ref-19906 (Экологические проблемы производства пластмасс)

Содержание.

1. Введение 1

2. Общие сведения о пластических массах 2

3. Производство ПВХ 5

4. Воздействие на окружающую среду 7

5. Заключение 9

Развитие современной промышленности и сферы услуг, а также расширяющееся использование биосферы и ее ресурсов, приводит к возрастающему вмешательству человека в материальные процессы, протекающие на планете. Связанные с этим планируемые и осознанные изменения материального состава (качества) окружающей среды направлены на улучшение условий жизни человека в техническом и социально-экономическом аспектах. В последние десятилетия в процессе развития технологии была оставлена без внимания опасность непреднамеренных побочных воздействий на человека, живую и неживую природу. Это можно, пожалуй, объяснить тем, что ранее считали, что природа обладает неограниченной способностью компенсировать воздействие человека, хотя уже столетия известны необратимые изменения окружающей среды, например, вырубки лесов с последующей эрозией почвы. Сегодня нельзя исключать непредвиденные воздействия на легко ранимые области экосферы в результате активной деятельности человека.

Человек создал для себя среду обитания, заполненную синтетическими веществами. Их воздействие на человека, другие организмы и окружающую среду зачастую неизвестно и выявляется часто, когда уже нанесен ощутимый ущерб или при чрезвычайных обстоятельствах, например, вдруг выясняется, что при горении вполне нейтральное вещество или материал образует ядовитые соединения.

В процессе своей хозяйственной деятельности человек производит различные вещества. Все производимые вещества с использованием как возобновимых, так и невозобновимых ресурсов можно разделить на четыре типа: исходные вещества (сырье); промежуточные вещества (возникающие или используемые в процессе производства); конечный продукт;побочный продукт (отход).

Отходы возникают на всех стадиях получения конечного продукта, а любой конечный продукт после потребления или использования становится отходам, поэтому конечный продукт можно назвать отложенным отходом. Все отходы попадают в окружающую среду и включаются в биогеохимический круговорот веществ в биосфере. Многие химические продукты включаются человеком в биогеохимический круговорот в масштабах на много превышающих естественный круговорот. Некоторые вещества, направляемые человеком в окружающую среду, раньше отсутствовали в биосфере (например, хлорфторуглероды, плутоний, пластмассы и др.), поэтому естественные процессы достаточно долго не справляются с этими веществами. Большой вред экологии наносят пластические массы.

Общие сведения о пластических массах:

Пластическими массами (пластмассами) обычно называют неметаллические материалы, перерабатываемые в изделия методами пластической деформации (прессование, экструзия, литье под давлением и т.д.), обладающие пластическими свойствами в условиях переработки и не обладающие этими свойствами в условиях эксплуатации. Таким образом, при обычных температурах пластмассы представляют собой твердые, упругие тела.

Чтобы лучше представить себе некоторые механические свойства пластмасс, сравним эти свойства с аналогичными свойствами некоторых металлов. Плотность различных пластмасс колеблется от 0,9 до 2,2 г/см­­­­­­­­­­­­­­­_{­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­}³; имеются особые типы пластмасс (пенопласты) с плотностью 0,02 – 0,1 г/см³. В среднем пластмассы примерно в « раза легче алюминия и в 5-8 раз легче стали, меди и других металлов, а некоторые сорта пенопластов более чем в 10 раз легче пробки. Прочность некоторых видов пластмасс даже превосходит прочность некоторых марок стали, чугуна, дюралюминия и др. По химической стойкости пластмассы не имеют себе равных среди металлов. Они устойчивы не только к действию влаги воздуха, но и таких сильнодействующих химических веществ, как кислоты и щелочи. Обычно пластмассы являются диэлектриками. Отдельные сорта пластмасс представляют собой лучшие диэлектрики из всех известных в современной технике.В настоящее время известен целый ряд пластмасс, обладающих значительной тепло- и морозостойкостью, что позволяет применять их для изготовления изделий, работающих в широком интервале температур.

Наряду с большой механической прочностью некоторые виды пластмасс обладают прекрасными оптическими свойствами.

Обычно пластмассы имеют твердую, блестящую поверхность, не нуждающуюся в полировке, лакировке или поверхностной окраске. Внешний вид их не изменяется от обычных атмосферных воздействий.

По методам переработки пластмассы имеют значительное преимущество перед многими другими материалами. Благодаря изготовлению изделий из пластмасс методами прессования, литья под давлением, формования, экструзии и другими методами устраняются отходы производства (стружки), появляется возможность широкой автоматизации производства.

Наконец, большим преимуществом пластических масс перед другими материалами является неограниченность и доступность сырьевой базы (нефтяные газы, нефть, уголь, отходы лесотехнической промышленности, сельского хозяйства и др.).

Пластические массы, пластмассы, пластики, материалы, содержащие в своём составе полимер, который в период формования изделий находится в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, а при эксплуатации - в стеклообразном или кристаллическом состоянии. В зависимости от характера процессов, сопутствующих формованию изделий, П. м. делят на реактопласты и термопласты. К числу реактопластов относят материалы, переработка в изделия которых сопровождается химической реакцией образования сетчатого полимера - отвердением; при этом пластик необратимо утрачивает способность переходить в вязкотекучее состояние (раствор или расплав). При формовании изделий из термопластов не происходит отвердения, и материал в изделии сохраняет способность вновь переходить в вязкотекучее состояние.

П. м. обычно состоят из нескольких взаимно совмещающихся и не совмещающихся компонентов. При этом, помимо полимера, в состав П. м. могут входить наполнители полимерных материалов, пластификаторы, понижающие температуру текучести и вязкость полимера, стабилизаторы полимерных материалов, замедляющие его старение, красители и др. Для распределения внешнего воздействия на компоненты гетерогенного пластика необходимо обеспечить прочное сцепление на границе контакта связующего с частицами наполнителя, достигаемое адсорбцией или химической реакцией связующего с поверхностью наполнителя.

Наполнитель в П. м. может быть в газовой или конденсированной фазах. В последнем случае его модуль упругости может быть ниже (низкомодульные наполнители) или выше (высокомодульные наполнители) модуля упругости связующего.

К числу газонаполненных пластиков относятся пенопласты - материалы наиболее лёгкие из всех П. м.; их кажущаяся плотность составляет обычно от 0,02 до 0,8 г/см³.

Свойства П. м. с твёрдым наполнителем определяются степенью наполнения, типом наполнителя и связующего, прочностью сцепления на границе контакта, толщиной пограничного слоя, формой, размером и взаимным расположением частиц наполнителя. Мелкие частицы наполнителя в зависимости от их природы до различных пределов повышают модуль упругости изделия, его твёрдость, прочность, придают ему фрикционные, антифрикционные, теплоизоляционные, теплопроводящие или электропроводящие свойства.

Для получения П. м. низкой плотности применяют наполнители в виде полых частиц. Такие материалы (иногда называемые синтактическими пенами), кроме того, обладают хорошими звуко- и теплоизоляционными свойствами.

Основные виды термопластов. Среди термопластов наиболее разнообразно применение полиэтилена, поливинилхлорида и полистирола, преимущественно в виде гомогенных или эластифицированных материалов, реже газонаполненных и наполненных минеральными порошками или синтетическими органическими волокнами.

     При производстве поливинилхлорида (ПВХ), его переработке в изделия, эксплуатации изделий и сжигании отходов выделяются токсичные соединения, опасные для здоровья человека. В связи с тем, что изделия из ПВХ широко применяются в народном хозяйстве, и в частности медицинской и пищевой промышленности, сведения о степени их токсичности, способах ее снижения и методах контроля должны быть известны производителям ПВХ и его потребителям.
     Производство ПВХ. В конце 1973 г. т.е. почти через 50 лет после начала промышленного производства ПВХ, было обнаружено, что мономер ВХ является канцерогенным веществом и при длительном воздействии на человека может быть причиной тяжелых заболеваний.
     Для уменьшения опасного воздействия ВХ к 1976 г. в различных странах были разработаны и утверждены предельно допустимые значения содержания ВХ в атмосфере установки по производству ПВХ, в самом ПВХ и в упаковках для пищевых продуктов. Так, содержание ВХ в атмосфере ПВХ установки  не должно превышать 2-5 мг/м³, в упаковках из ПВХ - 1 ppm, в напитках, хранящихся в таре из ПВХ - 0.005 ppm.
     Мономер ВХ попадает в атмосферу в результате выброса из труб или реакторов в промежутке между загрузками, а также выделяется из сточной воды и ПВХ. Все зарубежные установки по производству ПВХ характеризуются  средним показателем мономера 2-5 мг/м³, который был достигнут за счет усовершенствования технологии процесса - разработки более эффективных методов дегазации; использования струи воды, подаваемой под большим давлением для очистки реакторов; разработки эффективных добавок, препятствующих коркообразованию, для уменьшения числа чисток реакторов; автоматизации процесса и применения ЭВМ; создания реакторов большого размера; применения респираторов и дистанционного управления реакторами и т.д.
     Для измерения малых количеств ВХ в рабочей зоне, атмосфере, в твердых веществах и жидкостях необходимы очень чувствительные и избирательные методы анализа. Нельзя автоматически переносить методы определения макроколичеств на микроколичества. Поэтому представляется нецелесообразным использовать метод определения винилхлорида окислением до формальдегида, который до сих пор применяется на отечественных санэпидемстанциях. Для определения содержания ВХ могут быть рекомендованы методы ИК-спектроскопии, фотоионизации, масс-спектроскопии, причем наиболее доступным, удобным и избирательным методом является газовая хроматография. Однако при определении малых количеств ВХ и наличии органических соединений неизвестного состава даже к результатам газовой хроматографии следует относится осторожно. Например, можно указать на расхождение результатов хроматографического анализа ВХ в ПВХ-смоле, проведенных по ГОСТ на двух заводах. Только с помощью хромато-масс-спектрометрии удалось установить, что на одном из сорбентов, рекомендованных ГОСТ, не происходит разделения пиков ВХ и пентана, применяемого при получении ПВХ. Токсичность же пентана и ВХ несравнима. Поэтому перед проведением измерений (особенно в воздухе населенных мест) необходима идентификация токсичных соединений. В противном случае возможны ошибки в сторону завышения либо занижения опасности.
     Оценивая токсичность ВХ, следует иметь в виду, что  этот мономер не образуется ни при каких деструктивных процессах ВПХ, а на свету достаточно быстро разлагается с образованием менее токсичных соединений, например, формальдегида. В связи с этим нет необходимости систематически определять ВХ в воздухе населенных мест, удаленных от производства более чем на 3 - 5 км. Для получения достоверной информации необходим непрерывный автоматический контроль за его содержанием в воздухе рабочей зоны и на территории предприятия. В этом случае можно оценивать реальную угрозу здоровью работающих на данном предприятии, а в случае залповых ночных выбросов рассчитать содержание ВХ в более отдаленных местах.
     Смешение и переработка ПВХ. Для изготовления изделий из ПВХ используют композиции, состоящие из смолы ПВХ и различных добавок (стабилизаторов, смазок, пластификаторов, наполнителей и др.). процесс производства композиции включает две стадии: смешение компонентов при температуре 80-100 ^оС и переработку при 180-200 ^оС. 
     Состав газовыделений исследовался нами в условиях, имитирующие производственные. Смеситель представляет собой сосуд из специальной стали емкостью 1 л с установленной внизу на валу двигателя крыльчаткой для перемешивания образца. Частота вращения крыльчатки от 200 до 3600 мин. Длительность смешения 30 мин. Температура смесителя регулировалась путем изменения температуры внешнего теплоносителя. Пробы газовой фазы в смесителе отбирали с помощью газового шприца емкостью 250 мл. В конце операции смешения шприцем через охлаждаемую ловушку с адсорбентом прокачивали 100 мл газовой фазы. Затем ловушку вводили в испаритель хроматографа на вход аналитической колонки. Выделившиеся при нагреве уловленные соединения разделяли и идентифицировали на хромато-масс- спектрометре. 
     Процесс переработки предварительно перемешанной композиции моделировали в смесительной камере, изготовленной по типу пластографа Брабендера. После загрузки образца и приложения заданного давления с помощью "клина" в момент начала расплава на смесительную камеру устанавливали крышку, уплотненную фторопластом. Газообразные продукты, выделяющиеся при перемешивании расплава, отбирали со скоростью 100 мл/мин с помощью магистрального вакуума и дросселя, пропускали через охлаждаемую ловушку с адсорбентом и подавали на вход  хромато-масс-спектрометра. Параллельно применяли статический метод, при котором выделение примесей происходило в процессе нагрева образца в трубке в течение определенного времени в потоке инертного газа и улавливание летучих - в ловушке с адсорбентом. Установлено, что последний метод гарантирует наиболее полное выделение из образца летучих примесей.
     Исследование газовыделений  из разных композиций показало, что наибольшая потеря летучих компонентов происходит в смесителе. В состав газовыделений входит ВХ, выделившийся из полимера, и в основном летучие компоненты технологических примесей смол и пластификаторов, например, 1,2-ДХЭ, смолы С-70, метилгексан, 2-этилгексаналь, 2-этилгексанол и другие примеси.
     Следует отметить, что при смене сырья изменяется состав примесей и соответственно состав газовыделений. Огромное количество различных примесей попадают в атмосферу. В определенном смысле загрязнением можно считать и изъятие из воздуха отдельных газовых ингредиентов (в частности, кислорода) крупными технологическими объектами. И дело не только в том, что попадающие в атмосферу газы, пыль, сера, свинец и другие вещества опасны для человеческого организма – они неблагоприятно влияют на круговороты многих компонентов на Земле. Загрязняющие и ядовитые вещества переносятся на большие расстояния, попадают с осадками в почву, поверхностные и подземные воды, в океаны, отравляют окружающую среду, отрицательно сказываются на получении растительной массы.