Наукова робота. Автономна пересувна установка для переробки пластикових пляшок

Ангеловська Альона Василівна,
учителька фізики та астрономії
Борщівського НВК „ЗНЗ 1-3ст. № 3 –
гімназія ім. Романа Андріяшика”
Борщівського району Тернопільської області,
лауреатка IV Всеукраїнського Інтернет-конкурсу
„УЧИТЕЛЬ РОКУ–2019” за версією
науково-популярного природничого журналу
„КОЛОСОК” у номінації „Фізика і астрономія”

ВСТУП

Проблема забрудненості довкілля пластиковими пляшками з кожним днем стає все більш актуальною. У сучасному суспільстві не існує такої людини, яка б не користувалася пластиковими пляшками . У рік одним жителем викидається близько 300 кг сміття. З цієї кількості приблизно третю частину становлять вироби з пластмаси (найчастіше це ПЕТ-пляшки).

Пластику необхідно близько 450 років тільки для того, щоб розкластися. В процесі розкладання виділяються токсичні речовини, порушується газообмін в грунті і воді. Дослідженнями встановлено, що розкладання пластику небезпечно тим, що контактують з ними середовища (повітря, вода, грунт) виділяються хімічні реагенти, що негативно впливають на організм людини і тварин.

Згідно з даними Держкомстату, щорічно в Україні викидається понад близько 350 млн. тонн відходів, з яких переробляється або спалюється до 5%, таким чином загальна кількість сміття на смітниках в нашій країні становить близько 12 млрд. тонн. В Україні є тільки один завод, який переробляє та п’ять заводів, які спалюють пластик.

Тому метою моєї роботи є розробка конструкції установки для переробки пластикових пляшок. Установка обов’язково має бути переносною, автономною та компактною, працюватиме від бензинового або дизельного генератора та при наявності – від мережі 380В.

РОЗДІЛ І. ІСНУЮЧІ ВИДИ ПЛАСТИКУ.

Нараховують біля 150 видів пластмас. Для одержання певних властивостей до їх складу вводять до 20 різних добавок, більшість з яких є токсичними. Типи пластику і коди для них визначені “Спілкою пластикової промисловості” (SPI). Коди SPI широко застосовуються для позначення типу пакувального матеріалу. Така практика є обов’язковою в багатьох країнах. Для ефективного сортування і переробки потрібно обов’язково знати 7 основних типів пластику, які широко застосовуються для упаковки товарів.

1.1. Поліетилентерефталат.

Якщо спочатку з ПЕТ, або лавсану, виробляли текстильні волокна, то зараз в першу чергу — пластикову тару. Пляшки з ПЕТ виходять гарні, прозорі, чисті та легкі, а також міцні та жорсткі. Їх можна забарвити в будь-який колір. Лінію з виробництва необхідної тари з поліетилентерефталату можна розмістити безпосередньо на виробництві, щоб економити на транспортуванні. Тому вони популярні у виробників безалкогольних напоїв, пива, олій та нехарчових продуктів.

В усьому світі за рік збирають до 6 млн. тонн ПЕТ, який переробляється на волокна, інші полімерні вироби або знов на пляшки. В Україну в місяць постачається до 50 тисяч тон гранул ПЕТ, які переважно стають тарою, а потім — відходами. ПЕТ переробляється на гранули, придатні для подальшого виробництва нових виробів, наприклад на «флокс».

У поліетилентерефталату низькі бар’єрні властивості, тобто він легко пропускає ультрафіолет і повітря, а назовні віддає вуглекислий газ з газованих напоїв. Через це напій всередині може набути складського запаху, а його термін зберігання суттєво обмежується. Цей матеріал витримує нагрівання приблизно до 60 градусів, тому не підходить для гарячих напоїв.

В ідеалі — за маркуванням: цифра 1 (або 01) в трикутничку. Або за характерною крапкою на дні пляшки . Може бути прозора, а може — кольорова.(Фото 1А)

1.2. Поліетилен високої щільності

Поліетилен високої щільності — це поліетиленові термопласти виготовлені з нафтопродуктів. Цей матеріал має високе співвідношення міцності до щільності, тому його використовують для виробництва пластикових пляшок, стійких до корозії труб, геомембран, інших пластикових виробів та як заміну пиломатеріалам. ПВЩ зазвичай переробляється, і має код переробки “2”.

В 2007 році глобальний ринок ПВЩ сягнув обсягу понад 30 млн. тонн.

HDPE характеризується своїм високим показниками питомої міцності. Густина поліетилену знаходиться в діапазоні від 0,93 до 0,97 г/см³ або 970 кг/м³. Хоча щільність ПВЩ лише трохи більша, ніж у поліетилену низької щільності, у поліетилені високої щільності менше розгалужень, що надає його структурі більшої міцності, завдяки сильнішій міжмолекулярній взаємодії. Різниця в міцності перевищує різницю щільності, що надає HDPE-пластику вищу питому міцність. Також вироби із цього пластику важчі та непрозорі, а також можуть витримати вищі температури (120 °С/ 248 °F) протягом коротких періодів.

Фізичні властивості поліетилену високої щільності можуть змінюватись в залежності від процесу формування, який використовується для виготовлення кожного конкретного зразка (Фото 2А).

1.3. Полівінхлорид.

ПВХ або полівінілхлорид – є безбарвною міцної пластмасою. Основною характерною відмінністю полівінілхлориду є хімічна стійкість до лугів, кислот, розчинників та мінеральних масел. На повітрі ПВХ не горить і витримує перепади температур від -15 C (5 F) до +65 C (149 F). За міжнародною класифікацією ПВХ позначається як PVC. Хімічна формула полівінілхлориду – [-CH₂-CHCl-]_n.

Серійно ізоляційні плівки для трубопроводів виробляються на поліетиленовій основі, так як для підземного зберігання та експлуатації труб (ємностей і цистерн) – поліетилен захищає об’єкт краще, ніж аналогічні матеріали на полівінілхлориді.

Переваги ПВХ:

• стійкість ізоляції до ультрафіолету,
• більш еластичне нанесення плівки.
• ізоляційний шар не руйнується з часом перебуваючи на сонці.

Застосування ПВХ:

• Дитячі іграшки
• Конвеєрна стрічка ПВХ
• Бутилі і тара
• Упаковка з ПВХ
• Будівництво: труби ПВХ
• ПВХ в медицині
• ПВХ плівка для ізоляції труб.

Полівінілхлорид досить міцний матеріал, не пропускає воду, хороший діелектрик, стійкий до ультрафіолетових променів (не розкладається на сонці).(Фото 3А)

1.4 Поліетилен низької щільності.

Поліетилен низької щільності — це термопластик, який виробляють із мономеру етилену. Був першим сортом поліетилену, виробленого в 1933 році компанією Imperial Chemical Industries, за допомогою високого тиску завдяки вільнорадикальній полімеризації. Виробники досі використовують ту саму методику. За даними Управління з охорони навколишнього середовища США близько 5,7% поліетилену низької щільності переробляється. Незважаючи на конкуренцію з боку більш сучасних полімерів, ПНЩ залишається широковживаним. У 2013 році світовий ринок ПНЩ досяг обсягу близько 33 мільярдів доларів США.

ПНЩ характеризується густиною в діапазоні 0,91–0,94 г/см³. За кімнатних температур хімічно пасивний, за винятком сильних окислювачів, та деякі розчинники викликають набухання. Тривалий час матеріал може витримувати температуру 80 °C і короткочасний вплив до 95 °C. Виготовляють напівпрозорі або непрозорі варіанти пластику, які досить гнучкі але жорсткі.

Використання ПНЩ:

ПНЩ поширений для виробництва різних ємностей, дозувальних пляшок, посуд для миючих засобів, труби, поліетиленові пакети для комп’ютерних компонентів і різноманітне формоване лабораторне обладнання, поліетиленові пакети. (фото 4А)

1.5. Поліпропілен

Поліпропіле́н — синтетичний полімер, продукт полімеризації пропілену.

За типом молекулярної структури можна виділити три основні типи: ізотактичний, сіндіотактіческій і атактический. Ізотактичний і сіндіотактіческая молекулярні структури можуть характеризуватися різним ступенем досконалості просторової регулярності. Стереоізомери поліпропілену суттєво відрізняються за механічним, фізичним і хімічним властивостям. Атактичний поліпропілен є каучукоподібний матеріал з високою плинністю, температурою плавлення – близько 80 ° С, щільністю – 850 кг / м³, хорошою розчинність в діетиловому ефірі.

Ізотактичний поліпропілен за своїми властивостями вигідно відрізняється від атактичного, а саме: він має високий модулем пружності, більшою щільністю – 910 кг / м³, високою температурою плавлення – 165-170 ° С і кращу стійкість до дії хімічних реагентів.

Стереоблокполімер поліпропілену при дослідженні за допомогою рентгенівських променів виявляє певну кристалічніть, яка не може бути такою ж повною, як у чисто ізотактичний фракцій, оскільки атактичні ділянки викликають порушення в кристалічній решітці. Ізотактичний і сіндіотактичний утворюються випадковим чином;

На відміну від поліетилену, поліпропілен менш щільний (щільність 0,91 г / см ³, що є найменшим значенням взагалі для всіх пластмас), більш твердий (стійкий до стирання), більш термостійкий (починає розм’якшуватися при 140 ° C, температура плавлення 175 ° C ), майже не піддається корозійного розтріскування. Має високу чутливість до світла і кисню (чутливість знижується при введенні стабілізаторів).

Застосування поліпропілену можна знайти практично в кожній промисловості:

• будівництво: зовнішня ізоляція, пінопласт, будівельні лицювальні матеріали, поліпшення механічних властивостей бетонних конструкцій, обладнання для ванних кімнат, труби водопровідні та газові, а також кондиціонування повітря, меблі та її елементи;
• хімічна і фармацевтична промисловість: труби для води і агресивних
• рідин, резервуарів, килими, посуд для лабораторій, фільтрувальні тканини, медичного обладнання, посуду для хворих, одноразові шприци, ліки упаковки тощо;
• текстильна промисловість: обладнання, яке піддається впливу хімічних речовин, резервуари для камер фарбування, волокна, килими, тканини і т. д.; поліпропіленові волокна становлять близько 12% від загальної

кількості синтетичних волокон

• електротехнічна промисловість та електроніка: корпуси та частини різних продуктів виробництва, ізоляційні матеріали, в тому числі кабелів і проводів;
• автомобільна промисловість: багато елементів автомобілів, як, наприклад, бампер, передні частини кузова, а також елементи інтер’єру;
• харчова промисловість та упаковка: покриття ємностей для молока, банки та пляшки, різні упаковки, предмети домашнього вжитку та іграшки. (фото 5А)

1.6. Полістирол

Полістирол – продукт полімеризації стиролу (вінілбензол), термопластичний полімер лінійної структури.

Полістирол – жорсткий крихкий аморфний полімер з високим ступенем оптичного світлопропускання, невисокою механічною міцністю. Полістирол має низьку щільність (1060 кг / м³), усадка при литтєвий переробці 0,4-0,8%. Полістирол володіє відмінними діелектричними властивостями і непоганий морозостійкістю (до -40 ° C). Має невисоку хімічну стійкість (крім розведених кислот, спиртів і лугів).

Розчиняється в сірковуглеці, піридині, ацетоні, толуолі, діхлоретане, хлороформі, чотирихлористому вуглеці, складних ефірах, повільніше – в бензині. Не розчиняється в воді. Термопластичний матеріал. Полістирол легко формується і забарвлюється. Добре обробляється механічними способами. Добре склеюється. Має високу вологостійкість і морозостійкість.
При сильному (вище 300 ° C) нагріванні полістирол розкладається з виділенням парів мономера (стиролу) та інших продуктів розпаду полімерних ланцюгів. На повітрі горить жовтим коптять небо полум’ям.

Випускається у вигляді прозорих гранул циліндричної форми, які переробляються в готові вироби литтям під тиском або екструзією при 190-230 ° С. Широке застосування полістиролу (ПС) і пластиків базується на його невисоку вартість, простоті переробки і величезному асортименті різних марок.

Найбільш широке застосування (понад 60% виробництва полістирольних пластиків) отримали міцні полістироли, що представляють собою сополімери стиролу з бутадиєенового і бутадієнстирольним каучуком. В даний час створені і інші численні модифікації кополімерів стиролу.

З полістиролів виробляють найширшу гаму виробів, які в першу чергу застосовуються в побутовій сфері діяльності людини (одноразовий посуд, упаковка, дитячі іграшки і т. Д.), А також будівельної індустрії (теплоізоляційні плити, незнімна опалубка, сендвіч панелі), облицювальні і декоративні матеріали (стельовий багет, стельова плитка, полістирольні звукопоглинальні елементи, клейові основи, полімерні концентрати), медичний напрямок (частини систем переливання крові, чашки Петрі, допоміжні одноразові інструмент ументи). Полістирол після високотемпературної обробки водою або парою може використовуватися в якості фільтруючого матеріалу (фільтрує насадки) в колонних фільтрах при водопідготовці і очищенні стічних вод.

Високі електротехнічні показники полістиролу в області надвисоких частот дозволяють застосовувати його у виробництві: діелектричних антен, опор коаксіальних кабелів. Можуть бути отримані тонкі плівки (до 100 мкм), а в суміші з сополімерами (стирол-бутадієн-стирол) до 20 мкм, які також успішно застосовуються в пакувальній та кондитерської індустрії, а також виробництві конденсаторів.(фото 6а).

Проаналізувавши всі ці вище перераховані види пластику можна сказати що у них всіх є майже однакова температура плавлення та всі вони окрім поліхлориду переробляються. Пластикові бутилки виробляють із 1, 2, та 5 номерів типу пластику.

РОЗДІЛ ІІ. ІСНУЮЧІ ВИДИ ПЛАСТИКОВИХ ГРАНУЛ ТА ЇХ ВИКОРИСТАННЯ.

Сьогодні предмети з пластика набули широкого поширення. І на це є кілька причин. По-перше, така популярність пояснюється їх практичністю, по-друге, невисокою вартістю в порівнянні з тими ж керамічними та скляними виробами. Гранули отримують з переробленого поліетилену. Вони являють собою кольорові пластівці, з яких і виробляють різноманітні пластикові вироби. Залежно від того, з якого матеріалу був отриманий пластик, його прийнято розділяти на:

Гранули LLDPE і LDPE. Їх використовують, щоб знизити вартість виробництва матеріалів для упаковки. Ці продукти хімічної промисловості не мають запаху, токсинів, а також є досить стійкими до впливу агресивних засобів.(фото 1Б)

Пропілен PP. Відрізняється стійкістю до механічних впливів, високих температур. При цьому такі гранули погано переносять низькі температури. Усувається цей недолік шляхом додавання спеціальних компонентів. Поліпропілен використовують для виготовлення посуду, меблів і різних упаковок.(фото 2Б)

Гранули ПВХ. Завдяки своїм характеристикам вони застосовуються майже у всіх галузях життєдіяльності людини. Цей матеріал легко забарвлюється і дуже простий в обробці.(фото 3Б)

Гранули ПНД. Вони різняться в залежності від рівня тиску, використовуваного при їх виробництві. Так, при низьких показниках

виходить продукт, що відрізняється високим рівнем щільності. З одного боку це збільшує витрати на його виготовлення, а з іншого дозволяє створювати продукцію, яка має хороші експлуатаційні характеристики. Крім пакувального матеріалу гранули ПНД використовують для виготовлення полімерних труб і різноманітних побутових ємностей.(фото 4Б)

РОЗДІЛ ІІІ. РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ АВТОНОМНОЇ ПЕРЕСУВНОЇ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПЕРЕРОБКИ ПЛАСТИКОВИХ ПЛЯШОК

Бізнес з переробки пластикових відходів, починаючи з останніх десятиліть ХХ століття, стає все більш актуальний та перспективний. Його актуальність зростає з тієї причини, що з кожним роком проблема утилізації полімерної продукції стає все гострішою.

Для переробки пластикових пляшок використовується наступна технологія: спочатку промивають пляшки, потім сортують за типом пластику, пресують, після пресування дроблять, нагрівають і гранулюють.

Я пропоную взяти за основу вищевказаний спосіб переробки, але спростити його – не потрібно буде пресувати пляшки, а після завантаження їх у бункер вони будуть пресуватися та подаватися на подрібнюючі дискові пили вальцевим механізмом, дискові пили дробилки будуть обертатися з більшою частотою , а також гранулятор і нагрівач я пропоную об’єднати , щоб установка була компактною.

Автономна пересувна установка для переробки пластикових пляшок буде працювати таким чином: помиті та посортовані пластикові пляшки відправлятимуться у бункер, далі за допомогою вальцового механізму у подрібнювач, після подрібнювача цей порошок потраплятиме через сито у гранулятор-нагрівач та у кінцевому результаті ми отримаємо гранули. Автономну установку для переробки пластикових пляшок потрібно встановити  в кузов грузового автомобіля. (Рисунок 2В). По-перше це буде компактно та буде місце для вже переробленої сировини. По-друге це буде пересувна установка, що є набагато вигідніше від стаціонарних фабрик.

Вальцовий механізм буде заштовхувати бутилки для подрібнення у дробилку. У дробилці будуть розміщуватись дискові пили на невеликій відстані. Вони будуть обертатися та поступально рухатися в горизонтальній площині (Рисунок 1В). Такий механізм дозволить нам подрібнювати пластик на порошок. Це потрібно для того, щоб менше затрати енергії на нагрівання.

Таким чином температура плавлення пластику зменшиться .Після цього пластиковий порошок потраплятим на сито, дальше у нагрівач – гранулятор. Там нагрівається порошок. Та далі за допомогою гранулятора виготовляються гранули.

Гарячі гранули потрібно розкладати на матеріал, у якого температура плавлення більша ніж близько 150 . Наприклад на листи із алюмінію. Ця установка працюватиме від бензинового генератора та при можливості від мережі 380 В. Ця установка може використовуватись для трьох типів пластику: поліетилентерефталат, поліетилен високої щільності і поліпропілен.

Бензиновий генератор кращий від дизельного тому що:

• його менша масса від дизельного;
• його менші розміри від дизельного;
• його вартість менша від вартості від дизельного;
• завдяки конструкції він майже безшумний;
• він витриваліший, ніж дизельний.

Робота автономної пересувної установки для переробки пластикових пляшок буде повністю автоматизована. Для її роботи потрібно буде максимум два працівники. Перший працівник буде загружати пляшки в бункер. Другий працівник буде забирати вже готову сировину.

На мою думку, економічно вигідно буде купляти уже помиті пляшки за вищою ціною. Немиті пляшки пункти вторсировини продають по 3 грн/кг, а помиті пляшки економічно вигідно купляти по 6-7 грн/кг. Дробилка за годину може подрібнити близько 20-30 кг. У кінцевому результаті виходить близько 20-30 кг гранул.

Потужність бензинового генератора близько 5 кВт. Розхід палива 5 кВт 3 фазного генератора близько 340 г/год*кВт. Так як у нас 5 кВт-ний генератор то розхід пального на 1 годину буде 1,7 літра , а вартість одного літра бензину ≈ 30 грн. Отже за годину ми витрачаємо 51 грн.

За одну годину гранул ми можемо виробити на 2400-3600грн .А якщо відняти всі витрати, то отримаємо 2000-3200грн. А повний робочий день становитиме 8-10 год , і за цей час ми виготовимо продукції на суму 16000-36000грн.

Вартість подрібнювача близько від 15000грн-20000грн. Вартість гранулятора разом із нагрівачем близько 40000-60000грн. Отже вартість установки разом з вартістю автомобіля становитиме ≈180000-200000грн.

ВИСНОВКИ

Запропонована мною конструкція автономної пересувної установки для переробки пластикових пляшок є абсолютно новою та оригінальною.

Така установка є мобільною, вона дозволить переробляти відходи пластмас в різних населених пунктах по мірі їх накопичення, і не потрібно буде будувати стацыонарны переробні підприємства та транспортувати відходи ( як це робили у Львові).

На основі техніко-економічних розрахунків я стверджую що ця автономна пересувна установка для переробки пластикових пляшок може стати досить прибутковим бізнесом та допоможе очистити природу від забруднень.

Так як установка може переробляти аж три види пластику то вона є універсальною та багатофункціональною.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ.

1. http://nowaste.com.ua/polietilentereftalat/
2. https://7promeniv.com.ua/povodzhennia-z-vidkhodamy/plastyk/1854-vydy-plastyku-markuvannia
3. https://shen.ua/ua/zavody-po-pererabotke-othodov-perspektivy-i-realii-biznesa
4. https://homebiznes.in.ua/biznes-na-pererobtsi-plastykovyh-vidhodiv-nadprybutkova-ideya/
5. http://pidruchniki.com/ekologiya/vidi_masshtabi_zabrudnennya_navkolishnogo_seredovischa
6. http://darex.com.ua/ru/stati/pljusy_i_minusy_benzinovyh_generatorov.html

ДОДАТКИ

Додаток А

Фото 1А. Поліетилентерефталат.
Фото взято з сайту: www.google.com

Фото 2А. Поліетилен високої щільності.
Фото з сайту: www.google.com/searchclient

Фото 3А. Полівінхлорид.
Фото взято з сайту: https://www.google.com/C3ILU7ZmwGR3IM

Фото 4А. Поліетилен високої щільності.
Взято з сайту: https://www.google.com/14BRpE4nsc54zM

Фото 5А. Поліпропилен.
Взято із сайту: https://www.google.com/Dmxzj2GkU-xjryM:

Фото 6А. Полістирол.
Фото взято із сайту: https://www.google.com/dzu9LrVy0aOvxM

Додоток Б

Фото 1Б. Гранули: LLDPE і LDPE. Взято із сайту: https://ua.all.biz/vtorichnaya-granula-ldpe-hdpe-lldpe-pp-hips-g8562299

Фото 2Б. Гранули РР. Взято із сайту: https://www.google.com/YWFWRvg8tKxM:

Фото 3Б. Гранули ПВХ. Фото взято із сайту: https://www.google.com/ 2t2XHoNBe7S0NM:

Фото 4Б. Гранула ПНД. Фото взято із сайту: www.google.com/ N4hRr_3ix1pdnM:

Додаток В

Рисунок 1В. Схема роботи дробилки. Рисунок автора.

Рисунок 2В. Схема установки. Рисунок автора.