materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9

Rys. 3. Stanowisko do przeprowadzania procesu recyklingu materiałów polimerowych.

b) Spektrofotometr w podczerwieni do wykonywania analizy próbek za pomocą identyfikacji

widma IR:

Rys. 4. Spektrofotometr w podczerwieni firmy Bio-Rad.

Strona | 11

Laboratorium pn. „Recykling materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9

3.2.

Wykonanie dwiczenia

4. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIA (Report)

4.1.

Cel dwiczenia

Celem dwiczenia pn. „Recykling materiałów polimerowych” realizowanego w ramach Zadania 9

jest zapoznanie się z tematyką dotyczącą nowoczesnych rozwiązao problemu jakim jest

zagospodarowanie nanomateriałów polimerowych w XXI wieku. Na laboratorium

przeprowadzony zostanie całkowity rozkład materiału polimerowego do produktów

ekologicznych dla środowiska, które mogą byd wykorzystane w innej dziedzinie działalności.

Celem uczestniczących w dwiczeniu będzie zapoznanie się z zasadą przeprowadzania procesów

recyklingu na wybranej i opracowanej metodzie oraz analiza produktów gazowych i ciekłych

pochodzących z rozkładu wybranego polimeru. Analiza produktów dokonana zostanie przy

zastosowaniu spektroskopii w podczerwieni metodą ATR i chromatografii gazowej.

4.2.

Metodyka pomiarów

Przeprowadzenie recyklingu materiału polimerowego,

Wykonanie widm spektroskopowych w podczerwieni,

Wykonanie analizy gazów metodą chromatografii gazowej,

4.3.

Wyniki pomiarów

4.4.

Opracowanie wyników pomiarów

Na podstawie uzyskanych wyników należy:

Zidentyfikowad powstałą ciecz w kolbie jako produkt rozkładowy materiału

polimerowego za pomocą spektroskopii w podczerwieni metodą ATR,

Strona | 12

Laboratorium pn. „Recykling materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9

Dokonad analizy gazów powstałych z rozkładu materiału na podstawie wyników z widma

chromatografii gazowej,

Określid stopieo rozkładu materiału polimerowego.

4.5.

Wnioski

5. LITERATURA (References)

[1] tworzywa.com.pl

[2] M. Kozłowski, Recykling tworzyw w Europie, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej,

Wrocław, 2006.

[3] A.Błędzki, Recykling materiałów polimerowych, WNT, Warszawa 1997.

[4] A. Błędzki, Z. Tartakowski, Recykling i odzysk materiałów polimerowych, R. Jeziórska,

Recykling tworzyw polimerowych-metody, maszyny, urządzenia, Wydawnictwo Politechniki

Szczecioskiej, 2008.

[5] W. Parasiewicz, L. Pyskło, J. Magryta, Recykling zużytych opon samochodowych, Instytut

Przemysłu Gumowego ”Stomil”, Piastów, 2005.

[6] A. Błędzki, Z. Tartakowski, Recykling i odzysk materiałów polimerowych, W. Parasiewicz, M.

Tulik, J. Mężyoski, Odpady gumowe - przegląd metod regeneracji, Wydawnictwo Politechniki

Szczecioskiej, 2008.

[7] J. Magryta, Polymer recycling 1,No 1, 1994.

[8] H. Koroniak, J. Barciszewski , Na pograniczu chemii i biologii, A. Masek, M. Zaborski

„Pochodne flawonoidów jako substancje przeciwstarzeniowe w elastomerach”, Wydawnictwo

Naukowe Uniwersytetu Adama Mickiewicza, Poznao, 2008.

[9] A. Błędzki, Z. Tartakowski, Recykling i odzysk materiałów polimerowych, H. Żakowska,

Wybrane zagadnienia organizacyjno prawne odzysku i recyklingu odpadów opakowaniowych

z materiałów polimerowych, Wydawnictwo Politechniki Szczecioskiej , Szczecin (2008) , 205-209.

Strona | 13

Laboratorium pn. „Recykling materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9

[10] H. Kaeb, Bioplastics & Biodegradable Polymers-EU Market Introduction, 3rd Central &

Eastern European Conference on Packaging, Taropak , 2005.

6. PYTANIA SPRAWDZAJĄCE (Problems)

1. Wyjaśnid pojęcie recykling materiałów polimerowych.

2. Wymienid podstawowe etapy recyklingu.

3. Wymienid metody zagospodarowania odpadów gumowych.

4. Co to są biokompozyty polimerowe.

7. EFEKTY KSZTAŁCENIA (Learning outcomes)

7.1.

Co student powinien wiedzied

a) Co student powinien wiedzied:

Omówid jaki jest cel przeprowadzania recyklingu materiałów polimerowych.

Opisad na czym polega recykling.

Wymienid jakie są alternatywy do zagospodarowania odpadów polimerowych.

7.2.

Co student powinien umied

Wykonad recykling materiału polimerowego.

Zinterpretowad widmo spektroskopowe w podczerwieni.

Zinterpretowad widmo z chromatografii gazowej.

Określid wydajnośd przeprowadzonego procesu recyklingu.

Strona | 14

Laboratorium pn. „Recykling materiałów polimerowych” realizowane w ramach Zadania nr 9

8. TELEFONY ALARMOWE (Emergency numbers)

Pogotowie Ratunkowe:

999

Policja:

997

Straż Pożarna:

998

Straż Miejska:

986

Pogotowie Ciepłownicze:

993

Pogotowie Energetyczne:

991

Pogotowie Gazowe:

992

Pogotowie Wodno - Kanalizacyjne:

994