СВЧ пиролиз полимеров в порошке графита

Размещено на http://www.allbest.ru/

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

СВЧ ПИРОЛИЗ ПОЛИМЕРОВ В ПОРОШКЕ ГРАФИТА

Антонов И.Н., Михолап А.В.

Аннотация

пиролиз полимер сверхвысокочастотный энергия

В статье рассмотрен метод использования СВЧ энергии в качестве источника тепла при пиролизе отходов содержащих полимеры и расчёт основных параметров для использования потенциальных выгод с использованием имеющихся знаний в этой области.

свч нагрев, полимеры, пиролиз, графит, пластиковые отходы

Annotation

Microwave Pyrolysis of Polymers in Graphite Powder

Saratov State Technical University. By. Yuri Gagarin

Antonov I.N., Mikholap A.V.

The methodology of using microwave as a heat source in polymer wastes pyrolysis and calculation of the main parameters to use potential benefits available knowledge in this area is under review.

microwave heating, polymer, pyrolysis, graphite, plastic wastes

Основная часть

Постоянный рост производства полимерных материалов приводит к стремительному увеличению пластиковых отходов, загрязняющих окружающую среду. Полимеры практически не разлагается со временем, их сжигание приводит к выделению чрезвычайно токсичных веществ и потере ценных ресурсов углерода. Принимая во внимание высокую стоимость и сложность процессов сбора, сортировки, очистки пластиковых отходов, а также потери качества полимеров за счет условий и времени хранения, проблема утилизации отходов пластика становится все более сложной. Вывоз или захоронение на бытовых полигонах не решает проблем утилизации полимерных материалов, так как объем полимерных отходов со временем увеличивается, что приводит к увеличению площадей, занятых отходами пластмасс. Исходя из этого, единственно верным вариантом утилизации пластиковых отходов является их переработка.

К основным способам переработки полимеров относятся:

Ликвификация - термический процесс переработки органогенного сырья в температурном диапазоне 200-400 єС c целью получения жидких продуктов.

Газификация - процесс термической переработки, включающий частичное окисление органического сырья при высоких температурах 700 - 1500єС.

Самым распространенным термическим способом переработки пластика является метанолиз - расщепление отходов с помощью метанола.

Ещё одним способом термической способом переработки является пиролиз - процесс температурного распада органогенного сырья, протекающий без доступа кислорода.

В настоящее время СВЧ нагрев становится одной из самых привлекательных альтернативных технологий используемых для проведения пиролиза. По сравнению с существующими процессами переработки полимеров, СВЧ пиролиз является экологически чистой технологией, при которой углеводородная составляющая полимеров перерабатывается термическим разложением для производства газообразного и жидкого топлива. Кроме того с её помощью возможно устранить недостатки традиционных методов пиролиза, такие как медленный нагрев, улучшить качество конечных продуктов пиролиза, обеспечить более равномерное распределение тепла и обеспечить лучший контроль процесса нагрева.

Технология СВЧ пиролиза для обработки полимерных отходов включает в себя перемешивание отходов содержащих полимеры, которые, как известно, плохо взаимодействуют с СВЧ полем, с материалом, хорошо поглощающим СВЧ энергию, например, порошком графита. Графит в СВЧ-поле может достигать температуры около 1000°С в течение нескольких минут, и энергия передается измельченному пластику за счёт теплопроводности, что обеспечивает эффективную передачу энергии.

Испытания показали потенциал СВЧ пиролиза для обработки многослойных пластиков содержащих тонкий слой алюминиевой фольги [1]. Эти материалы, которые являются типичным примером отходов из пластика вместе с другими компонентами, используются главным образом для хранения пищевых продуктов, напитков и других продуктов, таких как зубная паста. Общее название, которое используется для их обозначения, особенно когда они используются для упаковки продуктов питания и напитков, является TetraPack (от товарного знака TetraPaсk Швеции и Швейцарии). Они состоят из различных типов пластиков, которые содержат тонкую фольгу из алюминия, как правило, с толщиной ~ 6-30 мкм, в сочетании со слоями из бумаги и/или пластика. Тонкий хрупкий слой алюминиевой фольги создает проблемы для традиционных пиролитических процессов, с помощью которых пытаются провести пиролиз пластика и одновременно восстановить алюминий [2]. Процесс СВЧ пиролиза может управляться достаточно легко и, следовательно, хрупкие материалы, такие, как алюминиевая фольга присущая многослойным пластикам, может быть восстановлена полностью и готова для дальнейшей обработки. Этот процесс доказал, что он имеет огромный потенциал для обработки пластиковых отходов в промышленных масштабах. Как видно на рисунке (рис.1), самая быстрая деградация была достигнута с многослойным пластиком из-за его меньшей толщины (слой 90 - 150 мкм) по сравнению с порошком (150 мкм) и гранулами полиэтилена высокой плотности (HDPE) (3 мм, 1 мм).

Рис 1 Пиролиз (A) гранул HDPE, (B) порошка HDPE и (C) упаковки зубной пасты из многослойного пластика при 550°C с помощью термогравиметрического аппарата СВЧ пиролиза [1]

Схема установки для реализации предлагаемого метода переработки пластиковых отходов представлена на рисунке 2.

Рис. 2 Принципиальная схема установки СВЧ пиролиза Обозначения: 1 - Реактор, 2 - источник СВЧ, энергии, 3 - СВЧ волновод, 4 - панель управления, 5 - система перемешивания, 6 - бункер, 7 - винтовой конвейер, 8 - трубчатый конденсатор, 9 - барабан для сбора конденсирующиеся паров, 10 - бак для восстановленного алюминия, 11 - подача N₂

Установка включает в себя реактор пиролиза (1), состоящий из 2х камер с системой перемешивания, получающих СВЧ энергию от 2х генераторов (2). Загрузка реактора (1) осуществляется с помощью винтового конвейера (7) из бункера (6). Панель управления (4) служит для регулирования параметров процесса и наблюдением за показаниями ик пирометров.

Процесс начинается с нагрева порошка графита до температуры необходимой для проведения пиролиза 450-500°С предварительно загруженного в реактор и продува камеры азотом. Далее измельчённое сырьё подаётся в реактор, где происходит его пиролиз с получением пиролизных газов и фольги алюминия. Часть газов после охлаждения конденсируются в масло, остальную предпочтительно использовать для генерации электричества для работы магнетронов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Общая схема процесса СВЧ пиролиза

Был проведён расчёт мощности необходимой для нагрева порошка графита (форм. 1).

В качестве диэлектрических параметров и приняты значения, взятые из работы [3].

Также было найдено время необходимое для нагрева порошка графита до температуры проведения пиролиза (форм.2):

Получаемый пиролизный газ состоит из H₂, CH₄, C₂H₆, C₂H₄, C₃H₈, C₃H₆. Основные компоненты получаемого пиролизного масла линейные углеводороды такие как алканы, алкены и диалкены (табл.1). Остальная часть смеси состоит из множества алифатических и ароматических соединений таких как бензол, циклогексен, толуол, диметилбензол и этилбензол. Теплотворная способность получаемого продукта сравнима с дизельным топливом и природным газом.

Таблица 1

Химический состав продуктов (Масло) [4]

Предполагаемая производительность установки 20-25 кг/ч. При такой производительности требуется мощность около 8.5 кВт. Таким образом, данный процесс имеет огромный потенциал для переработки пластиковых отходов в промышленных масштабах.

Литература

1. C. Ludlow-Palafox and H. A. Chase, Pyrolysis of plastic wastes using a microwave induced pyrolysis process. 6thWorld Congress of Chemical Engineering,Melbourne, Australia 2001.

2. C. Ludlow-Palafox and H. A. Chase, Microwave Pyrolysis of Plastic Wastes. Feedstock Recycling and Pyrolysis of Waste Plastics: Converting Waste Plastics into Diesel and Other Fuels Edited by J. Scheirs and W. Kaminsky // John Wiley & Sons, Ltd. - pp. 569-594.

3. Masahiro Hotta, Miyuki Hayashi, Michael Thomas Lanagan, Dinesh Kumar Agrawal and Kazuhiro Nagata. Complex Permittivity of Graphite, Carbon Black and Coal Powders in the Ranges of X-band Frequencies (8.2 to 12.4 GHz) and between 1 and 10 GHz. // ISIJ International, Vol. 51 (2011), No. 11, pp. 1766-1772

4. C. Ludlow-Palafox and H. A. Chase, Microwave-induced pyrolysis of plastic wastes, Industrial and Engineering Chemistry Research, 40, 4749-4756 (2001).

Размещено на Allbest.ru