สามารถนำเรซินฟีนอลที่ใช้ทำดอกไม้ไฟไปรีไซเคิลได้หรือไม่?

เชิงนามธรรม

เรซินฟีนอลทำหน้าที่เป็นตัวประสานที่สำคัญและเชื้อเพลิงพลังงานสูงในสูตรพลุเทคนิค สาเหตุหลักมาจากความเสถียรทางความร้อน ปริมาณถ่านที่สูง และโครงสร้างโพลีเมอร์ที่เชื่อมโยงข้าม อย่างไรก็ตาม แรงกดดันทั่วโลกที่เพิ่มขึ้นสำหรับการลดปริมาณของเสียทางอุตสาหกรรมและกฎระเบียบของเสียอันตรายที่เข้มงวดได้เพิ่มความเร่งด่วนในการประเมินตัวเลือกที่หมดอายุการใช้งานสำหรับเศษดอกไม้เพลิงที่ถูกผูกติดกับฟีนอลิก เอกสารทางเทคนิคนี้ประเมินความเป็นไปได้ทางเทคนิค ข้อจำกัดด้านความปลอดภัย กลไกการรีไซเคิลสารเคมี และปัจจัยทางเศรษฐกิจที่ควบคุมการรีไซเคิลเรซินฟีโนลิกเกรดพลุไฟ นอกจากนี้ ยังมีการจัดเตรียมกรอบการประเมินที่มีโครงสร้างไว้สำหรับผู้ผลิตดอกไม้เพลิงในการประเมินการจัดการของเสียและวิถีการหมุนเวียน

1. ข้อกำหนดด้านการทำงานของเรซินฟีโนลิกเกรดพลุไฟ

สูตรพลุไฟทำงานบนไล่ระดับความร้อนขั้นสุด ตั้งแต่การแพร่กระจายลำดับการจุดระเบิดเริ่มต้นไปจนถึงการเผาไหม้ประจุหลักที่อุณหภูมิสูงเรซินฟีนอล- โครงสร้างโนโวแลคส่วนใหญ่ที่บ่มด้วยเฮกซาเมทิลีนเตตรามีน (HMTA) - มีประสิทธิภาพเหนือกว่าสารยึดเกาะอินทรีย์ทางเลือกเนื่องจากแกนหลักอะโรมาติกที่เชื่อมโยงข้าม เครือข่ายนี้ให้ผลผลิตถ่านสูงในระหว่างการไพโรไลซิส โดยรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างของดวงดาว ตัวจุดไฟ และผลกระทบของพลุไฟก่อนการเผาไหม้อย่างสมบูรณ์ (เพลโต, 2010)

แตกต่างจากเรซินฟีนอลอุตสาหกรรมมาตรฐานที่ใช้ในวัสดุเสียดสี ลามิเนต หรือแม่พิมพ์หล่อ สูตรเกรดพลุไฟต้องการการควบคุมที่แม่นยำสำหรับ:

ปริมาณฟีนอลอิสระและจุดอ่อนตัว:รับประกันพฤติกรรมการกดเชิงกลที่สม่ำเสมอโดยไม่ทำให้อ่อนตัวลงภายใต้การจัดเก็บ

ปริมาณเถ้าและสารระเหย:ป้องกันการรบกวนการปล่อยสารสีปริมาณสัมพันธ์ (เช่น เส้นสเปกตรัมสตรอนเซียมหรือแบเรียม)

จลนศาสตร์ของอัตราการเผาไหม้:รักษาการแพร่กระจายของเปลวไฟด้านหน้าคงที่โดยไม่มีการเร่งความเร็วหรือการเกิดตะกรันที่คาดเดาไม่ได้

ด้วยเหตุนี้ เศษเรซินฟีนอลิกที่มีจำหน่ายทั่วไปจากอุตสาหกรรมที่ไม่ใช่ดอกไม้ไฟจึงไม่สามารถรวมเข้ากับการผลิตดอกไม้ไฟได้ โดยไม่กระทบต่อความปลอดภัยและความสม่ำเสมอในการเผาไหม้

2. โปรไฟล์การปนเปื้อนหลังการเผาไหม้

ปัญหาคอขวดทางเทคนิคหลักที่ป้องกันไม่ให้นำวัสดุกลับมาใช้ใหม่ได้ในทันทีนั้นอยู่ที่รูปแบบการปนเปื้อนทางเคมีของเศษซากหลังการเผาไหม้ เมื่อปล่อยออกมา เรซินที่ตกค้างจะถูกผูกไว้อย่างแน่นหนาภายในเมทริกซ์อนินทรีย์-อินทรีย์ที่ประกอบด้วย:

สารออกซิไดซ์ที่ไม่ทำปฏิกิริยา:โพแทสเซียมเปอร์คลอเรต ($\ข้อความ{KClO__4$), โพแทสเซียมไนเตรต ($\ข้อความ{KNO__3$)

เชื้อเพลิงโลหะและตัวปล่อย:อนุภาคอลูมิเนียม แมกนีเซียม และสารแต่งสีโลหะหนัก (แบเรียม สตรอนเซียม สายพันธุ์ทองแดง)

ผลพลอยได้จากการเผาไหม้:ธาตุกำมะถัน, โพแทสเซียมซัลไฟด์ ($\text{K`2\text{S}$), โพแทสเซียมคาร์บอเนต ($\text{K`2\text{CO`3$) และถ่านคาร์บอนควบแน่น

โปรไฟล์ที่มีปฏิกิริยาสูงนี้แตกต่างอย่างมากกับกระแสของเสียฟีนอลิกหลังอุตสาหกรรม (เช่น แผ่นปิดลามิเนตที่ไม่ถูกวัลคาไนซ์) ซึ่งมีเฉื่อยทางเคมีและสม่ำเสมอ

3. การวิเคราะห์เส้นทางการรีไซเคิล

3.1 การรีไซเคิลทางกล: ข้อจำกัดด้านความปลอดภัยและกระบวนการ

การรีไซเคิลด้วยเครื่องจักรเกี่ยวข้องกับการสับเมทริกซ์เทอร์โมเซตที่บ่มแล้วให้เป็นผงขนาดเล็กเพื่อใช้เป็นสารตัวเติมในการผลิตคอมโพสิตขั้นที่สอง แม้ว่าจะมีการบันทึกไว้อย่างดีสำหรับระบบฟีนอลิกมาตรฐาน (Zhu et al., 2024) แต่การใช้การบดเชิงกลโดยตรงกับเศษดอกไม้ไฟหลังการเผาไหม้ทำให้เกิดอันตรายร้ายแรงในการปฏิบัติงาน

แรงเสียดทานและความร้อนเฉือนที่เกิดขึ้นระหว่างการกัดพลังงานสูงสามารถกระตุ้นให้เกิดการเคลื่อนตัวของความร้อนเฉพาะจุดได้ หากมีสารออกซิไดเซอร์ตกค้าง ($\text{KClO__4$) และอนุภาคโลหะละเอียดอยู่ภายในเมทริกซ์กราวด์ หากไม่มีสารเคมีเปียกก่อนการปนเปื้อนแบบพิเศษ การลดขนาดเชิงกลของเรซินพลุไฟหลังการเผาไหม้ยังคงไม่ปลอดภัยในการปฏิบัติงานในระดับอุตสาหกรรม

3.2 การรีไซเคิลสารเคมี: กลไกการแยกโพลีเมอร์

การรีไซเคิลทางเคมีจะแยกเครือข่ายเชื่อมโยงข้ามสามมิติออกเป็นชิ้นส่วนโอลิโกเมอร์แบบโมโนเมอร์หรือน้ำหนักโมเลกุลต่ำ ทำให้เกิดการสังเคราะห์โพลีเมอร์ที่มีมูลค่าสูง

[เครือข่ายฟีนอลิกแบบเชื่อมโยงข้าม] + สารตัวทำละลาย / ตัวเร่งปฏิกิริยา

↓(สภาวะย่อย/เหนือวิกฤต หรือการแลกเปลี่ยนฟีนอลที่เป็นกรด)

[ฟีนอลโอลิโกเมอร์ต่ำ / ฟีนอลโมโนเมอร์] + [การกรองสารตกค้างอนินทรีย์]

การละลายของไหลที่วิกฤตยิ่งยวดและใต้วิกฤต:การวิจัยแสดงให้เห็นว่าเมทริกซ์ฟีนอลิกที่บ่มแล้วได้รับการดีพอลิเมอร์ไรเซชันอย่างรวดเร็วในตัวกลางน้ำ/ฟีนอลที่วิกฤตยิ่งยวดหรือใต้วิกฤต ทำให้เกิดการย่อยสลายแบบเครือข่ายเต็มรูปแบบภายใน 10 ถึง 20 นาที พร้อมการฟื้นตัวของตัวกลางฟีนอลิกที่ให้ผลตอบแทนสูง (Goto et al., 2006; Zhu et al., 2024)

การแลกเปลี่ยนฟีนอลที่เร่งด้วยกรด:เรซินฟีนอลสามารถละลายได้ในฟีนอลส่วนเกินภายใต้สภาวะที่เป็นกรด ทำให้สะพานเมทิลีนแตก ($\text{-CH__2\text{-}$) เพื่อให้ได้โอลิโกเมอร์คล้ายโนโวแลคที่มีความหนืดต่ำ

อะมิโนไลซิส:ปฏิกิริยากับอะลิฟาติกเอมีนจะทำให้ฟีนอลิกโอลิโกเมอร์ที่ทำงานด้วยไนโตรเจนทำงานที่แรงกดดันในการทำงานที่ต่ำกว่า ช่วยให้สามารถดึงซับสเตรตอนินทรีย์ที่สะอาดหรือการเสริมแรงของเส้นใยไปพร้อมๆ กัน (Zhu et al., 2024)

อุปสรรคในการดำเนินงานหลักสำหรับเศษดอกไม้ไฟในระหว่างการดีพอลิเมอไรเซชันทางเคมีคือพิษของตัวเร่งปฏิกิริยาและความเปรอะเปื้อนของเครื่องปฏิกรณ์ที่เกิดจากซัลเฟอร์ที่ตกค้าง โลหะอัลคาไล และสารประกอบโลหะหนัก

4. การเปรียบเทียบเส้นทางการรีไซเคิลที่ครอบคลุม

5. การจำแนกประเภทตามกฎระเบียบและเศรษฐศาสตร์การกำจัด

ข้อกำหนดด้านกฎระเบียบกำลังลงโทษเส้นทางการกำจัดขยะดอกไม้เพลิงแบบดั้งเดิมมากขึ้น ภายใต้มาตรฐานการจำแนกประเภทขยะของยุโรป:

กฎข้อบังคับเกี่ยวกับรายการขยะของสหราชอาณาจักร (อังกฤษ) ปี 2005:ขยะดอกไม้ไฟ กำหนดรหัส 16 04 02* (ดอกไม้ไฟเสีย) จัดอยู่ในประเภทการเข้าที่เป็นอันตรายอย่างยิ่งเนื่องจากอันตรายจากการระเบิดและปฏิกิริยา (Legislation.gov.uk, 2005)

คำแนะนำทางเทคนิคของหน่วยงานสิ่งแวดล้อม WM3:กำหนดระเบียบปฏิบัติการประเมินอันตรายที่เข้มงวด HP1 (วัตถุระเบิด) และ HP3 (ไวไฟ) สำหรับสารตกค้างจากพลุไฟที่ไม่ทำปฏิกิริยาหรือทำปฏิกิริยาบางส่วน (สำนักงานสิ่งแวดล้อม, 2021)

ดังนั้น การกำจัดโดยการเผาขยะอันตรายที่อุณหภูมิสูงแบบพิเศษ จะต้องได้รับโทษทางการเงินขั้นรุนแรงและค่าธรรมเนียมเพิ่มเติมในการปฏิบัติตามข้อกำหนด การชดเชยทางเศรษฐกิจนี้ทำให้การรีไซเคิลสารเคมีและการนำเศษซากก่อนผู้บริโภคกลับมาใช้ใหม่มีการแข่งขันทางการค้าได้ เมื่อคำนึงถึงความรับผิดที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในการปฏิบัติตามข้อกำหนด

6. สถาปัตยกรรมการรีไซเคิลแบบ Closed-Loop กับ Open-Loop

6.1 ของเสียก่อนการบริโภค (มีศักยภาพสูง)

ของเสียก่อนผู้บริโภครวมถึงชุดนอกข้อกำหนดที่กำหนดตามสูตรที่ยังไม่แห้ง การตัดขอบ และการคัดแยกส่วนประกอบขึ้นรูปที่เกิดขึ้นระหว่างการประกอบพลุดอกไม้ไฟ เนื่องจากวัสดุนี้ไม่ได้รับการปนเปื้อนด้วยเกลือของโลหะหรือผลิตภัณฑ์ที่เผาไหม้ด้วยซัลเฟอร์ จึงสามารถนำกลับมาผ่านกระบวนการรีไซเคิลทางเคมีมาตรฐาน หรือรวมเป็นสารยึดเกาะรองในการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่ไม่สำคัญ

6.2 ของเสียหลังการบริโภค (ข้อกำหนดแบบวงปิด)

การเรียกคืนเรซินจากดอกไม้ไฟหลังการเผาไหม้ต้องใช้กรอบงานวงปิด: :

[การผลิตดอกไม้ไฟ] → [ควบคุมการเผาไหม้ / เหตุการณ์]

↓

[การกำจัดพอลิเมอร์ด้วยสารเคมีแบบวงปิด] ← [การบำบัดเบื้องต้น: การสกัด / การล้างด้วยน้ำ]

↓

[การจับคู่ข้อมูลจำเพาะวัตถุดิบตั้งต้นโมโนเมอร์เกรดบริสุทธิ์]

การรีไซเคิลแบบวงเปิดซึ่งรวมเอาเรซินรีไซเคิลจากยานยนต์หรือของเสียจากการก่อสร้างไปเป็นดอกไม้ไฟ เป็นสิ่งที่ถูกห้ามอย่างเคร่งครัด เนื่องจากจลนศาสตร์ของการเผาไหม้ที่คาดเดาไม่ได้และการปนเปื้อนของโลหะที่ไม่ทราบสาเหตุ ซึ่งกระทบต่อมาตรฐานความปลอดภัยของดอกไม้ไฟ

7. ความท้าทายด้านโครงสร้างพื้นฐานของการรวบรวม

อุปสรรคหลักในการดำเนินงานต่อการฟื้นฟูหลังผู้บริโภคยังคงเป็นการกระจายตัวด้านลอจิสติกส์ อุปกรณ์พลุดอกไม้ไฟจะถูกปล่อยไปตามสถานที่สาธารณะ การจัดแสดงของเทศบาล และสถานที่ส่วนตัว ต่างจากขยะโพลีเมอร์ในชุมชน เนื่องจากไม่มีกรอบการทำงานด้านลอจิสติกส์ย้อนกลับที่เป็นมาตรฐานสำหรับเศษดอกไม้เพลิง การสร้างระบบการรวบรวมที่ใช้งานได้นั้นจำเป็นต้องมีระเบียบการประสานงานระหว่างผู้ดำเนินการจัดงาน หน่วยงานเทศบาล และผู้จัดการของเสียอันตรายที่ได้รับการรับรอง

8. กรอบการประเมินทางเทคนิคสำหรับผู้ผลิตดอกไม้เพลิง

สำหรับผู้จัดการด้านเทคนิคและเจ้าหน้าที่ปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมที่ประเมินความเป็นไปได้ในการรีไซเคิลเรซินฟีนอลิก ระเบียบการต่อไปนี้จะสรุปขั้นตอนการประเมินมาตรฐาน:

[ขั้นตอนที่ 1:ลักษณะเฉพาะของกระแสของเสีย]

├── ระบุอัตราส่วนก่อนผู้บริโภคและหลังผู้บริโภค

└── วัดระดับสารปนเปื้อนอนินทรีย์ (ปริมาณเถ้า โลหะหนัก)

[ขั้นตอนที่ 2: การคัดกรองก่อนการรักษาและความปลอดภัย]

├── การสกัดด้วยน้ำเพื่อกำจัดออกซิไดเซอร์ KClO4 / KNO3 ที่ละลายได้

└── การทดสอบความไวของแรงเสียดทาน (BAM Fallhammer / การทดสอบแรงเสียดทาน)

[ขั้นตอนที่ 3: การเลือกเส้นทาง]

├── หากเศษซากก่อนผู้บริโภคเฉื่อย → การละลายโดยตรง / การใช้เครื่องจักรซ้ำ

└── หากสารตกค้างหลังการบริโภค → ล้างล่วงหน้า + ดีพอลิเมอไรเซชันทางเคมีที่เร่งปฏิกิริยาด้วยกรด

[ขั้นตอนที่ 4: การควบคุมคุณภาพและการตรวจสอบข้อมูลจำเพาะ]

├── การทดสอบเวลาเจลและจุดอ่อนตัว

├── เนื้อหาฟีนอลฟรีผ่าน HPLC

└── การวิเคราะห์ความเข้ากันได้ของอัตราการเผาไหม้แบบปิดระเบิด

รายการตรวจสอบการประเมินทางเทคนิคสำหรับการนำระบบหมุนเวียนไปใช้

เพื่อเริ่มต้นการศึกษาความเป็นไปได้ทางเทคนิค โรงงานผลิตดอกไม้ไฟควรรวบรวมข้อมูลการวิเคราะห์ต่อไปนี้:

การระบุประเภทเรซิน:การกำหนดค่า Novolac กับ Resol, อัตราส่วน HMTA, ประวัติตัวเร่งปฏิกิริยา

โปรไฟล์ทางกายภาพของแบบฟอร์มของเสีย:ผงที่ไม่แข็งตัว ส่วนที่แข็งตัวแข็งตัว หรือเมทริกซ์เถ้าหลังการเผาไหม้

ตารางความเข้มข้นของสารปนเปื้อน:เปอร์เซ็นต์น้ำหนักเชิงปริมาณของผง $\text{KClO__4$, $\text{S}$, $\text{Al}/\text{Mg}$ และเกลือของโลหะ

เป้าหมายการกำกับดูแลในท้องถิ่น:รหัส EWC ที่บังคับใช้ โควต้าการเปลี่ยนเส้นทางการฝังกลบในพื้นที่ และค่าธรรมเนียมการเผาขยะ

อ้างอิง

1 หน่วยงานสิ่งแวดล้อม (2021).คำแนะนำในการจำแนกประเภทและการประเมินของเสีย (Technical Guidance WM3)(ฉบับที่ 1 เวอร์ชัน 1.2.GB) สำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อมแห่งสกอตแลนด์ / สำนักงานสิ่งแวดล้อม https://www.sepa.org.uk/media/591437/technical-guidance-wm3.pdf

2, Gardziella, A., Pilato, L. A., & Knop, A. (2010)เรซินฟีนอล: เคมี การใช้งาน การสร้างมาตรฐาน ความปลอดภัย และนิเวศวิทยา(ฉบับที่ 2). สปริงเกอร์ แวร์แล็ก. https://doi.org/10.1007/978-3-642-04714-5

3,Goto, M., Sasaki, M., & Hirose, T. (2006) ปฏิกิริยาของโพลีเมอร์ในของไหลวิกฤตยิ่งยวดสำหรับการรีไซเคิลทางเคมีของขยะพลาสติกวารสารวัสดุศาสตร์, 41(5), 1509–1515. https://doi.org/10.1007/s10853-006-4588-3

4 กฎหมายของรัฐบาลสหราชอาณาจักร (2548)ข้อบังคับรายการของเสีย (อังกฤษ) ปี 2005(ตราสารตามกฎหมาย พ.ศ. 2548 ฉบับที่ 895) สำนักเครื่องเขียนสมเด็จพระนางเจ้าฯ. https://www.legislation.gov.uk/uksi/2005/895/contents/made

5,Zhu, B., Jiang, X., Li, S., & Zhu, M. (2024) ภาพรวมของการรีไซเคิลเรซินฟีนอลโพลีเมอร์, 16(9), มาตรา 1255 https://doi.org/10.3390/polym16091255