玻璃钢固废无害化资源化处置方法现状

玻璃钢即纤维增强塑料,是以玻璃纤维及其制品作为增强材料,以合成树脂作基体材料的一种复合材料[1]。根据使用树脂品种不同可分为聚酯玻璃钢、环氧玻璃钢和酚醛玻璃钢等。纤维是脆性材料,易损伤和断裂;合成树脂是韧性材料,具有黏弹性和弹塑性。玻璃纤维可以制成各种形状的坚硬制品,能承受拉、弯曲、压缩等应力,又兼具玻璃纤维的绝缘、隔热和耐腐蚀等性能,是一种性能优越的复合材料。

近五十多年,玻璃钢是发展迅速的一种复合材料,广泛应用于各个行业及领域,主要包括建筑、化学化工、交通运输、公路建设、电气等行业。早在2009年我国玻璃钢产量就已经达到323万吨,居世界第二位,所产生的边角废料近20吨[2]。2019年玻璃钢总产量达到445万吨,所产生的边角废料相应增加,同时,玻璃钢在维修过程和老化报废过程中也产生大量废弃物。玻璃钢废料不具备自然分解和降解能力,废旧玻璃钢回收处置是环境保护要求下的必然趋势。

一、玻璃钢处理技术现状

我国最早对玻璃钢废料的回收方法是焚烧和填埋处理。玻璃钢焚烧会排出有毒烟气,污染环境;采用填埋处理,由于玻璃钢无法降解,会增加土地浪费,随着我国对环境保护日益重视,这种方法已失去发展前景[3]。国外对玻璃钢固体废弃物资源化利用的研究主要集中在日本、欧洲、美国等国家及地区。日本将玻璃钢固体废弃物粉碎,根据需要,粉碎程度不同的废旧玻璃钢可作为填料,或加入水泥中[4];欧洲采用连续粉碎机粉碎玻璃钢固体废弃物,回收粉碎物制成玻璃纤维物及粉末状再生品[5];美国推出了新型的玻璃钢固体废弃物收回设施,此设备可以在不损坏玻璃纤维完整性的前提下,对玻璃钢固体废弃物进行破碎成为小颗粒状固体废弃物,再合成其他的产量,从而实现资源化利用。在国内外,玻璃钢固体废弃物的回收工艺可分为能量回收、物理回收及化学回收工艺[6-8]。

(一)能量回收工艺

能量回收工艺是将玻璃钢固体废弃物放进粉碎机进行粉碎,粉碎后得到颗粒状玻璃钢固体废弃物投入到燃烧炉中燃烧,回收玻璃钢固体废弃物燃烧产生的热量,燃烧后产生的固体残渣可以作为水泥原料。

玻璃钢固体废弃物在能量回收工艺中产生的发热值主要取决于玻璃钢固体废弃物中有机组分含量。有机物质燃烧会产生热量,玻璃钢固体废弃物中有机成分含量越高,热值越高,反之亦然。有机组分含量高的玻璃钢固体废弃物更符合能量回收工艺要求。

蔡金山等对玻璃钢固体废弃物用作替代燃料进行研究,玻璃钢固体废弃物可以有效代替煤炭作为燃料。玻璃钢固体废弃物完全分解,且不产生有害物质,对环境友好,可实现玻璃钢固体废弃物的无害化资源化利用。

能量回收工艺是玻璃钢固体废弃物处理工艺中最简单的一种工艺处理方法,此工艺的优点是处理方法简单,但是对燃烧炉等设备的要求相对较高,一方面要承受高温;另一方面排放的气体需符合国家标准,避免造成二次污染。

(二)物理回收工艺

物理回收工艺是将玻璃钢固体废弃物进行机械粉碎,粉碎后的颗粒根据粒径不同,可作为原材料应用于各个领域,一般作为复合型材料的填料回收利用。

王辉等[9]研究不同填料对复合材料性能的影响,将玻璃钢固体废弃物粉末加入聚氨酯中,当其填充量达到10%,聚氨酯的拉伸和弯曲性能就得到了提高。叶林忠[10]将破碎后的玻璃钢固体废弃物作为填充物,加入丁腈橡胶中,当其填充量达到20%,对丁腈橡胶的性能有一定补强作用。

玻璃钢固体废弃物回收后的用途,很大程度上取决于其粉碎后的粒径大小,玻璃钢固体废弃物的粉碎程度由粉碎设备所决定。

刘媛[11]研究了玻璃钢固体废弃物破碎——分级处理工艺,通过破碎——分级处理,使玻璃钢固体废弃物破碎,得到颗粒状固体粉末,作为填料加入聚丙烯中,熔融后装入模具中,制造出复合材料。颗粒状玻璃钢固体废弃物作为填料,其颗粒尺寸、纯度及添加量都会对合成材料的力学和热学性能造成一定影响。

钟艳霞[12]等在玻璃钢固体废弃物资源化的研究中,设计并研发了回收专用设备,通过切割、粉碎、筛分等一系列流程,将玻璃钢固体废弃物转化为一定粒度的颗粒,将其作为填充材料,制成新产品,完成玻璃钢固体废弃物资源化转变,实现资源循环利用。

物理回收工艺处理玻璃钢固体废弃物的优点是技术相对简单,能实现玻璃钢固体废弃物的可持续利用,对设备的要求较低,能满足环保要求,但对玻璃钢固体废弃物原料的要求较高,具有一定的局限性。物理回收工艺只能处理相对纯净的玻璃钢固体废弃物,对污染的玻璃钢固体废弃物,需要先进行预处理,满足要求后才能进行物理回收。

(三)化学回收工艺

化学回收工艺主要通过化学方法,将粉碎后的玻璃钢固体废弃物中的合成树脂,分解成气态小分子化合物,从而将其中纤维分离出来。主要方法有水解法、热解法、氨解法、醇解法等。

水解法是将玻璃钢固体废弃物放入超临界水中,在高温高压环境中,玻璃钢固体废弃物水解,分离得到玻璃纤维等固态物质。加入合适的催化剂可降低反应温度和压力,目前效果最佳的催化剂是氢氧化钠,在反应温度、压力和时间一定的情况下,氢氧化钠催化剂分解效率最佳。

热解法是在无氧环境下,加热分解玻璃钢固体废弃物,一般加热到500℃左右时产生热解气,当温度达到700℃左右时则出现液体和固体产物[13]。热解得到的液体可作为燃料,固体可作为填充物再利用。由于热解法所需温度较高,对反应设备要求严苛。在玻璃钢固体废弃物热解实验中,引入水蒸气作为热源,可以使玻璃钢固体废弃物均匀受热,达到300℃左右即可实现热解。

氨解法是在氨化剂作用下,溶解玻璃钢固体废弃物中聚酯类物质,通过过滤等方法,将聚酯类物质分离出来,实现再利用。

醇解法是将玻璃钢固体废弃物通过粉碎机粉碎后加入乙二醇溶液中,在高温环境和碱催化剂作用下,玻璃钢固体废弃物中的树脂类被分解,分解产物可直接加入丁烯二酸类物质,生成不饱和聚酯,实现再利用。

化学回收工艺中水解法、氨解法和醇解法处理玻璃钢固体废弃物,都是将玻璃钢固体废弃物中树脂类材料分解。化学回收工艺处理玻璃钢固体废弃物的优点是对原料要求低,各种粒度和纯度的玻璃钢废弃物都可采用化学回收工艺进行处理,但此工艺方法成本较大,不利于大范围推广使用。

二、结论

玻璃钢固体废弃物资源化的方法,主要有能量回收、物理回收、化学回收等工艺,这几种工艺方法各有优劣。能量回收工艺处理方法简单,但对燃烧炉等设备要求相对较高;物理回收工艺技术相对简单,能达到玻璃钢固体废弃物的可持续利用,对设备要求相对较低,能满足环境要求,但对玻璃钢固体废弃物原料的要求较高,具有一定局限性;化学回收工艺对玻璃钢固体废弃物原料要求低,但成本较大。根据玻璃钢固体废弃物不同的原料成分及处理要求选择合适的处理技术,是目前较为普遍的处理方法。

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