可焚烧可降解塑料的综合环保效应分析.pdf

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1、可焚烧可降解塑料的综合环保效应分析周加雄 肖荔人(福建湄洲湾职业技术学院 仙游 351254)(福建师范大学化学与材料学院 福州 350007)摘 要 本文采用可焚烧可降解塑料技术开发生产了购物袋和垃圾袋,发现所开发的产品特别适用于垃圾的焚烧处理;从分析垃圾焚烧存在问题的内在因素入手,探讨了可焚烧可降解塑料中的碳酸钙与焚烧热氧降解剂的综合作用能有效地促进塑料的快速完全燃烧和降低尾气中有害气体的含量;通过对可焚烧可降解塑料袋的经济和社会环保效益的综合分析,认为可焚烧可降解塑料技术是一项值得推广的技术。关键词 可焚烧可降解 碳酸钙 焚烧 环保性能 随着世界石油资源的日趋紧张,石油化工产品的价格日益

2、增涨,迫使人们去寻求一种价格低廉、来源广泛、易加工且具有环保功能的无机矿物质来部分取代石化产品。碳酸钙就是早被广泛使用的一种无机材料。随着碳酸钙在塑料行业中的推广应用,其本身的优良性能也被逐步地挖掘出来,碳酸钙在购物袋、垃圾袋中的使用价值和环保价值在发达国家早已得到认可,尤其被用来盛放焚烧垃圾发电专用袋显得尤为突出。近几年日本等国开发了可焚烧聚乙烯(PE)塑料薄膜袋,在 PE 塑料材料中添加了大量碳酸钙,其效果不仅体现在塑料材料的减量上,且焚烧时可减少对大气污染,但该产品不具有降解功能,属填充型,且焚烧时由于未先进行降解,分子量较大,同时该材料如不用焚烧处理而被掩埋,因不能降解,同样会造成塑料

3、/白色污染0。随着无机矿物超细化和表面处理技术的进一步提高,希望能在不影响其使用性能的前提下,尽量增加无机矿物在塑料包装材料中的用量,从材料与环保协调发展的角度看,用来源于自然并可回归于自然的无机矿物代用高分子材料生产塑料制品,这本身就是对环保的贡献 1。在我国垃圾焚烧处理已成为垃圾综合利用与处理的主要方式之一,焚烧垃圾发电厂也在建设中,让人们充分认识碳酸钙填充塑料包装材料的推广使用的经济和社会环保价值及对垃圾焚烧的促进作用显得十分重要。降解塑料主要有光降解塑料、生物降解塑料以及光-生物双降解塑料三大类,成果已在 PE 包装薄膜、地膜,聚苯乙烯(PS)快餐盒、发泡包装材料和聚丙烯(PP)快餐盒

4、等一次性使用的难以回收的塑料材料中得到推广应用,并已进入商品化生产。但降解塑料废弃物若采用焚烧处理,与普通塑料一样将产生有害的灰尘,造成对大气的二次污染。目前在各居民区存在着居民不自觉的焚烧垃圾现象,其中塑料焚烧时放出的废气对大气造成了严重的污染。因而,在研究降解塑料的同时,增加塑料废弃物的可焚烧性,即降低塑料废弃物焚烧对大气的二次污染,是实现城市垃圾 焚烧处理的关键技术之一 2-4。根据不能回收的塑料废弃物的最终走向是与垃圾的综合利用和处理结合在一起的现状,近年来,福建师大在国内外率先开发了/可焚烧可降解塑料0技术产品,在 DB35/343-1999 可降解聚乙烯薄膜、袋福建省强制性地方标准

5、中将/可焚烧可降解塑料0与/光降解塑料0、/生物降解塑料0和/光-生物降解0并列为四大降解塑料品种,使/可焚烧可降解塑料0成为第四种降解塑料新品种,经过近几年的实践证明可降解可焚烧塑料包装材料符合塑料废弃物与垃圾同步处置的原则。#28#福建化工 2003 年 第 3 期为了实施材料与环保协调发展的国策和落实生态省建设的决策,结合我校开办环境工程与新材料专业的实际需要,近几年与福建师大合作在福建莆田地区进行/可焚烧可降解塑料0产业化推广,指导多家企业开发生产了可焚烧可降解购物袋和垃圾袋,发现该产品特别适用于垃圾的焚烧处理。本文仅对碳酸钙填充的可焚烧可降解塑料包装袋的综合环保性能和生产可降解可焚烧

6、塑料包装材料的经济和社会环保效益作了初步探讨,希望能使这一环保型塑料包装材料得到更大范围的推广。1 实验部分1.1 主要原料碳酸钙,市售 1250目以上;降解光敏剂、焚烧热氧降解剂和生物活性剂等,均由福建师范大学环境开发研究所生产;偶联剂,福建师大高分子实验厂提供;聚乙烯(PE),市售。1.2 可焚烧可降解塑料母料的配方设计采用高速捏合机添加偶联剂对碳酸钙进行偶联处理,根据不同的用途和气候调节焚烧热氧降解剂和生物活性剂的用量,以 PE 为载体,利用双螺杆挤出机进行挤出造粒,生产出碳酸钙含量 80%左右的可焚烧可降解塑料母料。1.3 可焚烧可降解 PE 薄膜、袋的吹制40%的可焚烧可降解塑料母料

7、与 60%的 PE 经简单的混合后(最好加入部分 LLDPE)直接进入普通的吹塑机加工吹塑,工艺参数不需作大的调整或变动。调整完善稳定的加工工艺、保证出料均匀、泡型稳定、无白色斑点和杂质、薄膜抖动声音清脆、制袋焊接牢固,薄膜无粉尘脱落。1.4 可焚烧可降解薄膜的技术指标可焚烧可降解 PE 薄膜、袋必须具有普通塑料薄膜、袋的使用性能,优良的分散性、良好的光洁度、光滑的手感和良好的印刷性能。碳酸钙或其它无机矿物含量 30%,拉伸强度 10MPa,断裂伸长率 100%,断裂伸长率保留率 10%。2 结果与讨论2.1 垃圾焚烧存在问题的内在因素分析垃圾焚烧处理或发电作为能源回收利用,已在全世界范围内得

8、到了普遍推广应用,但占城市固体垃圾总量 2)3%的塑料成分在焚烧过程中将起到重要的作用。这是因为随着垃圾袋装化的不断推广,垃圾的燃烧速度与外包装的燃烧速度有较大的关系,垃圾袋不能及时燃烧将延迟袋内垃圾的燃烧时间,而塑料成分在燃烧时易结焦、成团又阻碍了里面塑料成分的充分燃烧,塑料的不完全燃烧将会导致产生大量的一氧化碳(CO)气体并使未完全燃烧部分易黏附在炉壁及炉排上,对垃圾的输送和气流的流通造成影响,并可能加速对炉壁的腐蚀。由于垃圾中的材料种类繁多,很难避免含氯成分的材料混在垃圾中,垃圾焚烧的初期,各种碳氢化合物与含氯物质反应将会生成氯苯(CB)或氯代苯酚(CP)等前期分离物质,导致产生二恶英类

9、物质。为了使这些前期分离物质和二恶英类物质分解要求焚烧炉温度在 1000e 以上,这对焚烧炉的质量要求很高,一般很难达到。同时在烟道集尘器附近温度较低的区域(250)500e),C、Cl 等元素重新组合成为 CB、CP 类物质,最后也会导致产生二恶英类物质。无论是那一种途径,都是由于垃圾在焚烧炉内不完全燃烧而引起的缘故。因此,如何使垃圾充分快速地完全燃烧,成为解决问题的关键。2.2 碳酸钙在可焚烧可降解塑料包装材料中的综合环保效果2.2.1 碳酸钙在塑料中的填充使用,可节省大量的石油资源碳酸钙是资源丰富的无机矿物质,在能源日趋紧张的今天,使合成材料聚烯烃的用量降至最低显得非常重要。由于碳酸钙组

10、成中一般不含重金属离子,这决定了它在用后对环境的危害性较小、其降解产物也不会对地下水源构成污染,是一种公认的环境友好性绿色材料。添加经过超细化和偶联处理的碳酸钙,可保证在不改变塑料制品使用性能的前提下,PE 薄膜中的碳酸钙含量达到 30%以上,按全国每年塑料包装用量为 300 万吨计算,每年可节省100 万吨的塑料材料(按体积折算也有 70 万吨)。而碳酸钙等无机物加工的单位体积能耗仅相当于塑料的 70%左右。由此看来,塑料中大量填充碳酸钙等无机材料无疑是节省能源的最佳途径。2.2.2 可使薄膜具有初期的降解功能一般垃圾袋及塑料制品经使用废弃后,均在外暴露一段时间,在此期间,含碳酸钙的薄膜将有

11、降解行为的发生,即聚合物大分子链发生断裂并伴有羰基生成,实验表明,随着日照时间的延长或碳酸钙含量的增大,羰基指数(CI)也逐渐增大。对于可焚烧可降解 PE 薄膜来说,当碳酸钙的含量达到 30%时,PE 薄膜的 CI 值明显变大,在高压汞灯光照 168 小#29#福建化工 2003 年 第 3 期时便可达到降解脆裂期(CI 45),而不含碳酸钙的光降解薄膜则要光照 264 小时才能达到降解脆裂期。经实验证实降解后的可焚烧可降解 PE 薄膜在焚烧时的分解温度会明显降低 2。综上所述,碳酸钙在 PE 膜中的大量填充,可使薄膜具有初期的降解功能,使薄膜在同等炉温下可提前热降解、热分解,为后期的充分燃烧

12、奠定了基础。2.2.3 碳酸钙在薄膜中的填充有利于聚烯烃的快速、充分燃烧将可焚烧可降解薄膜与普通光降解薄膜(不加碳酸钙)进行燃烧实验,结果表明,前者完全燃烧所用的时间仅是后者的 1/3。这是因为聚乙烯塑料燃烧时易产生熔融烧结现象。但由于可焚烧可降解聚乙烯薄膜含有大量碳酸钙,聚乙烯塑料在燃烧过程中由于无机物的存在,会发生膨胀形成许多微细的孔,这相当于增大了燃烧的反应面积,增大了 O2、CO2、H2O 等物质的传递通量,使燃烧较彻底。2.2.4 碳酸钙起到中和剂的作用,降低焚烧尾气对大气的污染从垃圾的填埋处理来看,不仅高填充率碳酸钙的可焚烧可降解聚乙烯塑料在光照射后具有良好的光破坏性,而且即使没有

13、紫外光的作用,在空气中CO2及水的浸蚀下即会发生 CaCO3+CO2+H2OCa(HCO3)2的反应。由于 Ca(HCO3)2的水溶性促进了制品的亲水性;CaCO3被风化后留下的微孔相当于增大了制品接触氧化表面积,也加速了制品的裂化降解;从垃圾焚烧的尾气来看,垃圾中的聚氯乙烯(PVC)及其它含氯化合物在燃烧过程中产生的 HCl气体极易被碳酸钙中和:CaCO3+2HClCaCl2+H2O+CO2,而 CaCl2是一种性质十分稳定的无机物,垃圾或尾气中氯元素的减少,对减少二恶英的生成具有积极的意义;同样道理,碳酸钙可以中和焚烧过程中产生的二氧化硫气体,对减少酸雨或酸雾的形成创造了有利的条件,这对于

14、改善福建酸雨气候有益处。2.3 可焚烧可降解聚乙烯薄膜的经济和环保效益分析目前国内很多企业为了降低成本,采用回收塑料原料生产购物袋和垃圾袋,由于回收料生产的降解塑料袋厚度较厚,力学性能差,气味等卫生性能不符合国家标准。采用塑料原料添加可焚烧可降解塑料母料生产购物袋和垃圾袋,既符合环保和卫生的要求,又可满足消费者价廉的要求。2.3.1 聚乙烯薄膜的成本核算原材料单价按 PE:8800 元/吨,可焚烧可降解塑料母料:7000 元/吨,PE 回收料:4000 元/吨。光降解塑料母料:10000 元/吨。可焚烧可降解薄膜配方:PE 占 62%,5460 元,可焚烧可降解塑料母料占 38%,2660 元

15、。回收料生产的降解薄膜配方:PE 回收料 PE 占90%,3600 元,降解母料占 10%,1000 元。按上述配方和单价计算,其不同聚乙烯薄膜的成本核算如表 1 所示。表 1 不同塑料薄膜每吨成本核算可焚烧可降解薄膜回收料生产的降解薄膜新料生产的普通薄膜配方价812046008800加工费188012001700成本价10000580010500 从表 1 可知,可焚烧可降解薄膜的单价比新料生产的不降解的普通薄膜便宜,但比用回收料生产的降解薄膜贵。2.3.2 聚乙烯塑料袋的成本核算以普通 1.5 公斤装聚乙烯塑料袋子为例,其生产的袋子规格为:宽 18cm,折边 4.5 cm,长度 28cm。

16、为了能达到同样的使用效果,新料生产的普通塑料袋子和可降解可焚烧的塑料袋子的厚度为 1.2丝(丝的代号为 C,1 丝等于 10Lm),而回收料生产的袋子必须达到 2 丝。表 2 是根据上述尺寸计算的不同原材料生产的 1.5 公斤装袋子的单价和生产成本。#30#福建化工 2003 年 第 3 期表 2 1.5公斤装每个袋子单价和生产成本可焚烧可降解袋回收料降解袋新料塑料袋每吨膜袋子,万个59.53460单价,元0.0170.0170.0175切袋印刷费用,元0.0030.0030.003合计成本,元0.020.020.0205售价0.0220.0220.022利税0.0020.0020.0015

17、从表 2 可知,在同样售价的情况下,可焚烧可降解塑料袋与回收料生产的降解袋的利税相同,但比新料生产的塑料袋的利税高。2.3.3 经济效益分析表 3 为生产不同品种塑料袋的经济效益分析表,从表 3 可知,每生产壹吨可降解可焚烧塑料袋可创利税 1590 元;每生产壹吨回收料生产的降解袋可创利税 880 元;每生产壹吨新料生产塑料袋可创利税 1400 元。这说明对薄膜生产企业来说,虽然回收料生产的降解膜的单价较低,但生产可焚烧可降解塑料袋的经济效益较明显。表 3 生产不同品种塑料袋的经济效益分析可焚烧可降解袋回收料降解袋新料塑料袋每个袋子利税0.0020.0020.0015每吨袋子利税,元11906

18、80900每吨 10%切边料,元400200500每吨利税,元159088014002.3.4 社会环保效益分析表 4 100 万个普通 1.5 公斤装塑料袋所耗用的原材料可焚烧可降解袋回收料降解袋新料塑料袋耗用原材料、吨1.512.561.5耗用 PE、吨1.052.31.45 表 4 为每生产 100万个普通 1.5 公斤装所耗用的原材料,从表 4 可知,每生产 100 万个普通 1.5 公斤装塑料袋,可焚烧可降解袋可为社会节约 1 吨多的PE 原材料,符合治理塑料/白色污染0的减量原则。其次,旧料生产的降解塑料袋厚度较厚,力学性能差,气味等卫生性能不符合标准。同时可焚烧可降解袋比新料生产

19、的普通塑料袋成本还低,满足消费者价廉的要求。因此生产可焚烧可降解袋既有较高经济效益,又有明显的社会环保效益。3 结论综上所述,碳酸钙作为一种来源丰富的环境友好性材料,若在购物袋或垃圾袋中大量填充使用,不仅能起到节省能源、降低成本之作用,而且极其适合垃圾焚烧及焚烧垃圾发电的垃圾处理方法。碳酸钙以其独特的性能可以促使塑料的快速完全燃烧并可以减少尾气中有害气体的排放量,特别是与焚烧热氧降解剂的配合使用,对遏止二恶英的产生将有十分重要的意义。通过对可焚烧可降解塑料袋的经济和社会环保效益的综合分析,认为可焚烧可降解塑料技术是一项值得推广的技术。参考文献:1 G.Scott,Photo-biodegrad

20、able Plastics:Their Role in the Protec2tion of the Environment.Polymer Degradation and Stability.1990(19):135-1542 陈庆华、张江山、钱庆荣等。新型环保型聚乙烯包装材料的可环境消纳性能研究,环境科学学报,2001(5):3 陈庆华,钱庆荣。可控光降解塑料光敏剂的合成及光敏化效果的研究。中国塑料,1999(12):38-414 陈庆华、钱庆荣、张华集。含羧酸稀土光敏剂的高密度聚乙烯购物袋降解效果研究。福建师范大学学报(自然科学版),1999(2):64-67#31#福建化工 2003 年 第 3 期