Recykling odpadów celulozowych (papier, tektura) - badanie ich właściwości i
ponowne wykorzystanie tych odpadów
Wiadomości ogólne na temat recyklingu:
Recykling to wielokrotne wykorzystywanie materiałów do wytwarzania nowych
produktów. Zadania recyklingu to przede wszystkim zmniejszenie ilości odpadów,
zmniejszenie ich szkodliwości dla środowiska oraz oszczędzanie zasobów naturalnych.
Odzysk to wszelkie działania, które nie stwarzają zagrożenia dla zdrowia i życia ludzi lub
środowiska, a które polegają na wykorzystaniu odpadów w całości lub w części a także
zmierzają do odzyskania z odpadów materiałów, substancji lub energii.
Recykling i organizacja odzysku to złożony system, obejmujący pełną organizację obiegu
takich materiałów, które mogą być wielokrotnie przetwarzane.
Rozróżnia
się
trzy
rodzaje
recyklingu:
● Ponowne zastosowanie - powtarzające się zastosowanie materiału lub produktu w tym
samym
celu
(np
bieżnikowanie
opon,
butelki
na
wymianę)
● Dalsze zastosowanie - użycie odpadów do nowych zastosowań po odpowiedniej
przeróbce fizycznej, chemicznej lub biologicznej (np granulacja zużytych tworzyw
sztucznych i opon, gdzie granulat jest stosowany jako wypełniacz w materiałach
budowlanych
● Ponowne zużytkowanie - odzyskiwanie odpadów chemicznych ze śmieci i ponowne
wprowadzenie ich do produkcji (np użycie wraków samochodowych w stalowniach)
Od niedawna istnieje jeszcze jedne podział recyklingu - ze względu na specyfikę
technologii.
Wyróżnia
się
trzy
główne
metody
recyklingu:
●Materiałowy
●Surowcowy
●Energetyczny
Materiałowy (mechaniczny) Najbardziej preferowana forma recyklingu. Polega na
ponownym przetwarzaniu odpadów w produkt o wartości użytkowej. Zazwyczaj jest to
wyrób o innym przeznaczeniu niż pierwotny, co tworzy system kaskadowy, w którym
każdy następny etap ma mniejsze wymagania stawiane produktom. W przypadku wyroby z
tworzyw sztucznych jest tracona minimalnie wytrzymałość mechaniczna w następstwie
zmian, zachodzących w strukturze chemicznej polimerów w trakcie eksploatacji oraz
składowania (zwłaszcza przy ekspozycji na czynniki atmosferyczne). Także inne substancje
ulegają degradacji bądź ekstrakcji w czasie eksploatacji, co ma znaczenie dla stabilności
surowca wobec czynników fizycznych (np. światło, temperatura). Dla podniesienia
walorów użytkowych produktów recyklingu z reguły sporządza się wieloskładnikowe
kompozycje zawierające składniki uszlachetniające. Odpowiedni dobór kompozycji
pozwala na przetwórstwo materiałów wtórnych z dużą wydajnością przy dobrej jakości
wyrobów. Ta metoda jest technologicznie prosta o ile dotyczy tworzyw o identycznej
strukturze chemicznej.
Surowcowy (chemiczny) Polega na odzyskiwaniu surowców użytych do produkcji danego
wyrobu. Surowce mogą być ponownie wykorzystane do wytworzenia pełnowartościowych
tworzyw, a odpady powstałe w wyniku tej metody (petrochemiczne frakcje lekkie i ciężkie)
mogą stanowić domieszkę do paliw i smarów. Podstawową zaletą tej metody jest możliwość
przeróbki tworzyw bez uprzedniej ich segregacji.
Natomiast stosowanie skomplikowanych instalacji, wysokiej temperatury, ciśnienia,
katalizatorów oraz ścisła kontrola parametrów powodują ograniczenia w upowszechnianiu
tej grupy metod recyklingu
Energetyczny (spalanie z odzyskiem energii)
Proces transformacji materii odpadowej do
postaci paliw, z których odzyskuje się część energii zużytej na wyprodukowanie tych
wyrobów, które po zużyciu trafiają zasadniczo na wysypisko lub składowisko. W zależności
od rodzaju odpadów i użytej technologii można z nich otrzymać stałe (surowe lub
przetworzone frakcje palne zawierające w molekułach atomy węgla, nadające się do spalenia
bezpośrednio lub współspalane z paliwami tradycyjnymi), ciekłe (przede wszystkim metanol,
etanol oraz benzyny i oleje otrzymywane w drodze katalitycznego rozkładu tworzyw
sztucznych, zwłaszcza poliolefin) lub gazowe (głównie bogaty w metan gaz wysypiskowy
powstający w wyniku fermentacji odpadów organicznych oraz otrzymywany w procesie
tlenowo - parowej utylizacji odpadów gaz syntezowy, zawierający znaczne ilości wodoru i
tlenku węgla) nośniki energii. Recykling energetyczny można prowadzić dla każdej grupy
odpadów osobno -wymaga to selektywnej ich zbiórki, segregacji i selekcji lub wykorzystując
je w stanie surowym (wymieszane), co jest wygodniejsze i prowadzi do bezpośredniego
przetworzenia odpadów na energię cieplną lub elektryczną.
Recykling
dzieli
się
na
poszczególne
etapy:
●Sortowanie
Polega na rozdzieleniu różnych rodzajów odpadów. Najkorzystniejsze jest, gdy sortowanie
odbywa się na etapie selektywnej zbiórki odpadów. Dokonywane jest ono przez
użytkowników, a więc odbywa się na etapie najbliższym powstawania odpadów. Odpady
ze zbiórek są mniej zanieczyszczone i bardziej przydatne do obróbki.
●Rozdrabnianie
Odpady gromadzone w pojemnikach do zbiórki selektywnej są zazwyczaj w formie
nieprzydatnej do bezpośredniego przetwórstwa. Rozdrabnianie tworzyw sztucznych odbywa
się w młynach wyposażonych w noże tnące oraz sita separujące odpady o wymaganej
wielkości. Rozdrobnienie odpadów ułatwia ich transport.
●Mycie
Odpady ze szkła i tworzyw sztucznych są z reguły zanieczyszczone i wymagają mycia. W
tym celu stosuje się wanny myjące zawierające kąpiele wodne z detergentami. Po myciu
konieczne jest odwirowanie i osuszenie odpadów.
●Wytłaczanie
Stanowi zasadniczy element linii technologicznej recyklingu mechanicznego.
W tym etapie wytwarzany jest produkt końcowy, który może być granulat lub, w przypadku
szkła, wyrób finalny o formie użytkowej.
●Pozostałe
W linii recyklingu powinny znajdować się także elementy towarzyszące takie, jak
transportery, cyklony oraz silosy, które spełniają funkcje magazynowe i homogenizujące
odpady. Dodatkowo mogą występować specyficzne urządzenia pomocnicze: krystalizatory
czy aglomeraty.
Papier
(łac. papyros) – spilśniona na sicie masa włóknista pochodzenia organicznego o
gramaturze od 28 do 250g/m². Wytwarzany poprzez ułożenie na sicie (w procesie flokulacji)
włókien. Papier jest wytwarzany w formie arkuszy lub wstęgi nawijanej w zwoje. Po
uformowaniu masy na sicie jest odwadniany, prasowany, suszony i gładzony w podzielonych
etapach ciągłego procesu wytwarzania. Można powiedzieć, że papier to wstęga z włókien z
dodatkiem pewnej ilości chemikaliów, które wpływają na jego właściwości i jakość.
Papiernicza masa włóknista może być produkowana z pierwotnych włókien, z zastosowaniem
procesów chemicznych lub mechanicznych, bądź w wyniku ponownego roztwarzania
makulatury.
Surowce do otrzymania papieru
Głównym surowcem włóknistym jest drewno, ale mogą również być użyte: słoma, konopie,
trawa, bawełna oraz inne materiały zawierające celulozę. Najważniejszymi składnikami
drewna są: celuloza, hemicelulozy i lignina a dokładny skład zależy od jego rodzaju i
odmiany. Zazwyczaj drewno zawiera około 50% wody, a jego część stała składa się na ogół z
około 45% celulozy, 25% hemiceluloz, 25% ligniny oraz 5% innych substancji
Podczas obróbki chemicznej z drewna otrzymywana jest masa celulozowa. Można ją
otrzymać poprzez proces rozpuszczenia ligniny wiążącej roślinne włókna. Pozbycie się
ligniny nadaje drewnu strukturę pojedynczych włókien z dominującą przewagą celulozy.
Wyroby otrzymywane na bazie mas celulozowych nazywa się wytworami bezdrzewnymi.
Podczas obróbki chemicznej otrzymywana jest z drewna masa celulozowa, a obróbka
mechaniczna daje ścier drzewny. Są to dwa surowce, z których otrzymuje się większość
papieru na całym świecie.
Ścier drzewny powstaje podczas ścierania drewna w obróbce mechanicznej, można wyróżnić
ścier:
●biały
(w
przeważającej
części
z
drewna
świerkowego),
●ścier brązowy ( w pierwszym etapie użyto drewna pod ciśnieniem - zazwyczaj sosnowego)
●ścier chemiczny (gdy drewno zostało najpierw poddane impregnacji)
Surowce pomocnicze
1. woda - wchodzi w skład masy papierniczej, jest używana przy myciu oraz płukaniu,
najlepsza jest woda miękka o dużej czystości.
2. wypełniacze - białe pigmenty, które nanoszone są na włókna; dzięki nim otrzymany
wyrób ma większą przeźroczystość i jest bielszy
3. środki zaklejające - kleje zwierzęce lub żywiczne,
4. barwniki
5. środki koagulujące
6. pigmenty
7. środki wodoutrwalające
Proces
wytwarzania
papieru
1) Sporządzenie masy papierniczej
● proces mielenia masy papierniczej - noże mielące rozgniatają, tną oraz gładzą masę;
działanie to nadaje większość dalszych cech papieru
● zaklejanie papieru - ten etap nadaje pożądany stopień zaklejenia, odpowiedzialny za
odporność na rozlewanie różnorodnych cieczy i ich przenikanie; odbywa się to na zasadzie
dodatku kleju do samej masy lub tylko na jej powierzchnię
● wypełnianie papieru - za pomocą wypełniaczy; dodaje się na włókna oraz do samej masy
białe pigmenty nadające papierowi wysoką białość, gładkość powierzchni, miękkość oraz
nieprzeźroczystość, wypełniacze obniżają jednak wytrzymałość oraz stopień zaklejania
papieru.
● barwienie - używa się w tym procesie paru substancji koloryzujących pozwalających nadać
wyrobowi papierniczemu pożądaną barwę, zastosowanie pigmentów barwiących oraz
barwników.
● rozwodnienie
● proces oczyszczania
2) Spilśnianie papieru
● przykłada się masę papierniczą do odpowiednich sit i prowadzi odwodnienie, poprzez
oczka sita przepływa woda składająca się z masy papierniczej
● następnie specjalnym walcem naciska się na masę, która ulega spilśnieniu oraz w
odpowiedni sposób rozkłada się na niej włókna; możliwe jest jednoczesne wygniatanie
znaków wodnych [filigran [znak wodny] - napis, znak firmowy, rysunek, godło, jest to
znak, który widać, gdy arkusz wyprodukowanego papieru jest oglądany pod światło,
zastosowanie dla wysokojakościowych papierów oraz przy papierach o dużej wartości]
● odciśnięcie wody - włókna papieru rozkłada się na taśmie, którą wprowadza się
między walec wyżymaka wyciskającego ze wstęgi papieru wodę
3) Proces formowania wstęgi papieru
● dalsza utrata wody przez wstęgi odbywa się dzięki prasom
● kolejno wstęga papieru zostaje poddana sprasowaniu i przenosi się ją na cylindry, gdzie jest
suszona dzięki podgrzewaniu jej do temperatury 120
0
C -w tej temperaturze żywica ulega
stopieniu a pozostała część wody odparowuje, wstęga papieru zostaje równomiernie
uformowana
● chłodzenie oraz zwinięcie wstęgi papieru
Rodzaje papieru:
● Papier gazetowy
● Tektury opakowaniowe
● Niepowlekane papiery drukowe i do pisania
● Papiery na warstwy płaską i pofalowaną tektury falistej
● Powlekane papiery drukowe i do pisania
● Papiery opakowaniowe
● Papiery specjalne
Klasy papieru:
Klasa artykułu papierniczego bierze pod uwagę zawartość procentową surowców
włóknistych, używanych przy produkcji materiału. Pierwszym kryterium jest udział włókien
szmacianych, następnie zwraca się uwagę na ilość włókien pochodzących od celulozy
drewnianej, a następnie ilość ścieru drzewnego oraz włókien pochodzących z mieszanej
makulatury.
Jeśli włókna szmaciane zostały użyte w największej ilości to produkt papierniczy zalicza się
do klasy I. Przewaga włókien makulatury mieszanej daje ostatnią z możliwych, 10 klasę.
Papier klas I oraz II -
charakteryzuje się najwyższą trwałością i mocą. Służy do produkcji
banknotów i jest wykorzystywany przy sporządzaniu ważnych dokumentów
.
Papier klasy III -
określa się jako bezdrzewny (100% celulozy) i zalicza się do papieru
specjalnego. Przeznaczany jest do wieloletniego przechowywania lub ciągłego posługiwania
się nim (np. na zeszyty szkolne).
Papier klasy IV -
ma trwałość i wytrzymałość zbliżoną do papieru III klasy. Przeznaczany jest
na druki specjalne.
Papier klas V i VI -
jest on dostatecznie dobry, charakteryzujący się dużą wytrzymałością i
wieloletnią trwałością (np. do druku wielu książek)
Papier klasy VIII – jest używany wyłącznie do druku gazet.
Makulatura
W dobrze zorganizowanych, zdyscyplinowanych i świadomych społeczeństwach
wskaźnik odzysku makulatury jest wysoki - w Europie przodują Niemcy oraz Finlandia, gdzie
około 73% zużywanych papierów i tektur jest odzyskiwanych w postaci makulatury. Dla całej
Unii (bez nowych członków) wskaźnik ten wynosi około 58%, w Polsce około 37%. Polska
jest zatem potencjalnie dużym dostawcą makulatury - przy obecnych wskaźnikach zużycia
papierów i tektur, wykorzystując rozwiązania w zakresie odzysku przodujących krajów
europejskich, moglibyśmy dodatkowo w ciągu roku zebrać i przekazać do recyklingu około
700 tys. ton makulatury.
Gdyby nie przetwarzano makulatury na nowy papier, stawałaby się ona niepotrzebnym
śmieciem, masowo zalegającym na wysypiskach. Wzrosłoby także zapotrzebowanie na
włókna pochodzenia roślinnego. Na wytworzenie jednej tony papieru trzeba wyciąć 12 – 17
drzew.
Idąc w druga stronę przetworzenie 1 tony papieru pozwala na zaoszczędzenie:
•Od 2,3 do 7 m3 miejsca na składowisku śmieci,
•26 500 litrów wody,
•1 476 litrów ropy,
•4 200 kWh energii.
Procesy przerobu makulatury można podzielić na dwie główne kategorie:
Procesy z zastosowaniem wyłącznie mechanicznego oczyszczania, tzn. bez odbarwiania,
obejmujące produkcję takich wyrobów jak testliner - papier dla płaskich warstw tektury
falistej i mieszanej makulatury; niepowlekane tektury i tektury pudełkowe, bibułki do
celów higienicznych.
Procesy obejmujące mechaniczne oczyszczanie i odbarwianie, stosowane przy produkcji
takich wyrobów jak papier gazetowy, bibułka, papiery do druku i pisania, papiery na
czasopisma ilustrowane, powlekane tektury i tektury pudełkowe lub rynkowa odbarwiona
masa makulaturowa.
Etapy procesu przerobu makulatury obejmują:
składowanie makulatury,
rozwłóknianie
usuwanie zanieczyszczeń, tzn. skuteczne oddzielanie materiału włóknistego od
towarzyszących mu zanieczyszczeń,
wytwarzanie papieru na maszynie papierniczej.
W zależności od możliwości technologicznych odzyskany papier i tekturę można
wykorzystać wtórnie do produkcji różnych papierów i tektur makulaturowych. Kierunki
zagospodarowania tych wyrobów to produkcja opakowań i tektur specjalnych, produkcja
papierów graficznych - głównie gazetowych oraz produkcja papierów higienicznych
(toaletowy i ręczniki).
Recykling, czyli wtórne przetworzenie jest najbardziej ekonomicznym i ekologicznym
kierunkiem zagospodarowania makulatury.
Odpady papierów i tektur można także utylizować poprzez:
● kompostowanie - w przypadku makulatury o niskiej przydatności do recyklingu,
● spalanie (np. w przypadku opakowań kombinowanych - tworzywa sztuczne/papier lub
tektura, tworzywa sztuczne/papier lub tektura/aluminium).
Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z jednym ze sposobów produkcji papieru
makulaturowego, a także z oznaczaniem wilgotności i suchej masy.
Wykonanie ćwiczenia:
1. Oznaczanie wilgotności i zawartości suchej masy.
Wytwory papiernicze z wyjątkiem papieru wodoodpornego, należą do artykułów
higroskopijnych. Zdolność chłonięcia wody zależy od składu chemicznego struktury.
Zwiększona zawartość wody podnosi gramaturę papieru, ale wpływa obniżająco na szereg
jego cech, przede wszystkim mechanicznych.
1.a. Wyposażenie stanowiska do oznaczania wilgotności.
- suszarka elektryczna z automatyczną regulacją temperatury
(dokładność pomiarów wynosi
2
C)
- waga techniczna
- waga analityczna
- naczynka suszarkowe z pokrywkami
- eksykator z suchym pochłaniaczem wilgoci
Zasada oznaczenia polega na wysuszeniu próbki badanego produktu w suszarce w
temperaturze 103
2
C do stałej masy. Należy przyjąć, że próbka osiągnęła stałą masę, jeżeli
wynik 2 kolejnych ważeń nie różni się między sobą więcej niż o 0,1% pierwotnej masy
próbki z naczynkiem.
Tok postępowania podczas oznaczania jest następujący:
- włączyć suszarkę i ustawić temperaturę 103
2
C,
- rozdrobnić (pociąć, poszarpać, itd.) na małe kawałki papier. Czynność rozdrobnienia należy
przeprowadzić szybko i sprawnie, aby uniknąć zmian w zawartości wody w badanym
produkcie papierniczym. W przypadku ręcznego rozdrobnienia należy użyć rękawiczek
gumowych.
- odważyć do każdego z naczynek po 2g badanego produktu z dokładnością do 0,0002g i
równomiernie rozprowadzić na dnie
- ustawić naczynka w suszarce i suszyć w temperaturze 103
2
C,
- po zakończeniu suszenia zważyć próbki.
Wilgotność produktu w % należy obliczyć z następującego wzoru:
gdzie:
a – masa próbki produktu pobranego do oznaczenia (g),
b – masa próbki produktu po wysuszeniu (g).
Zawartość suchej masy w % można obliczyć z następującego wzoru:
Dopuszczalna różnica między wynikami poszczególnych oznaczeń w próbkach analitycznych
nie powinna przekraczać 0,2%. Za wynik ostateczny przyjmujemy średnią arytmetyczną z
poszczególnych oznaczeń obliczonych z dokładnością do 0,1%.
2. Proces produkcji papieru:
2.a. Wyposażenie stanowiska do produkcji papieru.
- mikser z misą obrotową
- klej biurowy
- prasa pneumatyczna
Zasada wykonania ćwiczenia :
- podrzeć na małe kawałki papier
- włożyć do miksera, dodać wodę i klej biurowy
- zmiksować do momentu uzyskania jednolitej masy
- wylać masę do formy i równomiernie rozprowadzić
- sprasować