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废弃物资源化

李如燕  
【摘要】:发展循环经济、建立循环型社会是实施可持续发展战略的重要途径,是我国全面建设小康社会,走新型工业化道路的必由之路。循环经济最重要的实际操作原则是废弃物的“减量化、再利用、再循环”。 铸造水玻璃旧砂因处理成本较高和处理后质量下降等原因,使其再生后回用受到限制,有一部份旧砂只能丢弃,铸造废砂丢弃堆放会因其碱性造成对环境的污染。农用地膜的残留也是一个综合性的严重问题。铸造废砂和废旧农膜目前采用分别再生的方法,不够经济、简便和有效。 本课题的目标是探索一条低成本、高效率综合利用铸造水玻璃废砂和农用废旧地膜的新途径,对其基础理论进行探讨。主要的思路是:把铸造废砂作为填料、废旧地膜作为基体,以一种简单可行的方式制备成能实际应用的复合材料。 早在1995年“全国社会发展科技工作会议”上通过的,拟在1996-2010年期间组织实施的《资源综合利用科技专项行动》中提到:战略研究重点之一为“通过不同废弃物间复合机理和复合工艺技术的研究,开发废弃物聚合物基复合材料、硅酸盐基复合材料和金属基复合材料系列产品”,并具体提出了需要攻克的关键技术。在2004年国家发改委和国家科技部联合公布的《当前优先发展的高科技产业化重点领域指南》中也提到:“近期产业化的重点是用废弃物生产复合材料、……”。 本论文根据当前国家发展循环经济大方向下倡导的研究方向,开展综合利用铸造废砂和废旧地膜制备复合材料的应用基础研究,并使理论研究的成果能用于指导生产实践。本论文的研究课题是2000年国家自然科学基金资助的项目《铸造废弃物资源化的应用基础研究》(项目批准号:59965002)。在该研究成果的基础上,又发展成为国家科技部下达的国家级火炬计划项目《废弃物复合材料产品及生产线》,以及国家经贸委下达的国家级资源节约与环境保护重大示范工程项目《利用废塑料和工业废砂生产复合材料》。该课题也是废弃物资源化国家工程研究中心在实施“创建中国的二次资源谷”计划中,研究再生循环经济产业链的一个重要环节。 通过X射线衍射分析、红外光谱分析、热分析、电镜及能谱分析、图像分析,可以判断废旧地膜上粘附土的主要矿物质是结晶二氧化硅(粉粒级石英),它们与聚合物基废弃物复合材料中作为填料的铸造石英砂的性状类同。废旧地膜可以不经清洗,直接与铸造废砂制备复合材料,这可大大降低复合材料的加工成本。这种复合材料实际上是由基体PE、粘附土中大量的SiO2和铸造石英砂SiO2组成的三元复合体系。 土粒和砂粒混合物的空隙就是基体塑料要填充的体积,这部分体积越小,所用废旧地膜越少,复合材料的原料成本也就越低。砂粒和土粒堆积实验证明:砂粒和土粒混合物空隙率随砂粒在混合物中重量百分比的增加而减少。在砂土混合物中砂粒的重量百分比为50%左右时,实际空隙率比理论空隙率小。 土/塑复合体系的弯曲强度、拉伸强度和弹性模量,随粘附土在废旧地膜中重量比的增加而增加,但伸长率却急剧下降。含泥量超过50%时,土/塑复合体系的弯曲强度开始下降,而伸长率趋于零。大量实验表明:地膜含泥量不能超过60%,超过这个比例时,复合材料的制备十分困难。保持塑料基体40%的重量比不变,随着含砂量的增加和含土量的减少,复合材料的弯曲强度和拉伸强度先增加后下降,拉伸弹性模量只有小幅度下降,而伸长率则变化不大。在云南省收购到的废旧地膜的含泥量一般为60-75%,经简单处理后即可使含泥量控制在50%左右,加入占复合材料总重量20%的铸造废砂,可以制得综合力学性能较好的复合材料。此配比下,废塑料的用量较少,复合材料制备成本较低。 在昆明地区将地膜人工加速老化和自然老化对比,聚乙烯地膜拉伸强度保持率随老化时间的增加而下降,拉伸强度保持率为50%的氙灯光源曝露试验时间为22天,相当于自然气候曝露试验时间310天。由于地膜一般只使用一季,所以利用当年回收的废旧地膜制备铸造废砂/废旧地膜复合材料是可行的。 用600℃的温度加热5-10分钟后,再用50Hz的频率振动4分钟,可有效地除去覆盖在铸造水玻璃废砂表面的大部分惰性膜,可达到45%左右的脱膜率,破碎率小于6%。经脱膜预处理过的铸造废砂,用偶联剂进行表面改性后,可在不同程度上提高铸造废砂/废旧地膜复合材料的强度。比较后选定KH-560为实际用偶联剂,合适的偶联剂用量为废砂重量的1.5%。它使复合材料的弯曲强度增加21.79%,拉伸强度增加36.06%。试验结果验证了硅烷偶联剂可先不水解的机理分析,即硅烷偶联剂可以在无水的条件下通过缩合反应,与砂粒表面形成有机硅的单分子层后,再在有水分存在的条件下通过偶联剂自身的均聚脱水反应,形成覆盖在砂粒表面的均聚有机分子膜层,最后与聚乙烯基体的大分子发生物理缠结。 研究构件疲劳寿命的两个重要参数是应力和循环次数,为此实测了车辆通过时的载荷谱,并参照有关交通部门的相关数据现场调查了车流量,采用雨流计数法、Goodman方程、Miner方程、S-N曲线等方法原理组成的程序,进行井盖疲劳寿命的计算。并进一步研究了地表温度、井盖的破坏载荷、井盖极限强度与疲劳极限的关系数k、车辆载荷、车流量、车型组合等对井盖疲劳寿命的影响。通过疲劳试验和实际使用获得的井盖疲劳寿命实验值相比较,验证所设计的井盖疲劳寿命计算方法的可行性和可靠性;大量计算和实践验证,提出了极限强度与疲劳极限的经验关系数k为0.32。在实际应用中,当缺乏疲劳极限数据时,可用本论文得到的经验公式来估算铸造废砂/废旧地膜复合材料井盖的疲劳寿命。 根据本论文基础理论研究的成果,探索出一条废弃物综合利用的途径,实现了产业化,建造了废弃物处理量分别为2500吨/年、2000吨/年、1500吨/年的三条生产线,已创造经济效益4000余万元,产品在全国范围进行推广,得到了社会的认可。本论文关于铸造废砂/废旧地膜复合材料井盖的研究结果,已被用于国家建设部发布实施的行业标准:《聚合物基复合材料检查井盖》(CJ/T211-2005)和《聚合物基复合材料水箅》(CJ/T212-2005)。 用铸造废砂/废旧地膜复合材料制造的产品,95%以上的原材料都是废弃物,既保护了环境,又节约了资源,具有明显的环境、社会和经济效益。


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