Recyklace kompozitních materiálů: postupy a výzvy

Slovo recyklace vzniklo v angličtině a znamená opětné využití, opětné zpracování. Odpady se tedy zpracovávají a používají pro jiný účel. Přitom vznikají nové produkty a náhradní paliva. Zcela podle hesla „udělej ze starého nové“!

Zvyšování materiální životní úrovně, růst spotřeby surovin a energií a nárůst průmyslové výroby přinášejí i negativa dneška. Nutným požadavkem zůstává pokles nároků na primární surovinové zdroje, což lze při současném objemu produkce zajistit pouze postupným zaváděním „rozumných“ technologií jakož i důslednou separací a recyklací využitelných surovin.

Světová populace roste a roste i světová prosperita, což se v neposlední řadě projevuje i spotřebitelským chováním lidí. Současně čelíme výzvě zvyšujících se emisí skleníkových plynů a rostoucího znečištění vody v důsledku průmyslového odpadu a odpadu z domácností. Všichni musíme přispět svým dílem k tomu, abychom zabránili globálnímu oteplování a nešetrnému odhazování odpadků. Kouzelným slovem je "udržitelnost". Znamená šetrné využívání zdrojů a odpovědnost vůči lidem i přírodě.

Problémové plasty a jejich recyklace

Materiál, bez kterého si dnes už neumíme představit každodenní život, nejen v civilní i průmyslové sféře, jsou plastické látky. V uplynulém století dosáhly z materiálů největší dynamiku růstu výroby i spotřeby plasty. Základní masové typy plastů jako polyethylen (PE), polypropylen (PP), polyvinylchlorid (PVC) a polystyren (PS) postupně rozšiřovaly své aplikace.

Širokospektrální mnohostranné využití plastů vytváří jednak značný tlak na dostatečné surovinové zdroje a naopak po využití vzniklé odpady vytvářejí značný kvantitativní a kvalitativní problém jak dlouhověký materiál zneškodnit, popřípadě opětovně využít. Odpad z plastů lze označit jako problémový odpad z několika důvodů:

Čtěte také: Jak recyklovat starý šicí stroj

• při volném skládkování jsou mnohé téměř nezničitelné,
• pod označením plasty se skrývá široký sortiment materiálů, které jsou navíc často vzájemně kombinovány,
• mohou být kombinovány s jinými neplastovými materiály,
• různé plasty jsou často vzájemně nekompatibilní a tak ve směsi jen problémově, případně vůbec nezpracovatelné,
• při spalování se produkují exhaláty s vysokým obsahem a množstvím HCl.

Plastový odpad se může dále zpracovávat, nebo recyklovat v závislosti na složení jak běžnými plastikářskými technologiemi, tak i speciálními recyklačními technologiemi. Použití základních plastikářských technologií se nejčastěji opírá o vytlačování, vstřikování, vyfukování a lisování, což vyžaduje jednak poměrně čistý jednodruhový odpad známého složení v dostatečné kvalitě a kvantitě. Obecně platí zásada, čím je požadovaná vyšší kvalita výrobku, tím by měl být odpad lépe upraven. Čím více se má plastový odpad přibližovat charakteristice plnohodnotné druhotné suroviny, tím více se musí odpad upravovat. Před vlastním zpracováním, recyklací se musí plastový odpad převést do zpracovatelné podoby, tj.

Metody recyklace plastů

Rozeznáváme tři základní skupiny plastů: termoplasty, duroplasty, elastomery. Recyklovat však lze zejména první skupinu plastů. Směs plastových odpadů různého druhu zhoršuje kvalitu výsledného produktu, a proto takto recyklované produkty mají pouze podřadnější použití. Z takového odpadu se vyrábějí podpůrné sloupy na upevnění dopravních značek a révy, případně se taková drť přidává do povrchů silnic.

Plasty lze recyklovat pyrolýzou (termickým rozkladem), chemicky (hydrolytickou degradací ve vodním prostředí nebo v prostředí vyšších alkoholů) a mechanicky. Pyrolýzou se získávají paliva, rozpouštědla a jiné recyklovatelné produkty.

Fyzikální recyklace

Je to proces, při kterém se z plastového odpadu získává výrobek, během něhož neprobíhá chemická reakce recyklovaného materiálu. V současnosti téměř bezvýhradně převažují mechanické technologie. Plastový odpad je přiváděn do taveniny nebo viskózně elastického stavu tvarovaný a pak ochlazený.

A. Primární mechanická recyklace

Při primární mechanické recyklaci se z jedno druhového plastového odpadu získává výrobek stejné či podobné kvality, jako měl původní materiál či recyklovaný výrobek. Takovým způsobem je již dlouhodobě zpracovaných více než 95 % technologických odpadů přímo zpracovateli plastů. Recyklovaný materiál stačí převážně nadrtit na přiměřeně jemnou frakci a následně ji míchat s čistým poprvé zpracovaným plastem vstupujícím do zpracování. Existuje jen málo zpracovatelských technologií, kde není možné odpady tímto postupem zpracovat.

Čtěte také: Zodpovědný přístup k recyklaci kávových kapslí

B. Sekundární mechanická recyklace

Pod sekundární mechanickou recyklací plastového odpadu rozumíme proces, ve kterém se získá materiál nebo výrobek, jehož vlastnosti jsou odlišné od původního materiálu nebo výrobku. Postup lze využít při zpracování některých typů směsných plastových odpadů, kompozitních výrobků a méně kvalitních průmyslových a technologických plastových odpadů.

Výrobky z PVC, které obsahují i jiné materiály a nelze je oddělit (kompozitní výrobky), lze recyklovat na takové produkty, kde směsné složení není problémem. V některých zemích EU byly zavedeny recyklační systémy např.

C. Fyzikální postupy

Fyzikální postupy založené například na rozpouštění se používají v případech, kdy je plastový odpad znečištěný cizorodými těžko odstranitelnými příměsemi, nebo jde o směsné plastové odpady s příměsemi plastů, které nelze odstranit běžnými jednoduchými postupy např. oddělování PVC a PET od PE a PS tříděním podle hustoty ve vodném roztoku.

Pro recyklaci některých typů PVC odpadů byl vyvinut postup VinyLoop, který využívá rozpouštědla k izolaci PVC od mědi, vláken a jiných polymerů. Technologie spočívá v rozpouštění PVC ve vhodném rozpouštědle (methylethylketonu), následně oddělení cizorodých příměsí z roztoků filtrací, vysrážení pročištěného PVC vodní párou a regeneraci použitého rozpouštědla. Takový recyklát je pak vhodný pro další zpracování. Struktura granulátu je vhodná pro zpracování válcováním, vytlačováním a vstřikováním.

Chemická recyklace

Chemická recyklace plastových odpadů využívá technologické postupy, při nichž probíhají chemické reakce. V průběhu procesu chemické recyklace jsou plastové odpady podrobovány působení zvýšené teploty, a to buď v přítomnosti, či nepřítomnosti kyslíku, případně za přídavku vodíku. Makromolekulární látky se štěpí na nízkomolekulární sloučeniny s jednoduššími řetězci často podobné ropným frakcím. Tepelné krakování plastového odpadu se provádí hydrogenací, pyrolýzou nebo zplyňováním. Získané uhlovodíky jsou nejčastěji využívány jako surovina v petrochemickém průmyslu. Z tohoto důvodu jsou směsné plastové odpady nejdříve upravovány. Tato úprava spočívá ve vytřídění a rozředění odpadů s vyšším obsahem chloru a odpady s nižším nebo nulovým obsahem chloru.

Čtěte také: Výzvy v recyklaci tvrzených plastů

Další možnost je tepelné odstranění halogenů před vlastním zpracováním pyrolýzou v kapalné fázi. Vznikající chlorovodík bývá neutralizován nebo průmyslově využit. Chemická recyklace odpadů s dominující složkou PVC je určena především k zpětnému získání chlorovodíku a uhlovodíku.

Recyklace směsného plastového odpadu

Pro účinné zpracování jsou vhodné technologie intruze, tzv. vtlačování do formy. Vyrábějí se takto tlustostěnné výrobky jako tyče, desky a profily, z nichž se vyrábějí hotové výrobky. Podmínkou takového zpracování je, aby měla vsázka požadované složení, zejména složku, která je schopna se roztavit a zajistit, aby se materiál spojil. Tavení zajišťuje PE, jehož musí být minimálně 65 %.

Recyklace jedno druhových plastových odpadů

Polyethylen: Často stačí PE odpad nadrtíme na drť, kterou lze znovu zpracovávat na běžných vstřikovacích strojích pro nové výrobky. Z foliového PE odpadu se většinou vyrábí regranulát, který se používá hlavně na technicky méně náročné výrobky.

Polypropylen: Zpracovává se podobně jako PE, jeho zastoupení v odpadech však bývá ve srovnání s PE několikanásobně níže. V některých případech se zpracovává nejen čistý PP regranulát, ale i směsný PE / PP regranulát.

Polystyren: Pěnový PS je dobře rozeznatelný od jiných plastových odpadů, recykluje se většinou na technické výrobky, např. panely na zateplování. Plný polystyren je zpracovatelný na regranulát.

Polyvinylchlorid: V současnosti se zhruba 50 % PVC odpadních plastů recykluje na zajímavé produkty jako jsou trubky, okna, podlahoviny, střešní krytiny, kabely. Odpad z trubek se mele na částice se zrnitostí okolo 5 mm a používá se k výrobě lehčené střední vrstvy nových potrubí. Odpad z oken se nadrtí, z drtě se odloučí vhodnými procesy kovy, sklo, guma a po transportu vytlačovacím strojem s filtrací se poseká na regranulát, který se používá znovu při výrobě oken technologií koextruze, nebo pro výrobu technických výrobků vstřikováním popřípadě vytlačováním. Recyklát z odpadních podlahovin se po úpravě s vhodnými aditivy používá na střední nebo spodní vrstvu podlahovin.

Firma SOLVAY vyvinula rozpouštědlový postup VinyLoop, kde se na izolaci PVC polymeru využívá rozpouštědlo, ve kterém se tento polymer rozpustí a cizorodé příměsi se odstraní filtrací. PVC se následně vysráží a rozpouštědlo se regeneruje. Vyvinuté jsou také procesy chemické recyklace, při nichž se získává chlorovodík a uhlovodíky, které mohou využít jako chemické suroviny nebo energetické palivo.

PET: Základní surovinou nejrozšířenějších plastových lahví je polyetylentereftalát, který je nejrozšířenějším polymerem z polyesterových polymerů. Polyesterové láhve jsou hygienicky neškodné. Pro recyklaci PET lahví lze využít následující způsoby:

• mechanický - výsledným produktem jsou vločky, které se používají na výrobu vláken,
• termický - používá se tam, kde nelze použít vločky na vlákna. Nejdříve se přetaví a připraví se z nich granulát,
• chemický - při tomto způsobu se polyetylenftalát chemickým způsobem rozloží až na výchozí monomery. Může se to provést několika způsoby, a to: rozkladem methanolem, rozkladem ethylenglykolem, rozkladem hydroxidem sodným apod.

Z materiálově recyklovaného PET se největší podíl v současnosti uplatňuje ve výrobě vláken. Dále se používá k výrobě fólií, nepotravinářských dutých obalů, konstrukčních prvků, vázacích pásek atd. Aktuální trendy směřují k používání recyklovaného PET opět na výrobu potravinářských obalů na přímý styk s potravinami. Jde o tzv. Stehningův proces v uzavřeném cyklu ,,bottle-to-bottle“. Vyvinuté jsou i metody chemické recyklace PET založené na hydrolytické degradaci za vzniku monomerů kyseliny tereftalové a ethylenglykolu, z nichž lze esterifikací získat opět nový polymer. Výtěžek procesu je téměř 90 %. Chemickou recyklaci lze považovat za perspektivní technologii zhodnocení odpadního PET.

Recyklace plastového odpadu z výroby

Při výrobě může vznikat poměrně velké množství plastového odpadu. Výrobní plastový odpad představuje v drtivé většině jednodruhový plast bez mechanických nečistot jako: zmetky výrobků, výtoky z vytlačovacích trysek, vtokové soustavy ze vstrekolisovách forem, odřezky fólií - volně ukládané nebo v kotoučích.

Vzhledem k poměrně vysoké čistotě plastového odpadu je jejich materiálové zhodnocení technologicky jednodušší. Zpravidla se používá čistý vytříděný kusový plast ve formě drtě se zrnitostí 4 až 8 mm podobný originálnímu plastovému granulátu. Drť se následně přimíchává do nové suroviny vstupující do vstřikovacího lisu nebo extruderů. Takto se dá plast postupně používat ve výrobním procesu několikrát.

Využití plastových recyklátů

Recyklované plasty mohou být použitelné v oblasti výstavby dálnic a v železniční dopravě. V současnosti jsou rozpracovány i další možnosti využití plastových odpadů a to hlavně pro výrobu nosných sloupků pro dopravní značky, sněhové zábrany, výbavu odpočívadel a parkovišť jako jsou stoly, lavice, popelnice, protihlukové bariéry apod.

Další návrhy směřují pro aplikace směsných plastových odpadů na profily pro výztuhu a ochranu podzemních chodeb. Ačkoliv aplikace je původně určena pro oblast hornictví, může se najít uplatnění i při budování tunelů a průzkumných chodeb.

Získávání energie z plastů

Odpadní plasty, které se nedají transformovat přes klasické recyklační postupy, je možné zhodnotit alespoň energeticky. Spalování odpadních plastů s cílem získat energii, která by jinak musela být získána z jiných neobnovitelných zdrojů, můžeme též tedy považovat za druh recyklačního procesu. Plasty jsou snadno spalitelné běžně při teplotách kolem 900° C a mají ve srovnání s ostatními palivy vysoký energetický obsah.

Díky poměrně vysokým hodnotám výhřevnosti polymerů (PE 43,3 MJ/kg; PP 44 MJ/kg; PVC 18-26 MJ/kg; PS 44 MJ/kg; PET 23MJ/kg; PA 30 MJ/kg) lze odpad z plastů využívat jako hodnotné zdroje energie.

Energetické využití se uplatní hlavně v cementářských pecích, železárnách a ve speciálních spalovnách organického odpadu vybavených čističi spalin.

Spalování PVC

PVC má podobnou výhřevnost jako dřevo či papír, ale produkuje podstatně méně oxidu uhličitého na 1kg materiálu, který vzniká při spalování klasických materiálů, jako jsou olej, dřevo nebo uhlí.

Významný je však výskyt chlóru a vznik sloučenin chlóru a dioxinů jako zplodin hoření při spalování. Podíl chlorovodíku z odpadního PVC ve spalovnách tvoří zhruba 40 - 60 %, což je významné pro ohrožení zdraví obyvatelstva a životního prostředí. Při spalování sloučenin obsahujících chlor mohou vznikat dioxiny. Moderní spalovny odpadů musí mít vybudovanou vysokoteplotní sekci, která vznik dioxinů minimalizuje, případně zachycuje v tzv.

Třídění plastového odpadu

Obecně jsou technologie materiálového využití plastového odpadu založeny na vyčištění odpadu od mechanických nečistot tzv. praním, odseparováním nežádoucích příměsí, oddělení jednotlivých druhů plastu obsažených v odpadech, vysušení materiálu a v následném zhodnocení ve formě plastového polotovaru určeného k výrobě nových výrobků. Všechny tyto operace seřazeny do technologické separační linky vyžadují, aby do nich vstupoval vytříděný plastový odpad. Třídicí dopravníkový pás má v procesu materiálového využití plastových odpadů nezastupitelné postavení pro mechanické oddělení jednotlivých složek odpadu, rozdělení odpadů a homogenizování velikosti částic odpadu.

Hospodářský význam hospodaření s odpadními plasty a jejich využití jako druhotných surovin spočívá zejména v obohacování domácí surovinové základny. Stupeň využitelnosti druhotných surovin a jejich podíl na celkové produkci je zároveň významným měřítkem průmyslové, technické a vědeckovýzkumné vyspělosti země.

Recyklace kompozitních materiálů ve větrných elektrárnách

Většina součástí větrných elektráren je velmi dobře recyklovatelná, a to až z 85-90 %. Ocelový stožár a gondola, drahé kovy z elektroinstalace a další kovy jsou recyklovatelné zcela. Beton ze základů se rozdrtí a opakovaně se využívá ve stavebnictví.

Největší výzvou jsou lopatky rotoru, které jsou vyrobené z kompozitních materiálů, jako je sklolaminát a uhlíková vlákna, které jsou navrženy pro dlouhou životnost a odolnost vůči extrémním podmínkám. Recyklace kompozitních materiálů není jen problém větrného průmyslu, ale celého odvětví využívajícího tyto materiály, například leteckého průmyslu.

Hlavní současnou metodou recyklace je spoluspalování v cementárnách, ale výzkum a inovace pokračují pro rozvoj efektivnějších technologií s vyšší přidanou hodnotou (materiálové využití).

Po ukončení provozu v původní lokalitě mohou být větrné elektrárny demontovány a prodány do jiných zemí, kde jsou znovu instalovány a pokračují ve výrobě elektřiny. Tímto způsobem se maximalizuje využití stávajících technologií, zároveň se snižuje množství odpadu a potřeba nových surovin pro výrobu nových elektráren.

Ekologické kompozitní materiály a výzkum

Docent Ondřej Jankovský se svou Výzkumnou skupinou pokročilých kompozitních materiálů získal pětiletý grant v prestižní soutěži GAČR JUNIOR STAR 2022. Projekt docenta Jankovského se bude zabývat vývojem vysoce pevných, voděodolných, CO2 neutrálních a zcela recyklovatelných kompozitů na bázi reaktivního oxidu hořečnatého s dvoudimenzionálními nanoaditivy a sekundárními plnivy.

Tyto ekologické kompozitní materiály by v budoucnosti mohly částečně nahradit portlandský cement, s jehož produkcí je spojeno 7 % celosvětově vyprodukovaných emisí oxidu uhličitého. Cementy na bázi reaktivního oxidu hořečnatého (MOC z angl.

Hlavním rozdílem mezi MOC a běžně užívaným portlandským cementem je energetická náročnost a s ní spojená zátěž v podobě emisí skleníkových plynů. Základem portlandského cementu je oxid vápenatý, který se připravuje kalcinací vápence za teplot v rozmezí 900 - 1200 °C. Pro slinutí portlandského cementu je navíc třeba dosáhnout teplot až 1450 °C. Oba tyto děje jsou energeticky velmi náročné.

Pro produkci MOC se využívá kaustický oxid hořečnatý, který se připravuje kalcinací magnezitu za výrazně nižších teplot, na kalcinaci dostačuje teplota 700 °C. MOC fáze následně vznikají za pokojové teploty reakcí s roztokem chloridu hořečnatého. Připravené kompozitní MOC materiály mají navíc schopnost zachytávat oxid uhličitý ze vzduchu.

Dále je možné do těchto materiálů aplikovat plniva z původně odpadních materiálů, což je také předmětem výzkumu navrženého projektu. Jedná se například o popílek, popel z biomasy, čistírenské kaly, plastové agregáty, keramický a porcelánový odpad či stavební odpad. Důraz bude kladen na to, aby byly vyzkoušeny a aplikovány reálné odpady vznikající v průmyslové výrobě. Na základě předchozí spolupráce s průmyslovými partnery je zajištěno dostatečné množství různých odpadních surovin, které budou v projektu testovány. Čím více plniv bude výsledný materiál obsahovat, tím méně výchozích nerostných surovin bude pro přípravu kompozitů zapotřebí. Zároveň bude možné zužitkovat větší množství odpadního materiálu, který by jinak skončil na skládkách.

Myšlenka využití odpadních surovin ve stavebnictví není nikterak nová či přelomová. V současnosti se přípravou ekologických stavebních materiálů zabývá relativně velké množství výzkumných pracovišť po celém světě. Náš projekt je unikátní zejména v aplikování kombinací různých dvoudimenzionálních uhlíkových nanomateriálů v MOC kompozitech, což povede ke komplexnímu vylepšení jednak mechanických vlastností, ale především odolnosti materiálu vůči vodě.

V projektu jsou nastíněny dva základní postupy recyklace. První, „termická“ metoda zahrnuje opětovnou kalcinaci MOC materiálů. Během tohoto procesu vznikne materiál bohatý na oxid hořečnatý, který bude možné použít pro přípravu další generace MOC kompozitů. Druhá, „mechanická“ metoda bude založena na mletí MOC kompozitů na konci své životnosti a jejich následné aplikaci ve formě plniv. Pokud se obě tyto metody osvědčí, bude možné připravit kompozit, který bude připraven ze 100 % z recyklovaných materiálů či odpadních surovin.

Výzvy a budoucnost recyklace kompozitních materiálů

K těm největším výzvám recyklace patří opětovné získání druhotných surovin z různých odpadů. V popředí vždy stojí trvale udržitelný oběh.

V současné době podporují společnosti v obalovém průmyslu po celém světě udržitelná řešení a rozvoj i rozšiřování recyklační infrastruktury. V historickém vývoji obalů byly znovu a znovu objevovány a vyvíjeny nové materiály a postupy, přičemž některé byly zavrženy a jiné optimalizovány. V současné době je velká poptávka po alternativách ke konvenčním plastům, jako je např. papír z trávy nebo biologické a biologicky rozložitelné plasty. Jako základ nových typů materiálů se používá také cukr, řasy a mycelia. Ty, známé jako biopolymery, se skládají z obnovitelných surovin nebo biologických odpadních produktů a na konci své životnosti jsou plně kompostovatelné - v podstatě se jedná o přirozenou recyklaci. K tomu bude v budoucnu zapotřebí plocha a vhodné systémy likvidace.

Stejně jako u nových materiálů se díky chytrému designu a zdokonaleným materiálovým cyklům snižují emise uhlíku a odpad. V dnešní době se již ve fázi konstrukce obalů zohledňuje co nejšetrnější využívání zdrojů a recyklovatelnost. Hmotnost lze snížit systematickou optimalizací tvarů obalů a výrobních strojů. Tam, kde sběr, třídění a recyklační procesy uvedou do pohybu koloběh materiálů, se snižuje spotřeba energie a vody, protože k výrobě obalů je zapotřebí méně primárního materiálu. Zde přichází ke slovu tzv. postkonzumní materiál, jinými slovy materiály po použití obalu. Zejména v oblasti plastů využívá stále více společností pro obaly svých výrobků recyklát pocházející ze sběru druhotných surovin. Zdroje lze šetřit také pomocí chytrých výrobních postupů, jako je například vnitropodniková koncepce společnosti ALPLA. Výroba obalů přímo u zákazníka eliminuje přepravu a snižuje emise uhlíku.

Žádné trendy budoucnosti se neobejdou bez digitalizace - chytré obaly znamenají digitální propojení výrobku, výrobce, maloobchodu a spotřebitelů včetně integrace kanálů sociálních médií. Toho je dosaženo například pomocí potisknutelných elektronických prvků, jako jsou čipy NFC a RFID, senzory, reproduktory a displeje. Tyto elektronické pomůcky poskytují vyhodnotitelné údaje během přepravy, skladování a používání a monitorují klíčové atributy výrobku, jako je teplota, vlhkost a zralost. Z těchto chytrých obalových řešení mají prospěch především výrobci a prodejci, protože jim umožňují průběžně sledovat stav výrobku. Čárové kódy, QR kódy a prvky rozšířené reality prostřednictvím chytrého telefonu nebo příslušných aplikací mohou spotřebitelům nabídnout další informace nebo speciální nabídky a zážitky související se značkou a výrobkem.

tags: #recyklace #kompozitních #materiálů #postupy

Oblíbené příspěvky:

• Likvidace autovraků v Šumperku a okolí
• Studie o environmentálním dopadu digitálních technologií
• Geberit a stoupačka: postup
• Stavební odpad a legislativa
• Margot Ruis a svět bytostí přírody