Новый способ утилизации технологических отходов жил малых сечений в полиэтиленовой изоляции

Объем отходов, извлекаемых после эксплуатации кабелей, оценен экспертами международной федерации производителей кабелей ICF в 5 млн. тонн [1]. В спрессованном виде это — либо куб со стороной 170 м, либо ковер толщиной 10 см и площадью 50 млн. м2, либо покрытие автобана от Парижа до Мюнхена шириной 50 м. И это количество отходов каждый год становится все больше и больше, и это только в кабельной промышленности. И необходимость в развитии соответствующих высоких технологий переработки — очевидна. 

Что касается России и стран СНГ, в которых отходы (за исключением меди и алюминия) до сих пор в основном подвергаются захоронению или сжиганию, то вопрос о создании новых подходов к решению проблемы вообще остается открытым [1]. Заметим, что переработка отходов с целью извлечения меди всегда была выгодна, а переработка полимерной фракции — убыточна, [1], т.к. проблема переработки и повторного использования полимерных отходов кабельной промышленности представляет собой весьма сложную в техническом и экономическом отношениях задачу 

На российских кабельных заводах с середины 90-х стали применяться промышленные установки (в основном зарубежного производства) по переработке кабельных отходов. При этом, как это ни покажется странным, наибольшую проблему составили массовые отходы относительно тонких (менее 1 мм2) токопроводящих жил (ТПЖ) в ПЭ изоляции. Речь идет в первую очередь о телефонных кабелях. 

Приобретенные и эксплуатируемые и сегодня многими заводами установки построены на хорошо известном принципе гравитационного разделения сильно измельченной массы материала в направленном вверх воздушном потоке. Дальнейшие ухищрения по флотационному (в воде или растворе соли) разделению мелких фракций (размерами <50 мкм) натыкаются на физический предел. Дело в том, что адгезия между пудрой (пластмассовой и металлической) с одной стороны и основной (размерами 50-1000 мкм) металлической и/или пластмассовой фракцией с другой стороны не позволяет полностью их разделить упомянутыми способами. В связи с тем, что удельный вес меди примерно в 10 раз больше удельного веса ПЭ, то остатки меди, навечно остающиеся в полиэтиленовых отходах, составляют по весу от 5-8 до 10-15% по массе полиэтиленовой фракции. При этом проблему переработки отходов, содержащих гидрофобный заполнитель, данные методы не решают в принципе. Да и незагидрофобленные отходы ПЭ для дальнейшего применения малопригодны именно из-за наличия в них значительного содержания металла. 

Полное отделение изоляции из ПЭ от медных жил могло бы позволить вернуть в производство дополнительно, по сравнению с ныне используемой практикой, до 10 % меди, попадающей в отходы вместе с ПЭ, который, в свою очередь, сегодня теряется практически полностью. Очевидно, что в перерасчете на сотни и даже тысячи тонн подобного рода отходов, образующихся на примерно 50 заводах отрасли в России и странах СНГ, решение проблемы может дать существенный экономический эффект, особенно при высокой и продолжающей расти цене на медь и нефтегазовое сырье. Кроме того, существующая практика частичной утилизации или, как правило, просто захоронение такого количества отходов ПЭ создало и продолжает создавать значительные экологические проблемы. 

В связи с этими соображениями и был разработан принципиально иной способ утилизации отходов кабельного производства, включающий полное удаление полиэтиленовой изоляции с медных жил растворным способом, позволяющий вернуть 100% меди в электротехническое производство, а также получить вторичный ПЭ без примесей меди с целью его полноценного технологического использования. При этом в качестве растворителя могут применяться относительно дешевые и мало вредные органические жидкости. Например, низкооктановый бензин и даже соляр [2]. 

Это несколько отличается от бытующего мнения, что "Полиэтилен инертен к большей части агрессивных сред: при комнатной температуре не растворим ни в одном из известных растворителей. При 700С и выше ПЭ растворим в четыреххлористом углероде, хлороформе, толуоле и ксилоле" [3]. 

Подробности методики можно посмотреть на сайте Федерального Института Промышленной собственности по адресу бесплатного доступа к полному тексту российских патентов, где надо только безошибочно ввести номер патента (2224341). 

Краткое содержание: 

Разработка предназначена для отделения полимерной изоляции (оболочки) от металлической жилы (и/или от других наполнителей) и может быть использована для переработки отходов электрических проводов и/или кабелей. 

Техническим результатом является полное отделение полимерной изоляции от жилы электрического провода и разделение их компонентов посредством следующих способов: 

1. Способ основан на помещении в растворитель или размещении в его парах электрического провода, в качестве растворителя используют высшие н-алканы, или их смеси или другие высококипящие растворители, имеющие температуру кипения более 150С. Далее нагревают растворитель до температуры, при которой полимерная изоляция растворяется, выдерживают при этой температуре в течение времени, необходимого для отделения полимерной изоляции от металлической жилы, после чего металлическую жилу вынимают из раствора полимера, раствор охлаждают, выделенный в виде осадка полимер отфильтровывают и сушат в вакууме или при атмосферном давлении. 
2. Способ отделения полимерной изоляции по п. 1, отличающийся тем, что в изоляциях, состоящих из нескольких оболочек и/или изоляциях, содержащих различные компоненты, нагревание растворителя осуществляют ступенчато, сначала до температуры, при которой оболочка и/или компонента полимерной изоляции с наименьшей температурой растворения растворяется, и выдерживают при этой температуре в течение времени, необходимого для отделения этой оболочки и/или компоненты от металлической жилы, после растворения оболочки и/или компоненты имеющей наименьшую температуру растворения, растворитель заменяют на свежий или другой, затем продолжают нагрев до температуры растворения оболочки и/или компоненты полимерной изоляции имеющей более высокую температуру растворения, и выдерживают при этой температуре в течение времени, необходимого для отделения этой оболочки и/или компоненты от металлической жилы, замененный раствор охлаждают и выделяют растворенную оболочку и/или компоненту. 
3. Способ отделения полимерной изоляции по п. 2, отличающийся тем, что электрические провода предварительно разрезают на короткие отрезки длиной от 2 до 5 см. 
4. Способ отделения полимерной изоляции по п.п. 1 или 2, или 3, отличающийся тем, что нагрев осуществляют в атмосфере углекислого газа или водяного пара. 
5. Способ отделения полимерной изоляции по п.п. 1, или 2, или 4, отличающийся тем, что электрические провода предварительно спрессовывают в брикет-заготовку. 
6. Способ отделения полимерной изоляции от металлической жилы электрического провода, заключающийся в том, что электрический провод помещают в растворитель или его пары, в качестве растворителя используют низшие н-алканы, или их смеси, или другие низкокипящие растворители, нагревают растворитель до температуры, при которой полимерная изоляция растворяется, причем нагревание растворителя с помещенным в него или его парах электрическим проводом проводят при повышенном давлении, выдерживают при этой температуре в течение времени, необходимого для отделения полимерной изоляции от металлической жилы, после чего металлическую жилу вынимают из раствора полимера, раствор охлаждают, выделенный в виде осадка полимер отфильтровывают и сушат в вакууме или при атмосферном давлении. 
7. Способ отделения полимерной изоляции по п. 6, отличающийся тем, что в изоляциях, состоящих из нескольких оболочек и/или изоляциях, содержащих различные компоненты, нагревание растворителя осуществляют ступенчато, сначала до температуры, при которой оболочка и/или компонента полимерной изоляции с наименьшей температурой растворения растворяется, и выдерживают при этой температуре в течение времени, необходимого для отделения этой оболочки и/или компоненты от металлической жилы, после растворения оболочки и/или компоненты имеющей наименьшую температуру растворения, растворитель заменяют на свежий или другой, затем продолжают нагревание до температуры растворения оболочки и/или компоненты полимерной изоляции имеющей более высокую температуру растворения, и выдерживают при этой температуре в течение времени, необходимого для отделения этой оболочки и/или компоненты от металлической жилы, замененный раствор охлаждают и выделяют растворенную оболочку и/или компоненту. 
8. Способ отделения полимерной изоляции по п.п. 7, отличающийся тем, что электрические провода предварительно разрезают на короткие отрезки длиной от 2 до 5 см. 
9. Способ отделения полимерной изоляции по п.п. 6 или 7, или 8, отличающийся тем, что нагрев осуществляют в атмосфере углекислого газа или водяного пара. 
10. Способ отделения полимерной изоляции по п.п. 6, или 7, или 9, отличающийся тем, что электрические провода предварительно спрессовывают в брикет-заготовку. 

Кроме того, поскольку ПЭ, выделенный из отходов кабельного производства по предлагаемой технологии, не содержит частичек меди, приводящих к "забиванию" фильер при переработке полимера на экструдере, становится возможным вторичное использование и полимерного материала. Иными словами, даже измельченные отходы кабельного ПЭ, полученные традиционным методом, содержащие медь, не находящие до сих пор практического применения, опять становятся полезным полимерным сырьем. 

Как показали результаты проведенных инициативных исследований, из извлеченного по предлагаемой технологии ПЭ можно также получать полимерные микро- и нанокомпозиты различного состава, обладающие весьма интересными эксплуатационными свойствами, в частности, высокими механическими характеристиками и пониженной горючестью, в том числе и в кабельном производстве, для создания микро- и нанокомпозитов, обладающих высокими механическими свойствами и пониженной горючестью. 

Причем важно подчеркнуть, что получение новых материалов может при желании непосредственно включаться в технологический процесс переработки отходов. При этом требуемые товарные (потребительские) свойства полимерного изделия относительно легко достигаются путем подбора различных наполнителей, для которых предварительно полученный микро- или нанокомпозит будет выполнять роль связующего. В зависимости от назначения, возможно производство широкого спектра материалов, в частности, обладающих высокой атмосферостойкостью, низкой теплопроводностью, низкой горючестью, не набухающих в воде, "работающих" при температуре от — 50оС до +100оС. В том числе как электроизоляционных, например, кабельных, так и декоративных и т.д. Эти свойства также можно варьировать в достаточно широких пределах. 

Использование предельно дешевых вторичных полимеров, в частности ПЭ, для создания микро- и нанокомпозитов, обладающих высокими механическими свойствами, пониженной горючестью и рядом других ценных эксплуатационных качеств, делает эти материалы весьма перспективными для широкого их использования в России. И не только в ней одной. Не случайно вот уже на протяжении десяти лет такие гибридные материалы, как полимер/силикатные нанокомпозиты являются объектом пристального внимания ученых, как у нас в стране, так и за рубежом [4]. И это совершенно понятно, поскольку свойства нанокомпозитных материалов могут во много раз превосходить аналогичные характеристики обычных композитов, полученных простым смешением компонентов. Более того, по мере уменьшения размеров частиц наполнителя до наноуровня, система в целом может приобретать новые практически полезные качества, отличные от свойств исходных компонентов. 

В сочетании с относительной простотой получения, а также удешевлением конечных материалов за счет использования в качестве наполнителей дешевых слоевых силикатов (природных минеральных глин), а в качестве полимерных матриц — вторичный ПЭ, все это делает их весьма перспективными для использования в промышленности будущего и настоящего [5, 6]. 

Предлагаемая технология разделения отходов может быть использована для переработки как уже накопившихся отходов ПЭ, хранящихся на складах предприятий, причем за относительно короткий временной период, так и отходы, накапливаемые на производстве перманентно. Важно отметить, что технологический процесс по предлагаемому нами способу может быть достаточно легко реализован, т.к. должен быть оснащен стандартным оборудованием, широко используемым в обычном химико-технологическом производстве. Предполагается также, что разработанный процесс будет работать по замкнутому циклу без вредных выбросов в окружающую среду. Кроме того, в перспективе перенос растворных методов переработки кабельных отходов и на другие типы, в т.ч., с изоляцией из других полимерных материалов и т.д. 

Приглашаем к сотрудничеству все заинтересованные стороны. Телефон/факс: (495) 737-94-90, Хвостов Дмитрий Вадимович.

СПИСОК ЛИТЕРТУРЫ:
1. Кабели и провода, № 5, с. 3 (2000), Кабели и провода, № 6, с.4 (2000), Кабели и провода, 1, с. 3 (2001). 
2. Способ отделения полимерной изоляции от металлической жилы электрического провода // Патент РФ № 2224341, 2004 г. 
3. Н.И. Белоруссов, А.Е. Саакян, А.И. Яковлева //Электрические кабели, провода и шнуры. Справочник, изд.5-3, М., Энергоатомиздат, 1987г., стр.14. 
4. Микитаев А.К., Каладжян А.А., Леднев О.Б., Микитаев М.А. "Нанокомпозитные полимерные материалы на основе органоглин" //Электронный журнал "ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ", //zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/083.pdf 
5. M. Alexandre, Ph. Dubois // Mat. Sci.& Eng. 28, pp. 1-63, 2000 
6. Заключительные материалы конгресса "Europolymer Congress2005", Москва, Россия, июль 2005.