научная статья по теме ЖИДКИЕ ПРОДУКТЫ ПИРОЛИЗА ОТРАБОТАННЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СВЧ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ЖИДКИЕ ПРОДУКТЫ ПИРОЛИЗА ОТРАБОТАННЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СВЧ»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2013, № 4, с. 60-62

УДК 66.092-977:66-4.4

ЖИДКИЕ ПРОДУКТЫ ПИРОЛИЗА ОТРАБОТАННЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СВЧ © 2013 г. А. В. Яцун, Н. П. Коновалов, И. С. Ефименко

Иркутский государственный технический университет E-mail: i03@istu.edu Поступила в редакцию 07.06.2012 г.

Проведен пиролиз автомобильных шин в электромагнитном поле микроволнового диапазона на опытной СВЧ-установке. Определены составы полученного пиролизного газа, жидких продуктов и твердого остатка пиролиза. Полученные данные показывают, что продукты пиролиза — это ценное химическое сырье и их можно успешно использовать в промышленности.

Б01: 10.7868/80023117713040130

Ежегодно на планете образуется около 7 млн. отработавших свой рабочий ресурс автомобильных шин, поэтому проблема их утилизации в настоящее время актуальна не только в России, но и во всем мире. Автомобильные шины — это вулканизированный каучук с различными добавками (для повышения прочности каркаса шин применяется металлический и текстильный корд). При простом сжигании автошин в печах каучук окисляется с образованием ряда ядовитых веществ: окиси и двуокиси углерода, диоксинов, оксидов серы, а также многих других вредных газов. Чтобы избежать этих выбросов, необходима сложная система очистки дымовых газов, что требует немалых капиталовложений. При захоронении шин ядовитые вещества, образующиеся в процессе деструкции резины, попадают в атмосферу, почву и воду, так как в присутствии воздуха каучук со временем тоже окисляется. Все это наносит большой ущерб окружающей среде.

В настоящее время большое внимание уделяется термическим методам переработки автомобильных шин: пиролизу и газификации различными способами. Такая переработка позволяет получить ценное сырье для химической промышленности в виде пиролизного газа, жидких углеводородов, а также твердого остатка, из которого можно получать хороший углеродный сорбент. Металлокорд используется при получении стали.

Проведена серия экспериментов по пиролизу автомобильных шин с применением электромагнитного излучения сверхвысокой частоты на экспериментальной лабораторной СВЧ-установке. В качестве сырья использовали измельченные шины от легковых автомобилей. Измельченный материал (примерно 5 х 5 мм) загружали в кювету и подвергали пиролизу под воздействием СВЧ-из-

лучения стандартной частоты 2.45 ГГц мощностью в 1 кВт. Под воздействием СВЧ-излучения масса нагревалась до температуры 450—500°С, при которой проходила их термическая деструкция. В результате пиролиза получались следующие продукты (мас. %): газ пиролиза — до 9; жидкие продукты — до 50; твердый остаток — до 41.

По данным хроматографического анализа, в состав газообразных продуктов пиролиза входят водород, диоксид углерода, монооксид углерода, сероводород, а также предельные (С—С4) и непредельные углеводороды (С2—С4). Среди всех компонентов по содержанию превалирует водород — свыше 60 об. %.

Твердый остаток, полученный при пиролизе автошин, представляет собой углеродистый порошок хрупкой пористой структуры с содержанием углерода (по данным ИК-спектров) до 85—90% может быть использован в виде сорбента для поглощения жидких органических соединений различного рода.

Жидкие продукты пиролиза имеют темно-бурую окраску с характерным запахом. Плотность жидкой фазы, измеренная с помощью пикнометра, составляет 0.85—0.88 г/см3. Для установления состава она была разогнана на колонке по температурам кипения на более узкие фракции. Начало кипения жидкой фазы соответствует 45°С, а окончание — 360°С, при которых отгоняются более легкие компоненты. Тяжелый остаток имеет более высокую температуру кипения с пределами 370—505°С. Анализ жидкой фазы проводили на хроматографе "Перкин Элмер" методом газовой хроматографии, по данным которой были установлены состав и количественные показатели по

ЖИДКИЕ ПРОДУКТЫ ПИРОЛИЗА ОТРАБОТАННЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН

Содержание, мас.%

61

4.0 -

3.5 _ Бензиновая Керосиновая Д Дизельная Тяжелый остаток

фракция фракция 1 фракция

3.0 -

2.5 - 2

2.0 - \

1.5 " / V-"

1.0 " 1

0.5 -) А

0 т 1 Т 1 Т 1 Г"1! 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 '| 1 1 1 1 1 1 1 1 '| 1 1 1 1 1 1 '| 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 'Н

С^ го

О О ^ <_

о о о о

оо с^

ОО ^Г

I I

|Л ^ ^

<N1 г<ч ^ 1л

00 С^

ооооооооооо и О о и и

^Г оо

Г^ Г<1

о о

00 С^ О ^ <4 Г<1 ^ ........ Г^ Г^ Г<1 Г<1 Г<1 Г<1 Г<1

н 1Л ^ ОС^ ТГ 1Л

сл о -н

н-Парафины

Температура кипения, °С

Рис. 1. Распределение компонентов жидких продуктов пиролиза шин (1) по сравнению с их распределением в сырой нефти (2), по оси ординат указаны массовые доли компонентов жидких продуктов, по оси абсцисс — ряд н-парафинов (от С2 до С35) с соответствующими температурами кипения.

фракциям. Построен график распределения компонентов жидких продуктов по сравнению с их распределением в нефти (рис. 1). Количественные данные по газовой хроматографии представлены в таблице, из которой видно, что в жидкой фазе преобладают суммарные керосиновая и дизельная фракции, т.е. при данных условиях процесса образуется больше среднетемпературных фракций, нежели остальных. Содержание ароматических структур (бензол, толуол, ксилолы и ал-килбензолы суммарно) превышает 20 мас. %. Вероятно, такие параметры процесса оптимальны для реакций диенового синтеза, поэтому большая часть образующихся непредельных углеводородов превращается в ароматические.

Так как при пиролизе автошин основная масса компонентов жидкой и газовой фракций образуется в результате термической деструкции вулканизированного каучука, рассмотрим пиролиз резиновой массы автошин на примере бутадиенового каучука марки СКД, входящего в состав покрышек. Структура СКД представлена на рис. 2.

При пиролизе в молекуле каучука происходит разрыв основных и боковых цепей. Разрываются как одинарные, так и двойные связи по всей молекуле. Таким образом, образуются следующие радикалы: водорода (Н*), предельных углеводородов Я (СН3' , С2Н5 , С3и; , С4Н9' , СзИ; и т.д.), непредельных углеводородов Я' (СН; , СН=СН*,

СН=СН—СН; и т.д.), а также — радикалы углерода (С*) и серы Далее между образующимися радикалами возможны реакции присоединения, гидрирования и перераспределения. Соединения, выделяющиеся при данных реакциях, образуют газообразные и жидкие продукты пиролиза.

Ниже представлены некоторые возможные реакции взаимодействия радикалов между собой, образующихся при пиролизе:

Состав жидких продуктов пиролиза автомобильных шин в поле СВЧ по данным газовой хроматографии

№ Компонент Содержание компонента в жидкой фракции, мас. %

1 Бензиновая фракция, в т.ч.: 5.0

бензол 1.0

толуол 3.5

2 Суммарные керосиновая и дизельная фракции, в т.ч.: 63.0

суммарные ксилолы 7.4

алкилбензолы 11.0

3 Тяжелый остаток 32.0

62 ЯЦУН и др.

-I^s ch3 H3C

sx i 3 I

";ch-ch2-ch2-c=ch-ch2-ch2-c=

-ch^c

h3c s_s ch-ch2-ch2-c=ch----

3 l/l 2 2 I

—ch2-c s. ch3

ch3 i

Рис. 2. Структурная формула бутадиенового каучука марки СКД.

H' + H' ^ H2; CH, + H- ^ CH3'

CH3 + CH3 ^ CH3 - CH3;

CH3' + H' ^ CH4

CH,

C2 H3

^ C3H

3A18>

С3 Н + И' ^ С3Н8 и т.д.

СИ=СН + 2И* ^ СИ2=СН2;

СИ=СН-СИ:; + 2И* ^ СИ2=СН-СИ3 и т.д.

S• + И' ^ SИ•; S• + 2И* ^ Н2S;

Я + SИ• ^ Я — SH; Я' + SИ• ^ Я' — SИ.

Также при пиролизе протекают реакции диенового синтеза (см. выше) в результате взаимодействия молекул непредельных углеводородов (в данном случае алкенов) между собой. В результате этих реакций образуются ароматические углеводороды, составляющие жидкие продукты.

Пиролиз с применением энергии СВЧ-поля отличается от традиционных способов пиролиза тем, что нагревание сырья до температуры деструкции происходит одновременно по всему объему материала [1-5], а не конвекционно — от поверхности внутрь массы [6, 7]. Это объясняется тем, что в переменном электромагнитном поле сверхвысокой частоты происходит вращение диполей полярных диэлектриков (в данном случае -это вулканизированный каучук и химические добавки в резине [1, 8]), что и вызывает так называемое внутреннее трение молекул материала. А температура, до которой нагревается материал, и время деструкции главным образом зависят от количества подводимой энергии в единицу времени, т.е. от параметров высокочастотного генератора (магнетрона) и конструкции рабочей камеры [1—5].

Таким образом, при правильном подборе параметров работы СВЧ-установки микроволновый пиролиз позволяет при минимальных затратах энергии и времени безотходно перерабатывать любые шины и резино-технические изделия. В результате такого пиролиза суммарный выход керосиновой и дизельной фракции (более 60 мас. %) значительно превосходит ее выход при перегонке нефти (примерно 25—35 мас. % по раз-

личным источникам). Помимо всего прочего этот способ пиролиза более экологичен (вредные выбросы отсутствуют), нежели традиционные способы [6, 7], в которых нагрев резины осуществляется за счет сжигания части образующихся пиро-лизных газов или других горючих материалов.

Таким образом, разработан новый метод пиролиза резинотехнических изделий различного происхождения при помощи микроволнового излучения. Полученные продукты пиролиза могут найти применение в химической, нефтехимической и топливной промышленности, а также в металлургии. Предложенный метод позволит снизить экологическую напряженность на окружающую среду.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Григорьев А.Н., Басс Ю.П. Микроволновой нагрев при вулканизации шин и РТИ. Обз. инф-я. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1986. 43 с.

2. Диденко А.В. СВЧ-энергетика: теория и практика. М.: Наука, 2003. 446 с.

3. Коновалов Н.П. Применение СВЧ-энергии для переработки угля и отходов резины в жидкие продукты: Дис. ... д-ра техн. наук. М.: ИГИ, 2001. 239 с.

4. Коновалов Н.П., Яцун А.В., Коновалов П.Н. Способ переработки изношенных шин и/или резинотехнических изделий и устройство для его осуществления. Пат. 2361731 РФ // Б.И. 2009. № 20. С. 1-16.

5. Яцун А.В., Коновалов П.Н., Коновалов Н.П. // ХТТ. 2008. № 3. С. 70.

6. Булавин А.В., Пашкевич В.П. Переработка отработанных автомобильных шин методом низкотемпературного пиролиза. http://www.donntu.edu.ua/, 2004.

7. Переработка изноше

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком