Полистирол қалдықтарын пиролиздеу кезінде сұйық өнімдердің пайда болуына технологиялық параметрлердің әсерін талдау

Толық мәтін

Введение

Разработка эффективных методов утилизации пластиковых отходов до сих пор является одной из наиболее значимых экологических и технологических задач мировой промышленности. Согласно отчету Plastic Overshoot Day 2025 [1], в мире в 2025 г. достигло отметки порядка 225 млн т пластиковых отходов в связи использованием одноразовой упаковки, бытовых изделий и текстиля. В среднем это соответствует 28,6 кг отходов на одного человека в год. При этом около 72 млн т, или 31,9%, могут быть неправильно утилизированы, т.е. попасть на неконтролируемые свалки, в окружающую среду или быть сожжены вне современных систем очистки выбросов. Эти показатели демонстрируют разрыв между объёмом образования пластиковых отходов и мировой системой сбора, сортировки и переработки.

По данным Министерства экологии и природных ресурсов Республики Казахстан, ежегодно в стране образуется более 4,5 млн т твёрдых бытовых отходов (далее – ТБО), из которых переработано и утилизировано около 28,6% [2]. За этот год в стране функционировало 2755 полигонов ТБО, из которых 19,6% соответствовали экологическим и санитарным нормам [3]. Представленная статистика подтверждает, что при сохранении текущих темпов ресайклинга часть ТБО выводится из ресурсного оборота и депонируется на полигонах. Особую актуальность приобретает поиск эффективных решений для переработки проблемных полистирольных отходов.

Полистирол и вспененный полистирол широко применяются при производстве одноразовой посуды, пищевых контейнеров, упаковочных материалов, теплоизоляционных плит и защитной транспортной упаковки. Значительная часть таких изделий относится к продукции кратковременного использования, поэтому после эксплуатации переходит в поток ТБО. Механическая переработка вспененного и обычного полистирола осложняется его низкой плотностью, загрязнённостью, большим объёмом при малой массе и сравнительно низкой экономической привлекательностью сбора.

Возрастает значений технологий, позволяющих получить ценные продукты. Одним из перспективных методов переработки полистирольных отходов является пиролиз – термическое разложение полимера в бескислородной среде. Пиролиз направлен на получение жидкой, газообразной и твёрдой фракций. Жидкие продукты пиролиза полистирола очень важны, т.к. содержат значительное количество ароматических соединений, включая стирол, этилбензол, толуол и α-метилстирол.

Эффективность пиролиза полистирола определяется температурой и продолжительностью процесса. Недостаточная температура может приводить к неполному разложению полимера, а чрезмерно высокая температура – к вторичному крекингу и увеличению доли газообразных продуктов. Изучения влияния термических параметров и продолжительности процесса на формирование жидкой фракции имеет важное значение для разработки эффективных технологий переработки полистирольных отходов.

Целью данной обзорной статьи является систематизация современных научных данных о влиянии температуры, продолжительности процесса и связанных технологических факторов на формирование жидких продуктов при пиролизе полистирольных отходов. Для достижения цели рассматриваются аналитико-статистические данные по пластиковым отходам за 2025 г., основные методы переработки пластика, их преимущества и недостатки, особенности термического разложения полистирола, влияние температуры и времени процесса на выход и состав жидких продуктов.

Материалы и методы

Настоящая обзорная статья подготовлена на основе анализа научных публикаций, посвящённых переработке пластиковых отходов и пиролизу полистирола. Для формирования теоретической базы исследования использовались статьи, индексируемые в международных базах данных Scopus, Web of Science, ScienceDirect и MDPI¹, опубликованные преимущественно в 2020–2026 гг., материалы профильных организаций, а также статистические данные, отражающие современное состояние обращения с полимерными отходами. Поиск и отбор источников осуществлялся по тематическим ключевым словам: пиролиз, переработка, полимеры, полистирол, вспененный полистирол, влияние температуры, продолжительность процесса, выход продукта, химическая переработка, сжигание, механическая переработка, газификация.

Обработка и обобщение литературных данных проводились с применением методов сравнительного и контент-анализа. В ходе работы были сопоставлены результаты исследований, посвящённых влиянию температурных параметров, времени выдержки, скорости нагрева, времени пребывания паровой фазы, а также характеристик сырья на выход и состав жидких продуктов пиролиза полистирола. Дополнительно учитывались особенности используемых реакторов и режимов проведения процесса. Полученные результаты были систематизированы для выявления общих закономерностей формирования жидкой фракции, определения оптимальных условий проведения пиролиза и оценки перспектив практического использования продуктов термической переработки полистирольных отходов.

Статистические данные

В 2025 г. потребление пластмасс было значительным из-за высокого спроса на упаковочные материалы, одноразовые изделия, синтетический текстиль, строительные полимеры, медицинские материалы и бытовые товары. По оценке Plastic Overshoot Day 2025 [1], наибольший вклад в образование пластиковых отходов вносит упаковка – около 33%, текстиль – около 17%, а также бытовые и одноразовые изделия – около 5%. С 2024 по 2025 гг. число пластиковых увеличилось на 5 млн т, что указывает на продолжающий рост образования при развитии отдельных программ переработки и экологического регулирования.

Основная экологическая нагрузка связана с характером их использования. Упаковочные и одноразовые полимерные изделия являются проблемной группой с точки зрения устойчивого обращения с отходами. Полистирол относится к проблемной группе, а переработка вспененного полистирола является сложной из-за низкой плотности и большого объёма, что повышает стоимость логистики и сортировки, снижая экономическую привлекательность механической переработки.

Как показано в табл. 1, основной источник пластиковых отходов – сектор краткосрочного потребления. Поэтому данную категорию отходов следует рассматривать как важный объект для развития альтернативных методов переработки, включая пиролиз.

 

Таблица 1. Показатели пластиковых отходов за 2025 г. в мире [1]

Table 1. Indicators of Plastic Waste in the World for 2025 [1]

Показатель Indicator	Значение Value	Комментарий Comment
Образование пластиковых отходов в мире, млн т Global plastic waste generation, million tons	около 225 about 225	Одноразовая упаковка, бытовые изделия и текстиль Single-use packaging, household products, and textiles
Образование пластиковых отходов на душу населения, кг/чел в год Plastic waste generation per capita, kg/person/year	28,6	Среднемировая оценка Global average estimate
Неправильно управляемые пластиковые отходы, млн т Mismanaged plastic waste, million tons	около 72 about 72	Отходы, которые могут попасть в окружающую среду Waste that may enter the environment
Доля неправильно управляемых отходов, % Share of mismanaged waste, %	31,9	Почти треть от общего объёма Nearly one-third of the total volume
Доля упаковки в образовании пластиковых отходов, % Share of packaging in plastic waste generation, %	около 33 about 33	Крупнейший источник The largest source
Доля текстиля, % Share of textiles, %	около 17 about 17	Второй значимый источник The second most significant source
Доля бытовых и одноразовых изделий, % Share of household and single-use products, %	около 5 about 5	Включает часть продукции краткосрочного использования Includes some short-life products

 

Таблица 2. Показатели обращения с твёрдыми бытовыми отходами в Казахстане за 2025 г.

Table 2. Indicators of Municipal Solid Waste Management in Kazakhstan for 2025

Показатель Indicator	Значение Value	Комментарий Comment
Образование ТБО в Казахстане, млн т Municipal solid waste (MSW) generation in Kazakhstan, million tons	более 4,5 more than 4.5	Общий объём ТБО Total MSW volume
Доля переработки и утилизации ТБО, % Share of MSW recycling and recovery, %	28,6%	Средний показатель по стране National average indicator
Количество полигонов, ед. Number of landfills, units	2755	По итогам 2025 г. As of the end of 2025
Полигоны, соответствующие экологическим и санитарным нормам, ед. Landfills compliant with environmental and sanitary standards, units	540	19,6% от общего числа 19.6% of the total number
Несанкционированные свалки, выявленные космическим мониторингом, ед. Illegal dumpsites identified through satellite monitoring, units	3827	За 2025 г. During 2025
Ликвидированные несанкционированные свалки, ед. Elliminated illegal dumpsites. units	3464	91% от выявленных 91% of identified sites
Населённые пункты с внедрённым раздельным сбором ТБО, ед. Settlements with implemented separate MSW collection, units	123	Из 211 городов и районов Out of 211 cities and districts

 

В Казахстане на 2025 г. ситуация оставалась сложной. По данным Министерства экологии и природных ресурсов Республики Казахстан, около двух третей ТБО все ещё не подвергались утилизации, что начало создавать большую нагрузку на полигоны и окружающую среду. Значительная часть объектов размещения отходов требует модернизации, рекультивации или замены современными инфраструктурными объектами в сфере обращения с отходами.

Проблемы утилизации пластиковых отходов

Основные проблемы утилизации пластиковых отходов разделяются на четыре группы: экологические, технологические, экономические и организационные. К экологическим относится попадание пластиковых отходов в окружающую среду, что вызывает загрязнение почв, рек, озёр, морей и океанов. Со временем они преобразовываются в микропластик, который попадает в пищевые цепи и накапливается в живых организмах [4].

В исследовании [5] упоминается, что технологические проблемы связаны с невозможностью одинаково производить механическую переработку всех видов пластика. Наиболее эффективно перерабатываются чистые и отсортированные потоки полиэтилентерефталата, полиэтилена низкого давления и полипропилена. Смешанные, загрязнённые, многослойные, окрашенные и вспененные материалы перерабатываются проблематично. Полистирол, особенно вспененный, относится к их числу.

Переработка отдельных пластиковых фракций в частных случаях нерентабельна, что является экономической проблемой. По данным исследования [6], для вспененного полистирола транспортировка без прессования экономически невыгодна, поскольку он занимает большой объём при малой массе. Организационные барьеры в управлении пластиковыми отходами обусловлены фрагментарностью цепочки создания стоимости. Как показывает исследование [6], отсутствие информационной связности между производителями упаковки и операторами переработки, а также институциональная слабость механизмов расширенной ответственности производителей препятствуют созданию замкнутых циклов, несмотря на наличие теоретически возможных технологических решений.

Преодоление экологического кризиса, вызванного накоплением пластика, требует перехода к системной оптимизации всей цепочки обращения с отходами. Учитывая наличие физико-химических ограничений при механической переработке и высокую стоимость логистики легковесных отходов, пиролиз является оптимальной альтернативой для утилизации данных материалов. Пиролиз позволяет получать ценное сырьё – мономер или пиролизное масло, что организационно и экономически более оправдано для переработки некондиционных фракций в рамках экономики замкнутого цикла.

Основные методы переработки пластика

Современная система утилизации и переработки пластиковых отходов включает: механическую, химическую, сжигание с получением энергии, газификацию и пиролиз. Выбор метода зависит от химической природы полимера, степени загрязнения отходов, состава пластиковой смеси, экономической целесообразности и доступности технологической инфраструктуры. Ни один метод переработки отходов не является универсальным, поэтому необходимо рассматривать с учётом состава отхода и конечной цели переработки [7–12].

Основные методы переработки пластика

Современная система утилизации ипереработки пластиковых отходов включает: механическую, химическую, сжигание с получением энергии, газификацию и пиролиз. Выбор метода зависит от химической природы полимера, степени загрязнения отходов, состава пластиковой смеси, экономической целесообразности и доступности технологической инфраструктуры. Ни один метод переработки отходов не является универсальным, поэтому необходимо рассматривать с учётом состава отхода и конечной цели переработки [7–12].

Механическая переработка основана на физическом преобразовании полимеров без разрушения их химической структуры и включает стадии сортировки, мойки, измельчения и грануляции [8]. Преимущества метода – технологическая простота и низкая стоимость, что делает его оптимальным для термопластичных полимеров, таких как полиэтилентерефталат, полиэтилен и полипропилен. Вспененный полистирол и полистирол, загрязнённый пищевыми отходами, требуют подготовки.

Химическая переработка представляет собой процесс деполимеризации – разрушение макромолекул полимеров до мономеров, которые могут быть использованы в качестве вторичного нефтехимического сырья. Данный метод переработки эффективен для переработки загрязнённых и многослойных полимерных отходов [9]. Ключевым преимуществом данного метода является получение продуктов, по своим характеристикам близких к первичному сырью. Однако существенным недостатком химической переработки выступает необходимость использования сложного технологического оборудования и дорогостоящих каталитических систем [13]. Химическая переработка критически важна для реализации замкнутого цикла, дополняя механический метод переработки.

Сжигание – термический метод утилизации полимерных отходов, при котором происходит их полное окисление с выделением тепловой энергии. Этот подход актуален для полимерных отходов, непригодных для механической или химической переработки. Экологическая безопасность процесса критически зависит от систем очистки отходящих газов. В современной системе обращения с отходами сжигание рассматривается преимущественно как метод переработки остаточных фракций [8]. В случае пиролиза полистирола это – способ получения ароматических соединений, которые иначе были бы выброшены в атмосферу при сжигании в качестве углекислого газа и воды [14].

Газификация – термохимический процесс преобразования пластиковых отходов в синтез-газ при высоких температурах в условиях ограниченного доступа окислителя. По данным исследований [15], метод позволяет получать универсальное сырьё для синтеза водорода, метанола и жидких топлив, обеспечивая переход от простой энергетической утилизации к химическому рециклингу. Технология эффективна для переработки сложных смешанных потоков, однако её реализация требует высокотехнологичного оборудования и многостадийной очистки газа от смол и коррозионно-активных соединений. Применительно к полистиролу газификация признается менее рациональной, чем пиролиз, т.к. глубокое разложение материала до газовой фазы лишает процесс его главного преимущества – возможности получения ценных жидких ароматических фракций.

Пиролиз – это термическое разложение полимеров в бескислородной среде, в результате которого образуются жидкая, газообразная и твёрдая фракции. Согласно современным исследованиям, процесс обычно проводят при температурах 455–700°C, при этом выход продуктов напрямую зависит от состава сырья, времени пребывания паров и типа реактора [10]. Главная ценность метода заключается в получении жидких углеводородов (далее – УВ), которые могут служить альтернативным топливом или сырьём для нефтехимии. В табл. 3 представлена сравнительная характеристика различных методов переработки.

 

Таблица 3. Сравнительная характеристика основных методов переработки пластиковых отходов

Table 3. Comparative Characteristics of the Main Plastic Waste Recycling Methods

Метод Method	Сущность процесса Process Description	Основные продукты Main products	Преимущества Advantages	Ограничения Limitations
Механическая переработка Mechanical recycling	Сортировка, мойка, измельчение, плавление и гранулирование Sorting, washing, shredding, melting, and pelletizing	Вторичные гранулы изделия из переработанного пластика Recycled pellets, products made from recycled plastic	Простота, сравнительно низкая стоимость, сохранение материала Simplicity, relatively low cost, preservation of material	Требует чистого и однородного сырья. Механические и эксплуатационные свойства ухудшаются при повторной переработке Requires clean and homogeneous feedstock. Mechanical and performance properties deteriorate after repeated recycling
Химическая переработка Chemical recycling	Разрушение полимерных цепей до мономеров или химических продуктов Breakdown of polymer chains into monomers or chemical products	Мономеры, олигомеры, химическое сырьё Monomers, oligomers, chemical feedstock	Позволяет получать более качественное сырьё, подходит для некоторых сложных отходов Enables production of higher-quality raw materials, suitable for some complex waste streams	Высокая стоимость, сложность оборудования, необходимость контроля примесей High cost, equipment complexity, need for impurity control
Сжигание с энергетической утилизацией Incineration with energy recovery	Полное окисление отходов с выделением тепла Complete oxidation of waste with heat generation	Тепло, электроэнергия, зола, дымовые газы Heat, electricity, ash, flue gases	Быстро уменьшает объём отходов, позволяет получать энергию Rapidly reduces waste volume and allows energy production	Потеря химической ценности полимера, риск выбросов Loss of the polymer’s chemical value, risk of emissions
Газификация Gasification	Высокотемпературное превращение в ограниченной окислительной среде High-temperature conversion in a limited oxidizing environment	Синтез-газ, твёрдый остаток, смолы Syngas, solid residue, tars	Получение газообразного сырья для энергии и химического синтеза Production of gaseous feedstock for energy and chemical synthesis	Высокая температура, сложная очистка газа, требование к сырью High temperatures, complex gas cleaning, feedstock requirements
Пиролиз Pyrolysis	Термическое разложение без доступа кислорода Thermal decomposition in the absence of oxygen	Жидкая фракция, газ, твёрдый остаток Liquid fraction, gas, solid residue	Получение жидких УВ, подходит для трудно перерабатываемых фракций Production of liquid hydrocarbons, suitable for hard-to-recycle fractions	Энергоёмкость, необходимость контроля температуры и времени High energy consumption, need for temperature and residence time control

 

Каждый метод имеет свою область применения. В табл. 4 представлена сравнительная оценка методов переработки полистирольных отходов.

 

Таблица 4. Сравнительная оценка методов переработки полистирольных отходов

Table 4. Comparative Assessment of Polystyrene Waste Recycling Methods

Критерий сравнения Comparison criterion	Механическая переработка Mechanical recycling	Химическая переработка Chemical recycling	Сжигание Incineration	Газификация Gasification	Пиролиз Pyrolysis
Сохранение материальной ценности Material value retention	Высокое, если сырьё чистое High, if feedstock is clean	Среднее / высокое Medium / high	Отсутствует None	Частичное, через синтез-газ Partial, via syngas	Высокое, через жидкие продукты High, via liquid products
Пригодность для загрязнённых отходов Suitability for contaminated waste	Низкая Low	Средняя Medium	Высокая High	Средняя Medium	Средняя или высокая Medium to high
Пригодность для вспененного полистирола Suitability for expanded polystyrene	Ограниченная Limited	Перспективная Promising	Возможна, но нежелательна Possible, but undesirable	Возможна Possible	Наиболее перспективная Most promising
Основной продукт Main product	Вторичная гранула Secondary pellets	Мономеры, химические продукты Monomers, chemical products	Тепло, электроэнергия Heat, electricity	Синтез-газ Syngas	Жидкая фракция, газ Liquid fraction, gas
Возможность получения стирола Possibility of styrene recovery	Низкая Low	Высокая для деполимеризации полистирола High for polystyrene depolymerization	Нет None	Нет None	Высокая при оптимальных условиях High under optimal conditions
Основные ограничения Main limitations	Требует чистого сырья Requires clean feedstock	Сложность и стоимость процесса Process complexity and high cost	Выбросы и потеря химической ценности Emissions and loss of chemical value	Высокая температура и очистка газа High temperature and gas cleaning requirements	Требует оптимизации температуры и времени Requires optimization of temperature and residence time
Общая оценка Overall assessment	Подходит ограниченно Limited applicability	Перспективная Promising	Использовать только для остаточных фракций Suitable only for residual fractions	Менее целесообразна для жидких продуктов Less suitable for liquid product recovery	Наиболее обоснованный метод для получения жидкой фракции Most justified method for producing liquid fractions

 

Пиролиз как метод переработки полимерных отходов

Пиролиз – термохимический метод переработки пластиковых отходов, основанный на разложении полимеров при повышенной температуре в бескислородной среде. При разрушении макромолекулярных цепей образуются жидкие, газообразные и твёрдые продукты. Пиролиз позволяет превращать пластиковые отходы в продукты с добавленной стоимостью, включая топливо, химическое сырьё и компоненты для дальнейшей нефтехимической переработки [10, 16, 17].

Жидкая фракция – смесь УВ различного состава, используется как альтернативное топливо или как сырьё для дальнейшей переработки. Газовая фракция: водород, метан, этан, этилен, пропан, пропилен, бутаны, бутены, оксид и диоксид углерода; используется для частичного энергетического обеспечения самого процесса. Твёрдый остаток, или кокс, содержит углеродистые вещества, минеральные примеси, наполнители и неорганические добавки.

Согласно данным табл. 5, пиролиз эффективен для пластиков благодаря их углеводородной природе и высокому теплотворному потенциалу, который превышает показатели биомассы из-за низкого содержания кислорода. В обзоре [17] указывается, что выход жидкой фракции обычно составляет 60–80%, а в условиях быстрого пиролиза (450–600°C) может достигать 85%. Эффективность процесса напрямую зависит от состава сырья: полиолефины и полистирол признаны наиболее благоприятными материалами, при этом полистирол обладает уникальным преимуществом, позволяя извлекать не только топливные компоненты, но и химически ценные ароматические соединения.

 

Таблица 5. Особенности пиролиза основных видов пластиковых отходов

Table 5. Characteristics of Pyrolysis of Major Plastic Waste Types

Вид пластика Plastic Type	Основные особенности пиролиза Main pyrolysis characteristics	Преобладающие продукты Predominant products	Основные ограничения Main limitations
Полиэтилен Polyethylene (PE)	Разложение длинных углеводородных цепей Decomposition of long hydrocarbon chains	Алканы, алкены, воски, жидкие УВ Alkanes, alkenes, waxes, liquid hydrocarbons	Широкий состав продуктов, необходимость дополнительного крекинга Wide product distribution; requires additional cracking/upgrading
Полипропилен Polypropylene (PP)	Термическое расщепление разветвленных цепей Thermal scission of branched polymer chains	Алканы, алкены, жидкая и газовая фракции Alkanes, alkenes, liquid and gaseous fractions	Сложный состав масла, зависимость от температуры и катализатора Complex oil composition; strong dependence on temperature and catalyst
Полиэтилентерефталат Polyethylene terephthalate (PET)	Разложение кислородсодержащего полиэфира Decomposition of oxygen-containing polyester	Кислородсодержащие и ароматические соединения Oxygenated compounds and aromatic compounds	Кислотные продукты, ухудшение качества жидкой фракции Formation of acidic products; deterioration of liquid fraction quality
Поливинилхлорид Polyvinyl chloride (PVC)	Дехлорирование с выделением HCl Dehydrochlorination with HCl release	Хлороводород, УВ, хлорорганические соединения Hydrogen chloride, hydrocarbons, chlorinated organic compounds	Коррозия оборудования, токсичные продукты, необходимость удаления поливинилхлорида Equipment corrosion, toxic emissions; requires PVC removal/pre-treatment
Полиуретан Polyurethane (PU)	Разложение уретановых групп Breakdown of urethane groups	Азотсодержащие соединения, газы, жидкая фракция Nitrogen-containing compounds, gases, liquid fraction	Токсичные продукты, сложная очистка газов Toxic products; complex gas purification required
Полистирол Polystyrene (PS)	Деполимеризация стирольных звеньев Depolymerization of styrene units	Стирол, этилбензол, толуол, α-метилстирол, димеры Styrene, ethylbenzene, toluene, α-methylstyrene, dimers	Необходим контроль температуры и времени для снижения вторичного крекинга Requires strict control of temperature and residence time to reduce secondary cracking

 

Эффективность и особенности пиролиза полистирола

В отличие от других видов пластика, полистирол содержит в своем звене (–CH2 – CH(C6H5)–)n фенильную группу, способствующую при термическом воздействии селективному разрыву связей в основной цепи, что позволяет с высокой эффективностью восстанавливать мономерный стирол и ряд сопутствующих ароматических соединений. Благодаря этому полистирол обеспечивает получение жидкой фракции с высокой топливной и химической ценностью при минимальном содержании кислорода в продуктах [18, 19].

Механизм превращений при пиролизе включает в себя цепочку последовательных реакций: разрыв цепи, образование активных радикалов, внутримолекулярные перегруппировки и вторичный крекинг. На начальной стадии нагрева происходит ослабление связей, что приводит к формированию реакционноспособных радикалов, которые при оптимальных технологических условиях превращаются в стирол. При неоптимальных условиях начинаются вторичные процессы: образование газообразных УВ и твёрдого углеродистого остатка, что снижает выход целевой жидкой фазы и загрязняет оборудование [18, 20].

Для оценки эффективности процесса и качества получаемых продуктов используется классификация основных фракций, приведенная в табл. 6.

 

Таблица 6. Фракции и основные продукты пиролиза полистирольных отходов

Table 6. Fractions and Main Products of Polystyrene Waste Pyrolysis

Фракция Fraction	Основные компоненты Main components	Значение Significance	Особенности Characteristics
Жидкая Liquid	Стирол, этилбензол, толуол, бензол, димеры Styrene, ethylbenzene, toluene, benzene, dimers	Сырьё для нефтехимии Feedstock for petrochemical industry	Требует тщательной очистки Requires thorough purification
Газовая Gas	H₂, CH₄, C₂H₆, C₂H₄, C₃H₈, C₃H₆	Энергетический ресурс Energy resource	Снижает выход жидкости Reduces liquid yield
Твёрдая Solid	Кокс, углеродистые примеси Coke, carbonaceous impurities	Ограниченное применение Limited applicability	Ухудшает работу реактора Negatively affects reactor operation

 

Основным целевым компонентом является стирол, но в процессе также формируются толуол, этилбензол, ксилолы, бензол и более тяжёлые олигомеры, такие как димеры и тримеры стирола [20, 21]. Их физико-химические свойства – плотность и вязкость – заметно выше, чем у масел, получаемых из полиолефинов. В табл. 7 представлены данные по компонентам жидкой фракции пиролиза полистирола.

 

Таблица 7. Основные компоненты жидкой фракции пиролиза полистирола

Table 7. Main Components of the Liquid Fraction of Polystyrene Pyrolysis

Компонент Fraction	Путь образования Main components	Значение Significance	Особенности Characteristics
Стирол Styrene	Деполимеризация Depolymerization	Возврат в производство Reuse in production cycle	Реакционноспособен Highly reactive compound
Толуол Toluene	Вторичные реакции Secondary reactions	Растворитель Solvent	Растет при глубоком крекинге Increases under deep cracking conditions
Этилбензол Ethylbenzene	Перенос водорода Hydrogen transfer reactions	Химическое сырьё Chemical feedstock	Сложность разделения со стиролом Difficult to separate from styrene
Бензол Benzene	Глубокое расщепление Deep cracking reactions	Химическое сырьё Chemical feedstock	Токсичность Toxic compound
Димеры / тримеры Dimers / trimers	Рекомбинация радикалов Radical recombination	Тяжелая фракция Heavy fraction	Повышают вязкость масла Increases oil viscosity

 

Экономическая эффективность пиролиза полистирола зависит от разделения сложных продуктов на фракции коммерческой чистоты. Современные исследования в области переработки продуктов пиролиза подтверждают, что фракционная перегонка является обязательным и определяющим этапом, позволяющим трансформировать смесь отходов в ценные химические компоненты, пригодные для повторного использования в промышленном производстве [22].

Влияние технологических параметров

Эффективность пиролиза полистирола и его вспененной формы определяется совокупным влиянием температуры и продолжительности процесса. Рис. 1 демонстрирует влияние температуры процесса на глубину разложения макромолекул и направление вторичных реакций. Продолжительность процесса влияет на полноту превращения сырья и степень последующего крекинга образовавшихся паров.

 

Рисунок 1. Влияние температуры на пиролиз полистирольных отходов по отдельным источникам

Figure 1. Effect of Temperature on the Pyrolysis of Polystyrene Waste According to Different Sources

 

Выбор конкретного режима процесса определяется тем, какой результат необходим: получение максимального количества жидкой фракции или достижение высокой чистоты стирола. Температуры выше 500°C неэффективны, поскольку приводят к усиленному газообразованию и накоплению тяжёлых полициклических ароматических УВ. Продукты высокого качества образуются в диапазоне 400–450°C. Для вспененного полистирола важна скорость подвода тепла, тогда как для полистирольных отходов важно время нахождения сырья в реакторе. Следовательно, оптимальные условия пиролиза должны подбираться с учётом структуры сырья и особенностей используемого оборудования.

Продолжительность процесса определяет количественный выход и компонентный состав жидких продуктов пиролиза полистирольных отходов. Температура обуславливает интенсивность деструкции полимерных цепей. Время реакции лимитирует полноту разложения сырья. Данный параметр регулирует степень вторичных превращений образующихся соединений.

Анализ процесса требует дифференциации временных характеристик. К ним относятся общая продолжительность реакции и время выдержки твёрдой фазы. Отдельно учитываются время пребывания паров в высокотемпературной зоне и длительность конденсации продуктов.

Сочетание температуры и времени в табл. 8 обеспечивает исчерпывающую деструкцию полистирольного сырья. Указанные режимы максимизируют генерацию жидкой фракции. Минимизируются потери первичных ароматических продуктов. Эффективность процесса зависит от общей продолжительности и времени пребывания паров. Учитывается градиент скорости нагрева. Технологическую значимость имеет интенсивность последующей конденсации.

 

Таблица 8. Влияние временных параметров на пиролиз полистирольных отходов

Table 8. Influence of Time Parameters on the Pyrolysis of Polystyrene Waste

Параметр Parameter	Характеристика параметра Parameter characteristics	Влияние на процесс Effect on the process	Возможный риск при недостаточном значении Risk of insufficient value	Возможный риск при чрезмерном значении Risk of excessive value
Время выдержки твёрдой фазы Solid-phase residence time	Время нахождения полимера в зоне нагрева Time the polymer remains in the heating zone	Определяет полноту разложения сырья Determines the completeness of polymer decomposition	Неполное разложение полистирола, увеличение остатка Incomplete polystyrene decomposition, increased residue formation	Вторичные реакции, рост газа и кокса Secondary reactions, increased gas and coke formation
Время пребывания паров Vapour residence time	Время нахождения летучих продуктов в горячей зоне Time volatile products remain in the hot zone	Определяет сохранность стирола и первичных продуктов Determines preservation of styrene and primary products	Недостаточная конверсия тяжёлых фрагментов Insufficient conversion of heavy fragments	Крекинг стирола, рост газовой фракции Styrene cracking, increased gas fraction
Скорость нагрева Heating rate	Скорость достижения заданной температуры Rate of reaching the target temperature	Влияет на механизм деполимеризации и образование паров Influences depolymerization mechanism and vapour formation	Длительное пребывание в промежуточной зоне, неполный пиролиз Prolonged residence in intermediate temperature zone, incomplete pyrolysis	Слишком интенсивное выделение паров при слабой конденсации Excessively rapid vapour release with poor condensation efficiency
Время конденсации Condensation time	Эффективность охлаждения и сбора паров Efficiency of vapour cooling and collection	Влияет на выход жидкой фракции Affects liquid fraction yield	Потери летучих продуктов Loss of volatile products	Возможное загрязнение и смешение фракций Contamination and mixing of fractions
Общее время реакции Total reaction time	Полная продолжительность пиролиза Overall duration of pyrolysis process	Характеризует технологический режим в целом Characterizes overall process regime	Низкая степень превращения Low conversion degree	Увеличение побочных продуктов и энергозатрат Increased by-products and energy consumption

 

Заключение

Проведённый обзор показывает, что проблема переработки полистирольных отходов остаётся актуальной в связи с ростом объёмов пластиковых отходов, ограничениями механической переработки и высокой долей изделий кратковременного использования. Полистирол широко применяется в упаковке, одноразовой посуде, теплоизоляционных материалах и вспененных защитных изделиях, поэтому значительная часть таких материалов быстро переходит в поток отходов. Особенно проблемным является вспененный полистирол, который имеет низкую плотность, занимает большой объём при транспортировке и требует предварительного уплотнения перед переработкой.

Сравнение основных методов переработки пластика показало, что механическая переработка эффективна только для чистых и однородных потоков полимеров. Для загрязнённых, смешанных и вспененных отходов её применение ограничено. Сжигание позволяет уменьшить объём отходов и получить энергию, однако приводит к полной потере химической ценности полимера и требует строгого контроля выбросов. Газификация обеспечивает получение синтез-газа, но не ориентирована на получение жидких ароматических продуктов. На этом фоне пиролиз является наиболее перспективным методом переработки полистирольных отходов, который позволяет получить жидкую фракцию, содержащую ценные ароматические соединения.

Особенность пиролиза полистирола заключается в склонности данного полимера к деполимеризации с образованием стирола. Благодаря строению макромолекулы полистирола жидкие продукты его пиролиза отличаются высоким содержанием ароматических соединений: стирола, толуола, этилбензола, бензола, димеров и тримеров стирола. Пиролиз полистирола и вспененного полистирола представляет собой метод химического рециклинга. Процесс обеспечивает возврат стирольного мономера в промышленный оборот.

Температура определяет выход и компонентный состав жидких продуктов. Оптимальный диапазон деструкции составляет 400–500°C. Снижение температуры ниже указанного уровня вызывает неполное разложение полимера. Это сокращает выход жидкой фракции. Превышение температурного максимума инициирует вторичные реакции. Происходит крекинг стирола. Растёт генерация газообразных продуктов и тяжёлых ароматических соединений.

Продолжительность процесса влияет на эффективность превращения сырья. Недостаточная экспозиция ведет к неполной деструкции полистирола. Чрезмерная выдержка способствует вторичным превращениям первичных продуктов. Ключевым параметром является время пребывания паров в горячей зоне. Сохранение стирола требует быстрой эвакуации летучих компонентов из реактора. Необходима их немедленная конденсация.

Жидкие продукты пиролиза требуют дополнительной очистки, стабилизации и фракционирования. Приоритетным направлением является выделение стирола для повторного синтеза полимеров. Метод позволяет получать ароматические фракции и сырьё для нефтехимии. Использование пиролизного масла в качестве топлива ограничено. Препятствием для использования пиролизного масла в качестве моторного топлива является сложный состав и высокое содержание стиролов, бензолов, толуолов и этилбензолов.

Технология сопряжена с рисками образования летучих органических соединений и полициклических ароматических УВ. Примеси в составе отходов инициируют синтез токсичных соединений. Требуется строгий контроль состава сырья. Необходима предварительная сортировка и очистка отходящих газов.

Рентабельность метода зависит от стабильности сырьевого потока и логистических затрат. Внедрение технологии требует создания системы сбора и подготовки отходов. Целевым ориентиром является получение высокочистых химических компонентов.

Необходим переход от лабораторных моделей к промышленным технологическим схемам. Масштабирование реакторов требует углубленного изучения кинетики разложения. Актуальны исследования на реальных смешанных отходах. Основной задачей является интеграция пиролиза в систему экономики замкнутого цикла (циркулярная экономика). Целью становится создание замкнутого цикла производства полистирола.

Пиролиз полистирольных отходов является инструментом снижения антропогенной нагрузки. Оптимизация технологических параметров позволяет трансформировать отходы в ценное химическое сырьё. Метод составляет фундамент системы устойчивого управления полимерными отходами.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Источник финансирования. Данное исследование проведено в рамках программно-целевого финансирования Комитетом по науке Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан (Грант №BR24992883 «Создание научно-технологического парка нефтехимии и полимерных материалов для предоставления услуг, и внедрения прикладных результатов НИР в приоритетные сектора экономики страны»).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Благодарность. Авторы выражают благодарность канд. хим. наук, профессору Сейтеновой Г.Ж. за содействие в подготовке научной статьи.

Вклад авторов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией). Наибольший вклад распределён следующим образом: Кизатов Е.М. – сбор и обработка данных, формирование, написание текста; Дюсова Р.М. – проведение исследования; Копишев Э.Е. – организация исследования; Калиев О.Е. – подготовка визуальных материалов.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding source. This study was carried out within the framework of program-targeted funding by the Committee of Science of the Ministry of Science and Higher Education of the Republic of Kazakhstan (Grant No. BR24992883 “Establishment of a Scientific and Technological Park for Petrochemistry and Polymer Materials to Provide Services and Implement Applied Research Results in Priority Sectors of the National Economy”).

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Acknowledgment. The authors express their gratitude to Candidate of Chemical Sciences, Professor G.Zh. Seitenova for her assistance in the preparation of the scientific article.

Authors’ contribution. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work. The greatest contribution is distributed as follows: Yessmagambet M. Kizatov – data collection and processing, manuscript drafting and writing; Rizagul M. Dyussova – conducting the study; Eldar Ye. Kopishev – research organization; Olzhas Ye. Kaliyev – preparation of visual materials.

 

¹ MDPI (англ. Multidisciplinary Digital Publishing Institute – Многопрофильный институт цифровых публикаций) – издатель научных журналов открытого доступа.

Авторлар туралы

Есмагамбет Маратович Кизатов

Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: k1z4.workstation@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-1078-3059
Қазақстан, Астана қаласы

Ризагуль Муслимовна Дюсова

Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті

Email: dyussova_rm@enu.kz
ORCID iD: 0000-0003-3083-5255

канд. техн. наук

Қазақстан, Астана қаласы

Эльдар Ертаевич Копишев

.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті

Email: kopishev_eye@enu.kz
ORCID iD: 0000-0002-7209-2341

канд. хим. наук, ассоциированный профессор

Қазақстан, Астана қаласы

Олжас Ерланұлы Қалиев

Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті

Email: kaliyev_oye_3@enu.kz
ORCID iD: 0009-0008-4860-060X
Қазақстан, Астана қаласы

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар