"Серьезные сдвиги."

Не так давно газета «Советская Россия» опубликовала фельетон под названием «Золотой дым». Вот отрывки из него:

«Очередное заседание городской комиссии по охране окружающей среды открылось на природе. Председатель ко­миссии, обведя ласковым взором могучие дубравы, цветущие луга, роднико­вые ручьи и озера, с чувством произнесла:

— Друзья! Наш долг — оставить эту красоту в целости и сохранности потомкам...»

Все, казалось бы, хорошо, все правильно. Но — буквально через считанные секунды после торжественной тирады и председатель, и все члены комиссии «как подкошенные, повалились на землю».

Они попали в полосу дыма, принесенного со стороны городской свалки. А на свалке жгли отходы производства два местных предприятия «Балаковорезинотехника» и «Химволокно». Только в прошлом году здесь сожжено 240 тысяч кубометров полимерных отходов.

Скорее всего, после газетной публикации соответствующие органы приняли меры — наказали виновных. Но вот вопрос: прекратят ли резинотехнические и химические заводы сжигать на свалках или закапывать в землю различные полимерные отходы? Не прекратят, как это ни грустно, ибо другого выхода у них нет.

Создалось парадоксальное положение. Всюду говорят и пишут о растущем дефиците нефти. Затраты на производство полимеров — резины, пластиков, волокон — неуклонно растут. Все эти продукты дефицитны. И в то же время десятки и сотни заводов, производящих эти материалы (и изделия из них), изыскивают способы, как отделаться от тех же полимеров в виде отходов, бракованной и некондиционной продукции.

Но это еще не все. Использованные автопокрышки, изношенные резиновые изделия, отработавшая свое пластмассовая тара, одноразовые упаковки и различные бытовые отходы из синтетических полимеров — все это в гигантских масштабах накапливается на городских свалках, загрязняет окружающую среду.


ЧТО ДЕЛАТЬ С ОТХОДАМИ

Изношенную полиэтиленовую пленку собирают, моют, режут на куски, расплавляют в экструдере и из такого вторичного полиэтилена формуют раз­личные изделия. Существует еще вторичный капрон, который тоже используют для производства ширпотреба. Термин «вторичный» как-то не очень радует слух — напрашивается аналогия с «второсортным». Так оно и есть, поскольку качество термопластов при повторной переработке страдает. Сортировка, очистка, предварительная под­готовка требуют чрезмерных затрат. А многие полимерные материалы, резина в первую очередь, вообще не плавятся.

Восемь десятилетий непрерывно росло производство полимерных материалов, расширялся ассортимент изделий из них. Про отходы все это время думали так: органика, следовательно, должна гореть. И горела, и сегодня горит. Не жалко?

В последние 25—30 лет появилось немало идей, конечная цель которых — всеобщая и универсальная утилизация полимерных отходов. Химики предлагали разлагать отходы в специальных установках при высоких температурах на специально подобранных катализаторах с тем, чтобы получать мономеры или другие простые органические ве­щества. Но этот путь оказался слишком сложным, дорогим и энергоемким.

Предлагали вводить в состав полимеров такие химические группы, которые потом легко разрушались бы микроорганизмами или ультрафиолетовыми лучами. Но такие биоразлагаемые полимеры пока не нашли широкого применения.

Предлагали размалывать полимерные отходы в порошок и использовать его как наполнитель для пластмасс, бетона, линолеума. Эта идея заслуживает внимания, так как отвечает требованию универсальности и выглядит довольно простой в осуществлении. Остановимся на ней подробнее.


НАПОЛНИТЕЛИ ИЗ ОТХОДОВ

Обычно наполнителями для пластмасс и резин бывают тонкодисперсные порошки. Мел, тальк, каолин, а также сажа и древесная мука — пять главных, самых массовых наполнителей. Порошки из отходов пластмасс и волокон могут и должны стать шестым. Они легче минералов, дешевле (по расчету!) сажи и древесной муки, лучше совме­щаются с полимерами. Последнее очень важно.

Измельченная в порошок отработанная или бракованная резина могла бы стать первоклассным наполнителем для резиновых изделий. Защищено немало диссертаций на эту тему, показано, на­пример, что введение такого наполнителя увеличило бы срок службы автомобильных покрышек на 30%.

Остается совсем чуть-чуть: организовать массовый сбор резиновых и полимерных отходов, измельчить их и... Но вот тут-то нам придется задержаться и вспомнить, что мы знаем о технологии измельчения твердых тел.

Измельчение, дробление, помол, размол, перемалывание, истирание, порошкообразование, пульверизация — это все названия процессов, чрезвычайно распространенных в технике. Ступка с пестиком — простейшее и, по-видимому, древнейшее устройство для этих целей. В наши дни существуют дробильные агрегаты, способные перемолоть за час десятки тонн твердого вещества. Размалывают руду, уголь, минералы, цемент, зерно, кофе, какао-бобы и множество других веществ и продуктов. Примерно 10% производимой в мире энергии тратят на эти операции. Казалось бы, среди громадного разнообразия измельчающих машин можно подобрать устройства для дробления резины и полимеров, но... Опять «но».

Почти все измельчающие машины основаны на одном из двух принципов — ударном воздействии на дробящийся материал или резании. В патентной литературе описаны многие сотни различных устройств, основанных на двух этих принципах. А в промышленности распространены шаровые мельни­цы, в которых продукт перемалывают металлические шары. В струйных мельницах сжатый воздух с силой ударяет куски вещества о стенку. В дезинтеграторах продукт попадает в зазор между двумя зубчатыми дисками, которые быстро вращаются навстречу друг другу. Однако к. п. д. всех измельчающих устройств поразительно низок и составляет всего несколько процентов: при соударении твердых тел значительная часть кинетической энергии переходит в тепловую.

Покуда речь идет о минералах, цементе или о таких хрупких веществах, как зерно, кофе или какао-бобы, с этим недостатком существующих устройств для измельчения еще можно мириться.

Но вот представьте себе, что раздробить в порошок нужно полимеры. Тепло, выделяющееся при дроблении, размягчит их. Вязкой упругой массе вроде густого теста или вара ударные нагрузки ни­почем. Измельчаться такая масса не будет. Резина же и при обычных температурах обладает высокой упругостью. В лабораториях растереть в порошок небольшие количества полимера и резины можно, в промышленных условиях это чрезвычайно трудно.

Зная особенности поведения полимеров, можно, конечно, кое-что придумать. Например, сделать их хрупкими, применив низкие и сверхнизкие темпера­туры. Резина, обработанная жидким азотом, раскрошится в порошок в обычной дробилке. Но холод энергетически дорог. Криогенная технология измельчения полимеров на практике нашла весьма ограниченное применение.

Остроумную идею предложил четверть века назад профессор В. Е. Гуль: грузить старые шины на баржи и сплавлять по Оби, Енисею, Лене за Поляр­ный круг. Там резина станет достаточно хрупкой, её можно потом вернуть, раздробив. Но идею забраковали: «За морем телушка — полушка, да дорог перевоз».

Предложить экономически эффективный промышленный способ измельчения резины и полимеров до последнего времени никто в мире не смог.


ЭКСТРУЗИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ

Академик Николай Сергеевич Ениколопов заинтересовался проблемой измельчения несколько лет назад, когда возглавил целевую комплексную программу по наполненным полимерам. В Институт химической физики тогда стали приходить изобретатели и конструкторы измельчительной техники, а на стендах экспериментальной базы в НПО «Норпласт» появились различные дробильные машины.

Испытания этих машин подтвердили то, что читателю уже известно: получить порошок из резины и большинства полимеров в обычных условиях весьма сложно.

А тем временем в научном коллективе, возглавляемом Н. С. Ениколоповым, были выполнены две не связанные друг с другом исследовательские работы. В одной из них изучали воздействие на полимеры огромных давлений в сочетании с деформацией сдвига. О результатах этих работ уже рассказывалось и в научной, и в популярной ли­тературе (см., в частности, «Науку и жизнь», 1982, № 7). Поэтому здесь мы отметим только главное: деформация сдвига сильно влияет на свойства по­лимеров.

В другой работе исследовали возможность получения порошка из расплавленного полиэтилена при резком его охлаждении водой и перемешивании.

Сопоставляя результаты, Н. С. Ениколопов пришел к неожиданному выводу: под действием сравнительно небольших напряжений сдвига в определенной области температур может про­исходить измельчение, превращение в порошок эластомеров и вязких полимерных расплавов.

Оказалось, что сдвиг воздействует на полимер совсем не так, как ударная нагрузка. При сдвиге материал работает на разрыв, и энергия, необходимая для разрушения, пропорциональна его разрывной прочности. Специалистам известно, что с повышением температуры прочность материалов на разрыв падает. Для полимеров она минимальна около температуры размягчения. Выходит, разрушение сдвигом эффективнее при повышенных, а не низких температурах, материалы нужно нагревать, а не охлаждать. Энергозатраты при этом существенно меньше.

Оставалось сконструировать подходящее устройство и проверить идею. Поиски подходящих устройств привели к экструдеру — традиционной машине для формовки изделий из полимеров, известной уже сто лет. С помощью экструдеров производят полимерные листы, трубы, пленки, нити, гранулы для литья под давлением.

Основной рабочий орган любого экструдера — шнек, по сути — цилиндр со спиральными витками. Ближайшая родственница шнекового экструдера — домашняя мясорубка. Шнек экструдера, врящаясь, выполняет одновременно несколько функций: перемещает материал, нагревает его (за счет внутрен­него трения), перемешивает (путем сдвига), сдавливает и наконец проталкивает через формующее устройство.

Когда Н. С. Ениколопов предложил испытать экструдер для измельчения полимеров, то все, буквально все: инженеры, техники, операторы и механики, занятые эксплуатацией экструзионной техники, принялись его отговаривать. Их доводы: экструдер — тонкая, сложная и дорогая машина; если на нем попытаться охлаждать расплавленный полимер, то вязкость и сопротивление последнего станут стремительно возрастать и это приведет к неминуемой поломке ценной машины. Но переубе­дить академика не смогли. Это было не просто упрямство. Расчеты показали, что вязкость порошка сравнима с вязкостью расплава полимера и, сле­довательно, она несравненно ниже вязкости сплошного твердого тела. Очень многое должно зависеть от скорости перехода расплав — порошок, и, если расчеты верны, экструдер должен измель­чать и при этом не ломаться. Риск был по меньшей мере оправдан: как «Париж стоит обедни», так и проверка «шальной» идеи стоит поломанного аппарата. Бьют же на полигоне под Дмитровом новенькие «Лады» и «Москвичи» — ради этих самых машин, ради новых технологических идей.

Нужно ли говорить о том, что на решающий эксперимент собралось множество заинтересованных лиц. Был очень напряженный момент во время пуска, когда вместо ожидаемого порошка из экструдера посыпалась полимерная стружка, а двигатель натужно загудел. Но после выхода на расчетный режим экструдер стал исправно выдавать порошок. Расход энергии при этом был не больше обычного.

Скептики были посрамлены.

Конечно же, впоследствии в конструкцию экструдера были внесены некоторые изменения. Они сейчас запатентованы, и мы не будем раскрывать секреты. Изобретением заинтересовались ино­странные фирмы, начались переговоры о продаже лицензий. Это естественно: драгоценные отходы резины и полимеров захламляют весь мир, эта проблема важна для всех.


ПЕРСПЕКТИВЫ

Можно ли говорить о революции в технологии измельчения? Не слишком ли громко звучит? Попробуем трезво оценить перспективы.

Полагаем, что не зря начали эту статью с фрагментов фельетона про химиков из Балаково. Именно там на «Балаковорезинотехнике» в 1983 г. смонтирована первая промышленная установка экструзионного измельчения отходов резины. Многое еще предстоит сделать: помимо самого экструдера надо изготовить, опробовать, довести систему подготовки сырья и некоторые другие агрегаты. Но уже сейчас ясно, что новая технология эффективна и не так уж далек день, когда с городских свалок отходы резинового производства повезут назад на предприятия.

Опытную установку в НПО «Нор-пласт» уже посетили многие руководители промышленности и сельского хозяйства. Особо агитировать их за но­вую технологию не приходится. Доста- точно показать и дать пощупать. У многих гостей немедленно появляются идеи, что еще можно попробовать размолоть и где переход на порошкообразное сырье может дать наибольший эффект. Ведь только отходов резины в нашей стране за год собирается около миллиона тонн. Резиновая «мука» пойдет для наполнения той же резины и пластмасс, для антикоррозионной защиты. А только для покрытия магистральных трубопроводов нам нужно 200 тысяч тонн полимеров в год.

Одна промышленная установка экструзионного измельчения на нынешнем уровне технического развития способна дать 3000 тонн материала в год. Затраты на ее создание должны окупаться за полгода. Вот и считайте, сколько нам нужно таких установок.

Откуда их взять? Ведь нужно по крайней мере удвоить существующий парк экструдеров.

Производство этих машин освоено отечественным машиностроением. Отличные машины производит ГДР. Нужно объединить усилия и быстрее обеспе­чить народное хозяйство этой техникой.


НОВЫЕ ПОВОРОТЫ

Прошлой весной Николай Сергеевич пришел как-то в лабораторию с номером «Химии и жизни» в руках.

— Читали статью Патта про хлеб (см. «Химию и жизнь», 1982, № 1.)? — спросил он.
— Читали.
— Ну и как?
— Интересно.
— А задачу для экструзионной технологии увидели?
— Какую?!
— А вот послушайте. — И рассказал о том, что увидел в популярной статье, прочел между строк и знал из других источников.

Высокопроизводительные валковые мельницы для зерна, которые мы, кстати, покупаем в Швейцарии у фирмы «Бюллер», утеряли свойство, присущее древним жерновам. Они не измельчают отруби — оболочку зерна. А в отрубях содержится масса витаминов, микроэлементов, клетчатки. Все это крайне необходимо человеческому организму.

— Но ведь выпускается диетический хлеб из отрубей? — заметил кто-то.

— Выпускается, но из отрубей грубого помола. А тонко измельчать их для добавки в обычный хлеб никто не умеет. Впрочем, я договорился с В. А. Паттом, и он будет пробовать нашу технологию. Я абсолютно уверен, что жернова, а я их видел в детстве в Нагорном Карабахе, работают по принци­пу «давление плюс сдвиг». Следовательно, наш экструдер может измельчить отруби до нужной кондиции...

Очень скоро после этого разговора сотрудники НИИ хлебопекарной промышленности и Института питания АМН СССР привезли в НПО «Норпласт» аккуратные буханочки «экструзионного» хлеба. Хлеба с тонко перемолотыми отрубями. Генеральный директор НПО «Норпласт» доктор технических наук В. В. Коврига первым преломил хлебец: «Деревней пахнет...»

Успех нового (старого!) хлеба был столь велик, что, когда Институт питания попросил время для дополнительных исследований его ценности, прези­дент Академии наук СССР академик А. П. Александров написал на официальной бумаге резолюцию, которую стоит привести полностью: «Тов. Ениколопову. Объясните товарищам, что такой хлеб ели на Руси 1000 лет и изучать тут нечего».

Институту химической физики все же было предписано подготовить доклад о традициях хлебопечения на Руси. К счастью, такой доклад любезно согласились написать в НИИ хлебопекарной промышленности...

Потребность нашей страны в таком хлебе составляет около 3 миллионов тонн в год. И опять тот же вопрос: сколько же надо экструдеров?!

Итак, резина, полимеры, отруби...

Что еще по силам новой технологии?

Раз удалось смолоть резину, то почему бы не попробовать молоть каучук? Порошкообразный каучук произвел бы революцию в технологии производства резиновых изделий.

Если измельчаются полимеры, то почему бы не пустить в дело отходы искусственной и натуральной кожи?

А почему бы не измельчать в экструдерах солому и заодно не проводить тут же, в экструдере, ее гидролиз до сахара? Из экструдера, таким образом, будут выходить полноценные корма.

А почему бы таким способом не получать древесную муку? Современная технология ее производства находится на техническом уровне конца прошлого века.

А почему бы не измельчать в экструдере целлюлозу и тем самым не модернизировать микробиологическую промышленность? Таких «а почему бы» может быть еще много, но, видимо, по­ра поставить точку.