Recykling materiałów polimerowych z samochodów wycofanych z eksploatacji

Transkrypt

1 ORLIŃSKI Stanisław 1 Recykling materiałów polimerowych z samochodów wycofanych z eksploatacji WSTĘP Zmiany w społeczeństwach i gospodarce światowej, które wynikają z gwałtownego wzrostu międzynarodowej wymiany handlowej i kulturalnej, przyczynią się do ujednolicania trybu życia i zachowań mieszkańców poszczególnych regionów świata. Postępujące procesy globalizacyjne powadzą się do rozwoju gospodarczego i wzrostu stopy życiowej w coraz większej liczbie państw. Rozwój gospodarczy wraz z obserwowanym na świecie wzrostem liczby ludności sprzyja z kolei rozwojowi przemysłu motoryzacyjnego [1, 4]. Rozwój motoryzacji, jak każde zjawisko społeczno-ekonomiczne o globalnym zasięgu, ma dobre i złe strony. Umożliwia swobodne i szybkie przemieszanie się ludzi oraz przewóz towarów, jednak kosztem negatywnego oddziaływania na środowisko. Oddziaływanie to obejmuje proces powstawania, eksploatacji, i likwidacji samochodu. Środki transportu są jednym z głównych winowajców zanieczyszczeń atmosfery, a wycofane z eksploatacji pojazdy samochodowe są, co roku przyczyna powstawania na świecie milionów ton odpadów. W miarę rozwoju motoryzacji i postępu technicznego zmienia się skład masy poszczególnych elementów samochodów osobowych. Zmniejsza się udział stopów żelaza i metali ciężkich, z zwiększa udział tworzyw sztucznych, co wynika z ekonomiki eksploatacji samochodów. W najbliższym czasie, zgodnie z prognozami, tendencja ta powinna jeszcze wzrastać. Do niedawno skupiano się głównie na zagrożeniach powstających w trakcie procesu eksploatacji samochodu, czyli przede wszystkim na emisji spalin. Obecnie wraz ze wzrostem cen składowania odpadów oraz coraz większymi restrykcjami narzucanymi przez władze zaczęto zwracać uwagę na złomowanie i składowanie wycofanych z użytku samochodów. Obecnie bada się już oddziaływanie na środowisko obiektów w trakcie całego cyklu ich istnienia [3]. Współczesne samochody posiadają w swojej masie od 15-20% elementów wykonanych z tworzyw sztucznych. Obecnie obserwuje się tendencję coraz większego wykorzystania tworzyw sztucznych, jako zamienników elementów wykonanych z aluminium, żeliwa, staliwa lub stali itp.. W ciągu ponad 50 lat światowa produkcja materiałów polimerowych wzrosła z 1,3 mln ton do blisko 235 mln ton, co daje średnioroczny wzrost na poziomie 10% pokazany na rysunku 1. Przewiduje się, że w 2010 roku wielkość rynku europejskiego ma przekroczyć 63 mln. ton, przy średniorocznym wzroście na poziomie 5%. Wykorzystanie tworzyw sztucznych w krajach Unii Europejskiej to [1]: 40% na opakowania 20% w budownictwie 12% w elektronice i elektrotechnice 8% w motoryzacji 8% w AGD 7% w przemyśle meblarskim 5% w rolnictwie. 1 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Mechaniczny; Radom; ul. Chrobrego

2 Rys. 1. Wzrost światowej produkcji tworzyw sztucznych [1] 1 CHARAKTERYSTYKA I RODZAJE POLIMERÓW STOSOWANYCH W BUDOWIE SAMOCHODÓW W budowie samochodu są stosowane różne rodzaje tworzyw sztucznych. Głównym powodem stosowania tworzyw sztucznych jest masa, która w porównaniu z metalami jest o wiele niższa, co wpływa na obniżenie zużycia paliwa. Strukturę wiekową krajowego parku samochodów pokazano na rysunku 2. W Polsce średni wiek pojazdu poddanego recyklingowi wynosi 17 lat. W porównaniu z innymi krajami Unii Europejskiej cykl życia samochodu w Polsce jest znacznie dłuższy. Średni europejski czas eksploatowania pojazdu stanowi od 10 do 12 lat, w zależności od kraju [2, 3]. Rys. 2. Struktura wiekowa krajowego parku samochodów [4] Poszczególne polimery charakteryzują się odmiennymi właściwościami fizykochemicznymi, wytrzymałościowymi, termicznymi, optycznymi, elektrycznymi itd.. Plastyfikowany polichlorek winylu (PVC-m) zachowuje się plastycznie w temperaturze pokojowej, służy, więc do wytwarzania uszczelek i listew ochronnych, a nieplastyfikowany (PVC-n) oraz polipropylen (PP) są materiałami sztywnymi, mięknącymi dopiero w temperaturze o C. Poliwęglan (PC) zachowuje sztywność do 130 o C, co przy doskonałej przezroczystości stanowi o jego stosowaniu od wyrobu szkieł reflektorów [8]. Sposoby ponownego wykorzystania tworzyw sztucznych z SWE są różne, zależne od danego tworzywa i stopnia zanieczyszczenia. Dlatego największym problemem jest identyfikacja tworzyw sztucznych. W tabeli 1 przedstawiono elementy wykonywane z tworzyw sztucznych oraz ich szacunkową masę. 8171

3 Tab. 1. Masa poszczególnych tworzyw sztucznych oraz elementów z nich wytwarzanych w statystycznym samochodzie [8] Element Zastosowane tworzywa Masa w przeciętnym samochodzie [kg] Zderzak PP, ABS, PC 10 Siedzenia PUR, PP, PCV 13 Deska rozdzielcza PP, ABS, PA, PC, PE 15 Elementy układu paliwowego PE, POM, PA, PP 7 Elementy znajdujące się pod maską samochodu PA, PP, PBT 9 Elementy karoserii PP, PPE, UP 6 Listwy wewnętrzne PP, ABS, PET, POM, PCV 20 Elementy elektryczne PP, PE, PBT, PA, PCV 7 Reflektory PP, PC, ABS, PMMA, UP 5 Obicia tapicerskie PCV, PUR, PP, PE 8 Listwy zewnętrzne ABS, PC, PBT, ASA, PP 4 Inne PP, PE, PA 1 Razem 105 W samochodzie osobowym znajduje się ok. 2 tys. elementów wykonanych z materiałów polimerowych pokazanych na rysunku 3. Dominującą pozycję wśród polimerów stosowanych w pojazdach zachowuje polipropylen (PP), co wynika z powszechności stosowania tego polimeru m.in. do wytwarzania zderzaków. Produkowane z tworzyw części samochodowe to także: błotniki, zderzaki, pokrywa komory silnika, spoilery, kraty wlotu powietrza (grile), listwy czy wzmocnienia czołowe. Tworzywa sztuczne stosowane w pojazdach samochodowych można podzielić na trzy grupy [7]: termoplasty są to tworzywa, które po podgrzaniu stają się miękkie i dają się łatwo formować, natomiast po ochłodzeniu twardnieją przyjmując nową formę, uszkodzone elementy można naprawiać metodami: spawania lub klejenia, duroplasty (tworzywa termo- lub chemoutwardzalne), czyli takie, które nie topią się i nie rozpuszczają w wysokich temperaturach; są to tworzywa twarde, ale jednocześnie kruche i łamliwe przy uderzeniu; najbardziej znanymi duroplastami są fenoplasty i aminoplasty (termoutwardzalne) oraz żywice poliestrowe nienasycone i epoksydowe (chemoutwardzalne), elastomery, które mają właściwości podobne do kauczuku (wykazują elastyczność, również w podwyższonych temperaturach); stosowane są głownie do produkcji: uszczelek, nakładek zderzaków czy spoilerów. Nowoczesne tworzywa sprzyjające recyklingowi to Cellasto, jest to komórkowy elastomer poliuretanowy, produkowany w procesie formowania w formach zamkniętych. W zależności od ilości użytego materiału można uzyskać różną gęstość. Komponenty wytwarzane z tego materiału to: elementy tłumiące i absorbujące energię, wkłady tłumiąco-wygłuszające, wkłady opon nowej generacji, elementy sprzęgieł, bufory dźwigów osobowych, powłoki tłumiące w budownictwie. Zużyte i przepracowane elementy z Cellasto mogą być wielokrotnie przetwarzane metodami właściwymi dla termoplastów bez utraty właściwości fizykochemicznych. Inną drogą w produkcji ekopolimerów są tworzywa biodegradowalne. Tworzywa takie powinny ulegać degradacji pod wpływem działania mikroorganizmów, światła, procesów chemicznych do dwutlenku węgla, wody i masy biologicznej. Firma SKF wprowadziła na rynek pierwszy biodegradowalny smar plastyczny do łożysk tocznych. 8172

4 Prowadzone są też prace zmierzające do zastąpienia materiałów syntetycznych materiałami naturalnymi. Przykładem mogą być elementy ozdobne samochodów wykonane z trawy Kenaf, stosowane w samochodach Toyota. Tworzywo Mapotex (lub EMPE) firmy Happich z Niemiec, stosowane w przemyśle samochodowym, jest prawie całkowicie biodegradowalne (składa się ze skrobi, ligniny, niewielkiej ilości żywicy fenolowej i włókien roślinnych). Wykonane z niego ramy dachu nie nasiąkają wodą, a wytrzymałością przewyższają żywice fenolową z tymi włóknami (RWN). Rys. 3. Rodzaje i udział poszczególnych tworzyw sztucznych zastosowanych do wytwarzania elementów pojazdów [4] 2 ANALIZA PROCESU RECYKLINGU ODPADÓW Z TWORZYW SZTUCZNYCH Niewłaściwe korzystanie z zasobów naturalnych oraz działalność gospodarcza człowieka powodują degradację środowiska naturalnego. Negatywny wpływ na środowisko mają również materiały polimerowe. Tworzywa sztuczne uznawane są w niektórych kręgach za jedną z głównych przyczyn zanieczyszczenia środowiska. Stale zwiększające się zużycie tworzyw sztucznych prowadzi do zwiększenia ilości odpadów, a składowanie odpadów ze względów ekonomicznych i ekologicznych nie jest korzystne, dlatego niezbędne są działania, które w inny sposób rozwiążą problem odpadów z tworzyw sztucznych. 8173

5 Recykling jest to jedna z kompleksowych metod ochrony środowiska. Jej głównym celem jest ograniczenie zużycia surowców oraz zmniejszenie powstawania odpadów poprzez wielokrotne przetwarzanie oraz jest jednym z podstawowych sposobów ograniczenia szkodliwego oddziaływania samochodów na środowisko. Jego istotą jest działanie zmierzające do minimalizowania ilości odpadów przy jednoczesnym ograniczeniu zapotrzebowania na surowce i energię, przez włączanie do powtórnego obiegu odzyskanych surowców i materiałów. Uwzględnianie zagadnień ochrony środowiska, w tym recyklingu, stało się integralną częścią współczesnej działalności przemysłowej. Sektor gospodarki odpadami i recyklingu wykazuje stałą tendencję wzrostową. Branża samochodowa należy do liderów w dziedzinie odzysku produktów z uwagi na dużą ilość odpadów generowanych przez SWE (samochody wycofane z eksploatacji) i duże zagrożenie środowiska. Żaden inny produkt konsumpcyjny nie ma tak wysokiego wskaźnika odzysku, jak samochody osobowe. Obecnie średnio około 75% masy pojazdu jest powtórnie wykorzystywana, ale wskaźnik ten będzie stale się zwiększał [7]. Istnieją dwie drogi determinujące recykling pierwszy to ekonomia, czyli finansowe korzyści płynące z recyklingu, drugi to wymuszanie recyklingu przez uregulowania prawne. Pierwotnie recykling rozwijał się głównie ze względów ekonomicznych. Podstawy recyklingu samochodów są związane z zapotrzebowaniem przemysłu stalowego na odpady żelazne, jednak zmniejszanie się udziału stopów żelaznych na korzyść tworzyw sztucznych powoduje coraz większy odzysk tych materiałów. Recykling stał się dzisiaj koniecznością zarówno prawną, środowiskową, jak i ekonomiczną. Niezbędne jest, więc kompleksowe podejście do zagadnienia recyklingu, uwzględniając z jednej strony potencjalne korzyści dla środowiska, a z drugiej opłacalność odzysku energii i materiałów. Przepisy ustawy z dnia 20 stycznia 2005 r. o recyklingu pojazdów wycofanych z eksploatacji określają zasady postępowania z pojazdami wycofanymi z eksploatacji w sposób zapewniający ochronę zdrowia i życia ludzi oraz ochronę środowiska zgodnie z zasadą zrównoważonego rozwoju. Obecnie obowiązuje ustawa Dz. U. z 2013 r. poz po wprowadzonych zmianach ustaw z 2005, 2007 i 2009 roku [9]. Od 2006 roku minimum 85% masy samochodu powinno być odzyskiwane, w tym maksymalnie 5% w formie odzysku energetycznego, a od 2015 minimum 95% masy, w tym maksymalnie 10% odzysku energetycznego, co jest zgodne z założeniami Dyrektywy 2000/53/EC W związku z tym, koniecznością staje się taka produkcja samochodów, w wyniku, której pojazd zostanie skonstruowany w 95% z materiałów podlegających procesom recyklingu. Schemat blokowy recyklingu samochodowych odpadów z tworzyw sztucznych pokazano na rysunku 4. Rys. 4. Schemat blokowy recyklingu samochodowych odpadów z tworzyw sztucznych [6] Obecnie stosowane metody zagospodarowania samochodowych odpadów polimerowych można podzielić na cztery grupy [7]: 8174

6 1. Ponowne przetworzenie (recykling materiałowy) 2. Recykling surowcowy 3. Spalanie z odzyskiem energii 4. Kompostowanie lub biodegradacja. Elementy pojazdów samochodowych, wykonane z tworzyw sztucznych, mogą być poddane recyklingowi materiałowemu (powtórne wykorzystanie przetworzonych odpadów jako materiałów stanowiących pełnowartościowy surowiec do dalszego przetwórstwa) i chemicznemu (piroliza, uwodornienie, hydroliza, dehydrochlorowanie), regeneracji i powtórnemu użyciu elementów oraz recyklingowi energetycznemu (spalanie odpadów z odzyskiem zawartej w nich energii). Prawidłowym warunkiem wykorzystania tworzyw sztucznych jest ich segregacja na poszczególne rodzaje. Firmy samochodowe powinny odpowiednio znakować wyroby symbolami tworzywa, z których wykonane są poszczególne elementy pojazdu. Jeśli brak jest oznakowania, wówczas należy uzyskać od producenta informację lub wykaz (katalog) elementów z tworzyw sztucznych z odpowiednim oznakowaniem. Dysponując taką informacją, sortujący lub przeprowadzający demontaż wyrobów będą mogli pozyskane części - elementy zgromadzić (zgodnie z rozpoznaniem tworzywa) w odrębnych, odpowiednio oznakowanych pojemnikach [7]. Można również przeprowadzić analizę tworzywa z danego wyrobu, a następnie posługiwać się nią przy selekcji tworzyw. Posegregowane tworzywa, zapakowane w pojemniki lub duże worki typu bigbag, mogą być już wysłane do zakładu uzdatniającego lub przetwarzającego. Znacznie większy problem stwarza segregowanie odpadów pozyskiwanych w młynach przemysłowych, rozdrabniających wraki samochodowe, bowiem różne tworzywa są wówczas znacznie rozdrobnione i wymieszane. Z tego względu najlepiej je przeznaczać do utylizacji nie wymagającej segregacji. Jeśli jednak zachodzi celowość materiałowego wykorzystania odpadów posegregowanych, wówczas trzeba posługiwać się innymi metodami np.: metodą spektroskopii ze zmodyfikowanym układem detekcyjnym lub metodami opartymi na różnicy różnych właściwych tworzyw np. gęstości, właściwości dielektrycznych, optycznych itd.. Do metod wykorzystujących różnicę gęstości należą [7]: flotacyjna statyczna, grawitacyjna, z zastosowaniem hydrocyklonów, z wykorzystaniem klasyfikatora pneumatycznego, z zastosowaniem wirówki sortującej. Dotychczas praktyczne zastosowanie znajdują metody mechaniczne, wykorzystujące różnice gęstości właściwych tworzyw sztucznych. W wielu krajach PE i PP (ze zderzaków i obudów akumulatorów) są przerabiane na ławki na stadionach, beczki, rury, zapory dźwiękochłonne przy autostradach, a także drobne wyroby użytkowe [1]. Sposobem na rozwiązanie narastającego problemu odpadów samochodowych jest rozwój systemu recyklingu pojazdów pozwalający na bezpieczny dla środowiska demontaż, gospodarcze wykorzystanie pochodzących z pojazdu części i materiałów oraz ostateczne unieszkodliwienie odpadów nienadających się do wykorzystania. Jednocześnie recykling pojazdów przyczynia się do oszczędnej gospodarki zasobami naturalnymi i energią, może też stanowić istotny bodziec do powstania nowych miejsc pracy. Wieloletnie doświadczenia w recyklingu odpadów materiałów polimerowych pokazały, iż system ten posiada wiele ograniczeń. Materiały polimerowe charakteryzują się olbrzymią różnorodnością pod względem struktury chemicznej i składu oraz form użytkowych. Odpady powinno się wykorzystywać zgodnie z regułami tzw. zielonej chemii tak, aby surowiec do wytworzenia polimerowej matrycy, tak jak i wszystkie środki pomocnicze były wykorzystywane tak długo, jak długo będzie można to racjonalnie uzasadnić. Należy również wykorzystywać do procesów produkcji surowce odnawialne, unikać substancji trujących. Trzeba także pamiętać o tym, że lepiej jest zapobiegać tworzeniu się odpadów aniżeli je unieszkodliwiać. W praktyce obecnie w Polsce większość odpadów (szczególnie z dużych aglomeracji) trafia na składowiska coraz lepiej zorganizowane i zabezpieczone. Taka naturalna degradacja odpadów jest 8175

7 wprawdzie najprostszą metodą ich likwidacji, lecz najmniej ekonomiczną, społecznie nieakceptowaną i zajmującą duże przestrzenie składowisk. Należy także pamiętać, iż ze względu na konieczność wypełniania zaleceń i dyrektyw UE takie rozwiązanie stało się prawnie niedopuszczalne dla wielu kategorii odpadów (w tym polimerowych). Jedynym sposobem utylizacji odpadów składowanych jest odzyskanie małej części energii poprzez zebranie i spalenie biogazów powstających na składowiskach. Pewne nadzieje można wiązać z kompostowaniem tworzyw biodegradowalnych, których produkcja i wykorzystanie znajduje się na razie na bardzo niskim poziomie. Wymagania w stosunku do samochodów stale się zwiększają. Mają one być bezpieczne, niezawodne, trwałe, tanie i przyjazne" dla środowiska zarówno na etapie produkcji, użytkowania, jak i zagospodarowania po złomowaniu. Możliwość ponownego użycia części i materiałów zaczyna odgrywać dużą rolę w projektowaniu samochodu przyszłości [7]. Wpływ złomowanych pojazdów (PWE) na środowisko Odzyskiwanie surowców wtórnych z odpadów staje się coraz ważniejszym zadaniem współczesnej cywilizacji. Wymuszone to jest szybkim wyczerpaniem surowców naturalnych oraz degradacyjnym charakterem składowania odpadów. Już od kilkudziesięciu lat obserwuje się szybki rozwój różnych technologii recyklingu. Obecnie odzyskiwanie takich surowców jak papier, metal, szkło czy plastik i guma nie stanowi dużych problemów. Nowe uregulowania prawne spowodowały duże zmiany w strategii koncernów samochodowych. Z przepisów wynika, że duża odpowiedzialność za prawidłowy system zagospodarowania pojazdów wycofanych z użytku spoczywa na producentów samochodów i części zamiennych. Do priorytetowych ich zadań należy odpowiednie zaprojektowanie i przygotowanie pojazdu do recyklingu już na etapie jego produkcji. Producenci są zobowiązani do tworzenia produktów przyjaznych dla środowiska, w celu ograniczenia emisji szkodliwych substancji do środowiska oraz zmniejszenia ilości odpadów kierowanych na składowiska. Efektem wdrażania zasad ekoprojektowania jest osiągniecie wyższych poziomów odzysku i recyklingu wprowadzanych na rynek pojazdów, a tym samym ograniczenie negatywnego wpływu pojazdów na środowisko po wycofaniu ich z eksploatacji [7] WNIOSKI Recykling pojazdów samochodowych przyczynia się do zredukowania zagrożeń dla środowiska naturalnego. Efektywne wykorzystywanie zasobów poprzez zagospodarowanie materiałów odpadowych lub użycie ich jako źródła energii zmniejsza niekorzystny wpływ na środowisko naturalne i potencjalne zagrożenia wynikające ze składowania odpadów na składowiskach. Recykling powinien być traktowany jako kluczowy aspekt w okresie całego procesu eksploatacji pojazdu od założeń koncepcyjnych, aż po końcowe złomowanie. W celu bardziej efektywnego wykorzystania zasobów nieodnawialnych, samochód winien być przygotowywany do recyklingu już na etapie projektowania. Ze względu na bezpieczeństwa i ochrony środowiska należy wymagać od producentów samochodów, aby zwiększyli udział elementów wykonanych z materiałów poddających się w jak największym stopniu odzyskowi i recyklingowi w przeciwnym przypadku poziom odzysku ulegnie obniżeniu. Proces recyklingu (PWE) przynosi ogromne korzyści dla środowiska, poprzez minimalizacje ilości powstających odpadów oraz ograniczeniu zapotrzebowania na surowce i energię wskutek włączenia materiałów i surowców do powtórnego obiegu. Streszczenie Przedstawiony w artykule problem recyklingu tworzyw sztucznych stosowanych w przemyśle samochodowym jest zjawiskiem typowym dla państw wysoko uprzemysłowionych, a także i w Polsce. Podejmuje się kosztowne wysiłki zmierzające do maksymalnego zagospodarowania materiałów polimerowych. W artykule przedstawiono również problematykę dotyczącą zagospodarowania oraz utylizacji tworzyw sztucznych powstających w procesie recyklingu samochodów wycofanych z eksploatacji (SWE). 8176

8 The recycled material and the recycling of polimeric materials from cars withdrawn from Abstract This problem presented in the article of the recycling of applied plastics in the car industry is phenomenon typical of states high industrialized, as well as and in Poland. Costly efforts making their way for maximum developing materials are being taken polymeric. In the article issues concerning developing and recycling of plastics coming into existence in the process of the recycling of cars withdrawn from use were also presented (SWE). BIBLIOGRAFIA 1. Augustyniak-Olpińska E.: Recykling materiałowy tworzyw sztucznych, Tworzywa sztuczne i chemia 2008, 43, Dane Centralnej Ewidencji Pojazdów i Kierowców Cepik. 3. Dane Stowarzyszenia Europejskich Producentów Samochodów ACEA. 4. Dane Stowarzyszenia Forum Recyklingu Samochodów FOR S. 5. Kozłowski M., Delczyk K.: Politechnika Wrocławska Centrum Doskonałości Recyklingu Materiałów, Wrocław w numerze 10 / 2005 / Recykling s Liber-Knieć A., Łagan S.: Odzysk tworzyw wykorzystywanych w motoryzacji, Rynek Tworzyw Merkisz-Guranowska A.: Recykling samochodów w Polsce, Wydawnictwo Instytutu Technologii Eksploatacji, Poznań - Radom Osiński J., Żach P., Żach Z.: Tendencje w zastosowaniu materiałów konstrukcyjnych pojazdów samochodowych, Tworzywa sztuczne i chemia, Osiński J., Żach P., Żach Z.: Prognoza ilości surowców z pojazdów wycofanych z eksploatacji, Tworzywa sztuczne i chemia Orliński S., Lipski R.: Recykling elementów polimerowych w procesie złomowania samochodów. III Konferencja Naukowa pod patronatem JM Rektora Politechniki Wrocławskiej, Recykling Tworzyw Sztucznych, Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej, 17-20, , Czechy Jesenik