ההשפעה של בנייה והריסה פסולת פסולת פלסטיק שברים על עץ פולימר תכונות מרוכבות
Summary
זרמי חומר משניים הראו לכלול חומרי גלם פוטנציאליים לייצור. מוצג כאן פרוטוקול שבו פסולת פלסטיק CDW כחומר גלם מזוהה, ואחריו שלבי עיבוד שונים (agglomeration, הבלטה). כתוצאה מכך, הופק חומר מרוכב, ומאפיינים מכניים נותחו.
Abstract
לבנייה ולפסולת הריסה (CDW), כולל חומרים יקרי ערך כגון פלסטיק, יש השפעה יוצאת דופן על מגזר הפסולת. על מנת שיהיה שימוש חוזר בחומרים פלסטיים, יש לזהות אותם ולהפריד אותם בהתאם להרכב הפולימר שלהם. במחקר זה, זיהוי חומרים אלה בוצע באמצעות ספקטרוסקופיה כמעט אינפרא אדום (NIR), אשר זיהה חומר המבוסס על תכונותיהם הפיזיקליות כימיות. היתרונות של שיטת NIR הם השפעה סביבתית נמוכה ומדידה מהירה (בתוך שניות ספורות) בטווח הספקטרלי של 1600-2400 000 000 00:00:00,000 ללא הכנה מיוחדת לדגימה. המגבלות כוללות את חוסר היכולת לנתח חומרים כהים. הפולימרים שזוהו נוצלו כרכיב עבור עץ פולימר מורכב מטריצת פולימר, חומרי מילוי בעלות נמוכה, ותוספים. הרכיבים היו מורכבים תחילה עם מערכת agglomeration, ואחריו ייצור על ידי הבלטה. בתהליך ההתגלות, המטרה הייתה לסבך את כל החומרים כדי לייצר חומרים מופצות ומגורענים באופן אחיד ככדורים. במהלך תהליך ההתגלמות, הפולימר (מטריצה) נמס חומרי מילוי ותוספים אחרים היו מעורבבים אז לתוך הפולימר נמס, להיות מוכן לתהליך ההבלטה. בשיטת ההבלטה, כוחות חום וגיזה הוחלו על חומר בתוך החבית של הבלטה של סוג תאום מסתובב נגדי חרוטי, מה שמפחית את הסיכון של שריפת החומרים ערבוב גריסה נמוכה יותר. התערובת המחוממת והמטויה הועברה לאחר מכן דרך למות כדי לתת למוצר את הצורה הרצויה. הפרוטוקול שתואר לעיל הוכיח את הפוטנציאל לניצול מחדש של חומרי CDW. יש לאמת מאפיינים פונקציונליים בהתאם לבדיקות הסטנדרטיות, כגון בדיקות גמישות, מתיחה וכוח השפעה עבור החומר.
Introduction
ייצור הפסולת העולמית גדל באופן משמעותי לאורך ההיסטוריה וצפוי לגדול בעשרות אחוזים בעתיד, אלא אם כן יינקטוצעדים 1. בפרט, מדינות בעלות הכנסה גבוהה יצרו יותר משליש מהפסולת העולמית, למרות שהן מהוות רק 16% מהאוכלוסייה העולמית1. ענף הבנייה הוא יצרנית משמעותית של פסולת זו בשל עיור מהיר ותונוכות האוכלוסייה. על פי הערכות, כשליש מהפסולת המוצקה הגלובלית נוצרת על ידי פרויקטים של בנייה והריסה; עם זאת, ערכים מדויקים אזורים שוניםחסרים 2. באיחוד האירופי (האיחוד האירופי), כמות פסולת הבנייה וההריסה (CDW) היא כ-25%-30% מכללפסולת דור 3, וכוללת חומרי גלם משניים יקרי ערך ומשמעותיים, כמו פלסטיק. ללא איסוף וניהול מאורגנים, פלסטיק עלול לזהם ולהשפיע לרעה על מערכות אקולוגיות. בשנת 2016, 242 מיליון טונות של פסולת פלסטיק נוצרובעולם 1. חלקו של הפלסטיק הממוחזר באירופה היה 31.1%בלבד.
מחסור במשאבים יצר צורך לשנות את הנהלים כלפי כלכלה מעגלית, שבה המטרות הן להשתמש בפסולת כמקור למשאבים משניים ולהשבת פסולת לשימוש חוזר. צמיחה כלכלית והשפעות סביבתיות ממוזערות ייווצמו על ידי הכלכלה המעגלית, שהיא מושג פופולרי באירופה. הנציבות האירופית אימצה תוכנית פעולה של האיחוד האירופי לכלכלה מעגלית, אשר הציבה יעדים ואינדיקטורים לתרומות5.
תקנות וחוקים סביבתיים הדוקים יותר תורמים לענף הבנייה ומאמץ רב יותר בניהול פסולת ובנושאים של מיחזור חומרים. לדוגמה, האיחוד האירופי (EU) הציב יעדים לשחזור חומרים. החל מתוך שנת 2020 ואילך, שיעור ההתאוששות החומרית של CDW לא מסוכן צריך להיות 70%6. הרכב CDW עשוי להשתנות באופן נרחב על פני מיקומים גיאוגרפיים, אבל כמה מאפיינים נפוצים ניתן לזהות, כולל, למשל, פלסטיק שהוא חומר גלם פוטנציאלי ויקר עבור מרוכבים עץ פולימר. שימוש מחדש בפלסטיק הוא צעד קונקרטי לקראת כלכלה מעגלית שבה פולימרים מפלסטיק בתולי מוחלף בפולימר ממוחזר.
חומרים מרוכבים הם מערכת רב-שלבית, המורכבת מחומר מטריצה ושלב חיזוק. עץ פולימר מרוכבים (WPC) מכיל בדרך כלל פולימרים כמו המטריצה, חומרי עץ כחיזוק, ותוספים לשיפור ההדבקה, כגון סוכני צימוד וחומרי סיכה. WPC יכול להיות ידוע כחומר ידידותי לסביבה כי חומר הגלם יכול להיות מקור חומרים מתחדשים, כגון חומצה פולילקטית (PLA) ועץ. על פי החידוש האחרון7, התוספים של WPC יכול להיות מבוסס על מקורות מתחדשים. בנוסף, המקור של חומר הגלם ניתן למחזר (לא בתולה) חומרים, שהוא חלופה אקולוגית וטכנית מעולה8. לדוגמה, חוקרים חקרו WPC בולט המכיל CDW, ומצאו כי המאפיינים של מרוכבים מבוססי CDW היו ברמהמקובלת 9. ניצול חומרי גלם ממוחזרים כרכיב עבור WPC מקובל גם מההיבט הסביבתי, כפי שהוכיחו מספר הערכות. בסך הכל, הוכח כי ניצול CDW בייצור WPC יכול להקטין את ההשפעות הסביבתיות של ניהול CDW10. בנוסף, נמצא כי באמצעות פוליפרופילן ממוחזר (PP) פלסטיק ב WPC יש פוטנציאל להפחית את ההתחממות הגלובלית11.
כמות הפולימרים הממוחזרים הזמינים תגדל בעתיד. ייצור הפלסטיק העולמי גדל בכ-9% בהתאם לשנה, בממוצע, וצפוי כי ההפרשה הזו תימשךבעתיד ב-12 . סוגי פולימר פלסטיק כלליים ביותר הם, בין היתר, פוליפרופילן (PP) ופוליאתילן (PE). המניות של הביקוש הכולל ל-PE ו-PP היו 29.8% ו-19.3%,בהתאמה,באירופה ב-2017. שוק מיחזור הפלסטיק העולמי צפוי לצמוח בקצב צמיחה שנתי של 5.6% בתקופה ש2018-2026. אחד היישומים העיקריים בהם נעשה שימוש בפלסטיק הוא בנייה ובנייה. לדוגמה, כמעט 20% מהביקוש הכולל לפלסטיק אירופאי היה קשור ליישומים לבנייה ובנייה4. מנקודת מבט כלכלית, השימוש בפולימרים ממוחזרים בייצור WPC הוא אלטרנטיבה מעניינת, המובילה לייצור חומרים בעלות נמוכה. מחקרים קודמים הראו כי השפעות פיזיות יש השפעה חזקה יותר על חומרים extruded עשוי פלסטיק משני לעומת החומר הבתולה המתאים, אבל תכונות תלויות מקור פלסטיק14. עם זאת, השימוש בפלסטיק ממוחזר מפחית את כוחו של WPC בשל תאימות נמוכה יותר15. וריאציה בין המבנים של פולימרים פלסטיק גורמת חששות לשימוש חוזר ומיחזור, אשר תורמים לחשיבות של מיון פלסטיק המבוסס על הפולימר.
מחקר זה מתכוון להעריך את הניצול של חומר פלסטיק מ CDW כחומר גלם עבור WPC. שברי פולימר המוערכים במחקר הם acrylonitrile סטירן בודין (ABS), פוליפרופילן (PP), פוליאתילן (PE). אלה ידועים כשברים אוניברסליים פלסטיק בתוך CDW. השברים פולימר מטופלים עם תהליכי ייצור כלליים, כגון agglomeration ו- שבלט, ונבדקו עם בדיקות רכוש מכני אוניברסלי. המטרה העיקרית של המחקר היא לגלות כיצד המאפיינים של WPC ישתנו אם פולימרים ממוחזרים שימשו כחומר גלם במטריקס במקום פולימרים בתוליים ראשוניים.
בהתבסס על (מקומי) מרכז ניהול פסולת (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy), זה הראה איך CDW עשיר בפלסטיק מאוחסן. הוכח כי כמות גדולה חומר פלסטיק כלול וכמה דוגמאות של פולימרים פלסטיק CDW הוצגו. החוקרים אספו את הפולימרים המתאימים ביותר לעיבוד נוסף, כגון ABS, PP ו-PE. הפולימרים הרצויים (PE, PP, ABS) זוהו באמצעות ספקטרוסקופיה ניידת ליד אינפרא אדום (NIR). דוגמאות למוצרי WPC הוצגו בהן ניתן היה לנצל חומרי פלסטיק שנאספו כחומר גלם. ההגדרה של המורכבות ויתרונותיו הוסברה.
Protocol
Representative Results
Discussion
המאפיינים המכניים של WPC לשחק תפקיד חשוב בהחלטה על התאמת מוצרים אלה ביישומים שונים. WPC מורכב משלושה מרכיבים עיקריים: פלסטיק, עץ ותוספים. המאפיינים המכניים של מרוכבים מבוססי סיבים תלויים באורך הסיבים המשומשים, כאשר “אורך סיבים קריטי” הוא המונח המשמש לציון חיזוק מספיק25. בנוסף למא?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מכירים בתמיכה של משאב LUT (תהליכי ייצור יעילים במשאבים ושרשראות ערך) פלטפורמת מחקר מתואמת על ידי אוניברסיטת LUT ועל ידי ה-IP החיים על פסולת – לקראת כלכלה מעגלית בפינלנד (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) פרויקט (חיים 15 IPE FI 004). המימון לפרויקט התקבל מהתוכנית המשולבת של האיחוד האירופי, חברות וערים.
Materials
| Agglomeration | Plasmec | TRL100/FV/W | apparatus of turbomixer |
| Agglomeration | Plasmec | RFV 200 | apparatus of cooler |
| CNC router | Recontech | F2 – 1325 C | CNC machine |
| Condition chamber | Memmert | HPP260 | constant climate chamber |
| Coupling agent | DuPont | Fusabond E226 | commercial coupling agent additive |
| Crusher 1 (crusher/shredder ) | Untha | Untha LR 630 | 10-20 mm sieve |
| Crusher 2 (low-speed crusher) | Shini | Shini SG-1635N-CE | 5 mm sieve, granulator |
| Extruder | Weber | Weber CE 7.2 | conical counter-rotating twin-screw |
| Lubricant | Struktol | TPW 113 | commercial lubricant additive |
| NIR spectroscopy | Thermo Fisher Scientific | Thermo Scientific microPHAZIR PC | |
| Recycled material ABS from CDW | |||
| Recycled material PE from CDW | |||
| Recycled material PP from CDW | |||
| Sliding table saw | Altendorf | F-90 | circular saw/sliding table saw |
| Testing apparatus | Zwick | 5102 | impact tester |
| Testing machine | Zwick Roell | Z020 | allround-line materials testing machine |
| Wood flour (Spruce) material | |||
| WPC example material | UPM Profi | Decking board |
References
- The World Bank. What a Waste 2.0: A Global Snapshot of Solid Waste Management to 2050. International Bank for Reconstruction and Development/The World Bank. , (2018).
- Llatas, C. A model for quantifying construction waste in projects according to the European waste list. Waste Management. 31, 1261-1276 (2011).
- Waste streams, Construction and Demolition Waste (CDW). European Commission (EC) Available from: https://ec.europa.eu/environment/waste/construction_demolition.htm (2019)
- Plastics – the Facts 2018. PlasticsEurope Available from: https://www.plasticseurope.org/application/files/6315/4510/9658/Plastics_the_facts_2018_AF_web.pdf (2018)
- European Commission (EC). Communication from the Commission to the European Parliament, the Council the European Economic and Social Committee and the committee and the Committee of the Regions, COM. European Commission (EC). , (2015).
- Directive 2008/98/EC. European Union (EU) Available from: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:32008L0098&from=EN (2008)
- Anugwom, I., et al. Lignin as a functional additive in a biocomposite: Influence on mechanical properties of polylactic acid composites. Industrial Crops & Products. 140, 111704 (2019).
- Sommerhuber, P. F., et al. Life cycle assessment of wood-plastic composites: Analysing alternative materials and identifying an environmental sound end-of-life option. Resources, Conservation and Recycling. 117, 235-248 (2017).
- Hyvärinen, M., et al. The effect of the use of construction and demolition waste on the mechanical and moisture properties of a wood-plastic composite. Composites Structures. 210, 321-326 (2019).
- Liikanen, M., et al. Construction and demolition waste as a raw material for wood polymer composites – Assessment of environmental impacts. Journal of Cleaner Production. 225, 716-727 (2019).
- Väntsi, O., Kärki, T. Environmental assessment of recycled mineral wool and polypropylene utilized in wood polymer composites. Resources, Conservation and Recycling. 104, 38-48 (2015).
- Geyer, R., et al. Production, use and fate of all plastics ever made. Science Advances. 3, 1-5 (2017).
- Global Plastic Recycling Market: Snapshot. Transparency Market Research Available from: https://www.transparencymarketresearch.com/plastic-recycling-market.html (2018)
- Turku, I., et al. Durability of wood plastic composites manufactured from recycled plastic. Heliyon. 4, (2018).
- Turku, I., et al. Characterization of wood plastic composites manufactured from recycled plastic blends. Composite Structures. 161, 469-476 (2017).
- National Standards Authority of Ireland. CEN – EN 15534-1:2014 + A1:2017, Composites made from cellulose-based materials and thermoplastics (usually called wood-polymer composites (WPC) or natural fibre composites (NFC)) – Part 1: Test methods for characterisation of compounds and products. National Standards Authority of Ireland. , (2014).
- International Organization for Standardization. EN 310:1993, Wood-based panels – Determination of modulus of elasticity in bending and of bending strength. International Organization for Standardization. , (1993).
- International Organization for Standardization. EN ISO 527 2, Plastics – Determination of tensile properties – Part 2: Test conditions for moulding and extrusion plastics. International Organization for Standardization. , (2012).
- International Organization for Standardization. EN ISO 179-1, Plastics – Determination of Charpy impact properties – Part 1: Non-instrumented impact test. International Organization for Standardization. , (2010).
- International Organization for Standardization. EN ISO 291, Plastics – Standard atmospheres for conditioning and testing. International Organization for Standardization. , (2008).
- Klyosov, A. A., Klyosov, A. A. Composition of Wood-Plastic Composite Deck Boards: Thermoplastic. Wood-plastic composites. , 50-74 (2007).
- Martikka, O., et al. Improving durability of wood-mixed waste plastic composites with compatibilizers. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 490, 1-9 (2019).
- Martikka, O., Kärki, T. Promoting recycling of mixed waste polymers in wood-polymer composites using compatibilizers. Recycling. 4, (2019).
- Keener, T. J., et al. Maleated coupling agents for natural fibre composites. Composites: Part A. 35, 357-362 (2004).
- Sain, M., Pervaiz, M., Oksman Niska, K., Sain, M. Mechanical properties of wood-polymer composites. Wood-polymer composites. , 101-117 (2008).
- Rocha, D. B., Rosa, D. S. Coupling effect of starch coated fibers for recycled polymer/wood composites. Composites: Part B. 172, 1-8 (2019).
- International Organization for Standardization. EN ISO 178:2010, Plastics – Determination of flexural properties. International Organization for Standardization. , (2010).
- Klyosov, A. A., Klyosov, A. A. Flexural Strength (MOR) and Flexural Modulus (MOE) of Composite Materials and Profiles. Wood-plastic composites. , 225-318 (2007).
