تأثير البناء والهدم نفايات الجزيئات البلاستيكية على خصائص الخشب والبوليمر المركب
Summary
وقد تبين أن تدفقات المواد الثانوية تتضمن مواد أولية محتملة للإنتاج. هنا هو بروتوكول الذي يتم تحديد النفايات البلاستيكية CDW كمادة خام، تليها خطوات معالجة مختلفة (التجمع، البثق). ونتيجة لذلك، تم إنتاج مادة مركبة، وتم تحليل الخصائص الميكانيكية.
Abstract
نفايات البناء والهدم، بما في ذلك المواد القيمة مثل البلاستيك، لها تأثير ملحوظ على قطاع النفايات. من أجل المواد البلاستيكية التي يمكن إعادة استخدامها، يجب تحديدها وفصلها وفقا لتكوين البوليمر. وفي هذه الدراسة، تم تحديد هذه المواد باستخدام التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة من الأشعة تحت الحمراء (NIR)، الذي حدد المواد استناداً إلى خصائصها الفيزيائية والكيميائية. مزايا طريقة NIR هي تأثير بيئي منخفض وقياس سريع (في غضون ثوان قليلة) في النطاق الطيفي من 1600-2400 نانومتر دون إعداد عينة خاصة. وتشمل القيود عدم قدرتها على تحليل المواد المظلمة. وقد استخدمت البوليمرات المحددة كمكون للخشب البوليمر المركب (WPC) الذي يتكون من مصفوفة البوليمر، حشوات منخفضة التكلفة، والمواد المضافة. وتضاعفت المكونات أولاً مع جهاز التكتل، يليه الإنتاج عن طريق البثق. في عملية التكتل ، كان الهدف هو مضاعفة جميع المواد لإنتاج مواد موزعة ومحببة بشكل موحد ككريات. خلال عملية التكتل ، تم ذوبان البوليمر (المصفوفة) ثم تم خلط الحشوات وغيرها من المواد المضافة في البوليمر الذائب ، حيث تكون جاهزة لعملية البثق. في طريقة البثق، تم تطبيق الحرارة والتهز القوات على مادة داخل برميل من مخروطية مضادة للبرغي المزدوج نوع الطارد، مما يقلل من خطر حرق المواد وانخفاض الاختلاط القص. ثم تم نقل الخليط الساخن والم القص من خلال يموت لإعطاء المنتج الشكل المطلوب. 10 – أثبت البروتوكول المذكور أعلاه إمكانية إعادة استخدام مواد برنامج الطاقة النظيفة. يجب التحقق من الخصائص الوظيفية وفقا للاختبارات الموحدة، مثل الثنية، الشد، واختبارات قوة التأثير للمادة.
Introduction
وقد نما توليد النفايات على الصعيد العالمي بشكل كبير على مر التاريخ، ومن المتوقع أن يزداد بعشرات النسب المئوية في المستقبل ما لم يتم اتخاذ إجراءات1. وعلى وجه الخصوص، فإن البلدان المرتفعة الدخل قد ولدت أكثر من ثلث النفايات في العالم على الرغم من أنها لا تمثل سوى 16 في المائة من سكان العالم1. وقطاع البناء منتج هام لهذه النفايات بسبب التوسع الحضري السريع والنمو السكاني. ووفقا للتقديرات، فإن ما يقرب من ثلث النفايات الصلبة العالمية تتشكل من مشاريع البناء والهدم؛ ومع ذلك، القيم الدقيقة من مناطق مختلفة مفقودة2. في الاتحاد الأوروبي (EU)، كمية نفايات البناء والهدم (CDW) حوالي 25٪ -30٪ من إجمالي النفايات توليد3،وتشمل قيمة وكبيرة المواد الخام الثانوية، مثل البلاستيك. وبدون جمع وإدارة منظمين، قد يلوث البلاستيك النظم الإيكولوجية ويؤثر عليها سلبا. في عام 2016، تم توليد 242 مليون طن من النفايات البلاستيكية في العالم1. وكانت حصة البلاستيك المعاد تدويره في أوروبا فقط 31.1٪4.
وقد أدت ندرة الموارد إلى نشوء حاجة إلى تغيير الممارسات نحو اقتصاد دائري، حيث تهدف إلى استخدام النفايات كمصدر للموارد الثانوية واستعادة النفايات من أجل إعادة استخدامها. وسينشأ النمو الاقتصادي والآثار البيئية إلى أدنى حد من خلال الاقتصاد الدائري، وهو مفهوم شائع في أوروبا. واعتمدت المفوضية الأوروبية خطة عمل للاتحاد الأوروبي من أجل اقتصاد دائري، تحدد الأهداف والمؤشرات للمساهمات5.
وتسهم الأنظمة والقوانين البيئية الأكثر صرامة في قطاع البناء في بذل المزيد من الجهد في قضايا إدارة النفايات وإعادة تدوير المواد. فعلى سبيل المثال، حدد الاتحاد الأوروبي أهدافاً لاسترداد المواد. من عام 2020 فصاعدا، ينبغي أن يكون معدل استرداد المواد من CDW غير الخطرة 70٪6. وقد يختلف تكوين الـ CDW اختلافاً كبيراً من حيث المواقع الجغرافية، ولكن يمكن تحديد بعض الخصائص المشتركة، بما في ذلك، على سبيل المثال، البلاستيك الذي هو مادة خام محتملة وقيمة لمركبات الأخشاب والبوليمرات. إعادة استخدام البلاستيك هو خطوة ملموسة نحو اقتصاد دائري حيث يتم استبدال البوليمرات البلاستيكية البكر من البوليمر المعاد تدويرها.
المواد المركبة هي نظام متعدد المراحل ، ويتألف من مادة مصفوفة ومرحلة التعزيز. الخشب البوليمر المركب (WPC) وعادة ما تحتوي على البوليمرات والمصفوفة ، والمواد الخشبية كتعزيز ، والمواد المضافة لتحسين التصاق ، مثل عوامل اقتران ومواد التشحيم. ويمكن أن يعرف WPC كمادة صديقة للبيئة لأن المواد الخام يمكن أن يكون مصدرها من المواد المتجددة، مثل حمض متعدد الولاتيك (جيش التحرير الشعبي) والخشب. وفقا لأحدث الابتكارات7، يمكن أن تستند إضافات WPC على مصادر متجددة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إعادة تدوير مصدر المواد الخام (غير عذراء) المواد ، وهو بديل أفضل بيئيا وتقنيا8. على سبيل المثال، درس الباحثون WPC مقذوف يحتوي على CDW، ووجدت أن خصائص المركبات المستندة إلى CDW كانت في مستوى مقبول9. كما أن استخدام المواد الخام المعاد تدويرها كعنصر من عناصر مؤتمر ال WPC هو أيضاً استخدام مقبول من الجانب البيئي، كما أثبتت عدة تقييمات. عموما، وقد ثبت أن استخدام CDW في إنتاج WPC يمكن أن تقلل من التأثيرات البيئية لإدارة CDW10. وبالإضافة إلى ذلك، فقد وجد أن استخدام البولي بروبلين المعاد تدويرها (PP) البلاستيك في WPC لديه القدرة على الحد من الاحترار العالمي11.
وسوف تزيد كمية البوليمرات المعاد تدويرها المتاحة في المستقبل. وقد زاد الإنتاج العالمي من البلاستيك حوالي 9٪ سنويا، في المتوسط، ومن المتوقع أن تستمر هذه الزيادة في المستقبل12. وأكثر أنواع البوليمرات البلاستيكية شيوعاً هي، في جملة أمور، البولي بروبلين (PP) والبولي إيثيلين (PE). وكانت أسهم إجمالي الطلب على الـPE وPP 29.8% و19.3% على التوالي، في أوروبا في عام 20174. من المتوقع أن ينمو السوق العالمي لإعادة تدوير البلاستيك بمعدل نمو سنوي قدره 5.6٪ خلال الفترة 2018-202613. أحد التطبيقات الرئيسية التي تستخدم فيها البلاستيك هو البناء والبناء. على سبيل المثال، ارتبط ما يقرب من 20٪ من إجمالي الطلب على البلاستيك الأوروبي مع تطبيقات البناء والتشييد4. من منظور اقتصادي، واستخدام البوليمرات المعاد تدويرها في تصنيع WPC هو بديل مثير للاهتمام، مما يؤدي إلى إنتاج المواد بتكلفة منخفضة. وقد أظهرت الأبحاث السابقة أن الآثار المادية لها تأثير أقوى على المواد المقذوفة المصنوعة من البلاستيك الثانوي مقارنة مع المواد العذراء المقابلة، ولكن خصائص تعتمد على مصدر البلاستيك14. ومع ذلك ، فإن استخدام البلاستيك المعاد تدويره يقلل من قوة WPC بسبب انخفاض التوافق15. الاختلاف بين هياكل البوليمرات البلاستيكية يسبب مخاوف لإعادة الاستخدام وإعادة التدوير، مما يساهم في أهمية الفرز البلاستيكي على أساس البوليمر.
تهدف هذه الدراسة إلى تقييم استخدام المواد البلاستيكية من CDW كمادة خام ل WPC. كسور البوليمر التي تم تقييمها في الدراسة هي الاكريلونيتريل بوتاديين الستايرين (ABS) ، البولي بروبلين (PP) ، والبولي ايثيلين (PE). وتعرف هذه الكسور البلاستيكية العالمية داخل CDW. يتم التعامل مع كسور البوليمر مع عمليات التصنيع العامة، مثل التكتل والبثق، ويتم اختبارها مع اختبارات الملكية الميكانيكية العالمية. والهدف الرئيسي من الدراسة هو اكتشاف كيف يمكن أن تتغير خصائص WPC إذا تم استخدام البوليمرات المعاد تدويرها كمادة خام في المصفوفة بدلاً من البوليمرات البكر الأولية.
واستنادا إلى مركز إدارة النفايات (المحلي) (Etelä-Karjalan Jätehuolto Oy)، فقد تبين كيف يتم تخزين CDW الغنية بالبلاستيك. وقد ثبت أن كمية كبيرة من المواد البلاستيكية مدرجة وبعض الأمثلة على البوليمرات البلاستيكية CDW تم عرضها. جمع الباحثون البوليمرات الأكثر ملاءمة لمزيد من المعالجة، مثل ABS، PP، وPE. تم تحديد البوليمرات المطلوبة (PE، PP، ABS) باستخدام مطياف الأشعة تحت الحمراء (NIR) المحمولة. وقدمت أمثلة عن منتجات WPC حيث يمكن استخدام المواد البلاستيكية المجمعة كمادة خام. وشرحت اللجنة تعريف المركب ومزاياه.
Protocol
Representative Results
Discussion
تلعب الخواص الميكانيكية لـ WPC دورًا مهمًا في تحديد مدى ملاءمة هذه المنتجات في التطبيقات المختلفة. تتكون WPC من ثلاثة مكونات رئيسية: البلاستيك والخشب والمواد المضافة. تعتمد الخصائص الميكانيكية للمركبات القائمة على الألياف على طول الألياف المستخدمة ، حيث “طول الألياف الحرجة” هو المصطلح المس?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يعترف المؤلفون بدعم منصة البحث LUT RESOURCE (عمليات الإنتاج الفعالة للموارد وسلاسل القيمة) التي تنسقها جامعة LUT و IP Life ON WASTE -نحو اقتصاد دائري في فنلندا (LIFE-IP CIRCWASTE-FINLAND) (LIFE 15 IPE FI 004). وقد تم تلقي التمويل للمشروع من برنامج الاتحاد الأوروبي المتكامل للحياة والشركات والمدن.
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).
