surowcem do wytwarzania nowych produktów szklanych - ocena ekologiczna i ekonomiczna (część druga)

Kolumny dofinansowane przez WFOŚiGW w Katowicach

Rozwój przemysłu i konsumpcji, intensyfikacja produkcji w rolnictwie doprowadziły do przekształcenia i zanieczyszczenia środowiska przyrodniczego. W procesie degradacji środowiska niemały udział mają gospodarstwa domowe. Wszędzie tam, gdzie żyje człowiek, powstają odpady. Codziennie w każdym domu powstaje mała sterta „śmieci”.

Korzyści ekonomiczne i ekologiczne stłuczki szklanej w procesie topienia szkła

Wytopienie 1 kg szkła w warunkach krajowych hut wymaga dostarczenia ciepła w ilości 2000-8000 kcal. Wielkość tą należy powiększyć co najmniej o 50% z tytułu energii zużytej w pozostałych fazach procesu technologicznego (formowania, odprężenia...). Udział stłuczki w zestawie pozwala na obniżenie zużycia ciepła. Dodatek 1% stłuczki szklanej do zestawu zmniejsza zużycie teoretyczne potrzebnego ciepła o około 8 kJ/kg. W miarę wzrostu jej udziału w zestawie spada zużycie ciepła na jednostkę produkcji szkła. Spada ono również w miarę wzrostu wydobycia masy szklanej z jednostki powierzchni wannowego pieca szklarskiego, do czego obok innych przedsięwzięć cieplno-technologicznych przyczynia się również udział stłuczki w zestawie szklarskim. Dodatek stłuczki do zestawu wpływa bardzo korzystnie na długość kampanii pieca do topienia szkła, co ma również istotne znaczenie ekonomiczne. Roztopiona stłuczka szklana jest bowiem kilkakrotnie mniej agresywna w stosunku do materiałów ogniotrwałych pieca szklarskiego niż topiący się zestaw surowcowy. Dotyczy to zwłaszcza sody, która jest najbardziej agresywnym składnikiem zestawu szklarskiego.
Podstawowymi komponentami zestawu szklarskiego są: piasek, soda, mączka wapienna i dolomitowa. Dla pozyskania piasku najwyższej jakości, niezbędnego w produkcji szkła, konieczne jest wydobycie wielokrotnie większej ilości surowca (nakładu) oraz utrata dużej ilości wody (w procesie uszlachetniania). Istotną sprawę stanowią zagrożenia w środowisku ekologicznym, związane z kopalnictwem piasku, negatywnie oddziaływujące na jego zasoby i ich stan, takie jak ubytek powierzchni i straty użytków rolnych, leśnych itp. Do szkód zaliczamy: deformację terenu, powstawanie powierzchni przyrodniczo-nieproduktywnych, pogorszenie stosunków wodnych oraz powstanie szkód społecznych.
Wytworzenie pozostałych, niezbędnych do produkcji szkła surowców wywołuje również negatywne skutki dla środowiska. Każda tona stłuczki wprowadzona do zestawu szklarskiego pozwala zaoszczędzić w przypadku najczęściej topionego szkła sodowo-wapiennego około 800 kg piasku szklarskiego, 250 kg sody, zużywa się około 250 kg skały wapiennej i około 300 kg soli kuchennej, zatem globalne oszczędności surowcowe są jeszcze wyższe. Surowce te są kopane metodą odkrywkową, więc mniejsza jest degradacja krajobrazu. Zużycie energii jest mniejsze o 25-30%, wody o 50%, zanieczyszczenie powietrza (emisja CO₂, SO₂, pyłów, NO_x, Cl₂, F₂) o 14-20%, zaś odpadów przemysłowych jest mniej o 97%. Przy topieniu szkła z bardzo dużą zawartością stłuczki zmniejsza się ilość środków klarujących (Na₂SO₄). Istotny jest również fakt, że większe zużycie stłuczki z recyklingu przyczynia się do zmniejszenia objętości składowiska odpadów [2].
Surowce pierwotne wprowadzone do zestawu szklarskiego są bardzo drobnoziarniste i pyliste, w związku z czym porywane są przez spaliny i kontaktując się z obmurzem pieca korodują go. Stłuczka szklana wprowadzona do zestawu szklarskiego ma w stosunku do surowców dużo grubsze uziarnienie i jest mniej podatna na pylenie.
Można oszacować straty surowcowe w skali całego kraju, wynikłe z powstawania stłuczki szklanej. Przy produkcji opakowań szklanych w ilości 700 000 Mg w skali roku, szkła budowlanego – 400 000 Mg, a szkła gospodarczego i technicznego – 150 000 Mg można w przybliżeniu przyjąć ilość powstałej stłuczki na ok. 360 000 Mg. Pełne wykorzystanie tego „surowca” pozwoliłoby w Polsce zlikwidować co najmniej jedną kopalnię piasku (wraz ze skutkami: obniżeniem poziomu wód gruntowych, degradacją krajobrazu itp.), jedną elektrociepłownię o zużyciu ok. 1,5 ml ton węgla na rok, jedną kopalnię soli, jedną fabrykę sody, jedną kopalnię węgla kamienia wapiennego oraz ok. 10 składowisk odpadów komunalnych [3].
Nie bez znaczenia pozostaje fakt, że większe zużycie stłuczki z recyklingu przyczynia się do zmniejszenia objętości składowisk odpadów, w których udział szkła ocenia się na około 7-10%, a nawet więcej. Chociaż stłuczka szklana jest przyjazna środowisku to niepotrzebnie powiększa obszary wysypisk śmieci. Należy również odnotować fakt, że porzucona w lesie butelka może działać jak skupiająca soczewka, powodując w szczególnych okolicznościach podpalenie ściółki leśnej [4]. Mniejsze zużycie sody to zmniejszenie ilości szlamów powstających w jej produkcji. Szlamy te stanowią tzw. białe morza chlorku wapnia wokół fabryk sody.

Bariery w popycie i podaży stłuczki szklanej

W Polsce odczuwa się obecnie wyraźny brak ogólnokrajowego systemu organizacyjnego, określającego zasady selektywnej zbiórki i ponownego przetwórstwa opakowań poużytkowych. Dostawy stłuczki do hut są zmienne, gdyż zależą od kosztów pozysku, załadunku i transportu oraz ceny uzyskanej od końcowego odbiorcy, która jest różna w całym kraju ze względu na koszty transportu surowców. Huty płacą za stłuczkę nie więcej niż za ekwiwalentną ilość tradycyjnego wsadu zestawu szklarskiego.
Potencjalne możliwości przetwórcze hut to rocznie ok. 250 000 ton stłuczki. Dziesięć lat temu wszystkie huty skupiły zaledwie ok. 50 tys. ton, co nie zaspakaja ich możliwości przetwórczych. Można wyrazić opinię, że obecnie nie istnieje na terenie kraju zintegrowany i efektywny system zbiórki. Próby czynione przez gminy, działające w ich imieniu firmy komunalne lub funkcjonujące od niedawna pierwsze firmy recyklingowe pozwalają na przedstawienie następujących wniosków:
– tam, gdzie istnieją korzystne uwarunkowania społeczne (zaangażowanie władz i samych mieszkańców oraz możliwość zbytu pozyskanych surowców), należy wprowadzić selektywną zbiórkę w formie programów pilotażowych jako sposobu praktycznej edukacji społeczeństwa,
– do czasu pełnego opracowania i wdrożenia przepisów prawnych regulujących gospodarkę odpadami funkcjonować będą równolegle do selektywnej zbiórki punkty skupu i tradycyjna segregacja na składowiskach (zbieracze), a ostatnio na osiedlach miast,
– wymogi technologiczne sprawiają, że konieczna staje się budowa stacji uzdatniania stłuczki szklanej, które przygotowywałyby pełnowartościowy surowiec dla hut,
– specyfika dzisiejszego rynku polskiego, duże rozproszenie ludności, zmienna regionalnie konsumpcja przy średniej statystycznej produkcji 15 kg szkła opakowaniowego na mieszkańca wskazuje z jednej strony, jak olbrzymie ilości szkła są do zagospodarowania, a z drugiej pokazuje potrzebę opracowywania programów działań dostosowanych do lokalnych warunków i możliwości,
– małe ośrodki miejskie czy gminy mogą udźwignąć ciężar inwestycyjny związany z zakupem i obsługą pojemników pod warunkiem tworzenia systemów regionalnych,
– selektywna zbiórka to nie tylko ustawienie pojemników, ale także promocja, dozór nad nimi oraz opróżnianie we właściwym czasie,
– istnieje pilna potrzeba rozwijania nowej formuły działania (firmy recyklingowe), która zagwarantuje sprawną i skuteczną, a przez to efektywną ekonomicznie obsługę systemu gniazd pojemników do selektywnej zbiórki,
– uzyskanie efektów ekologicznych w postaci redukcji odpadów jest wymogiem Unii Europejskiej.
Obecnie barierami w szybkim wzroście użycia przez huty stłuczki są:
– techniczne możliwości hut,
– zła kondycja finansowa hut,
– brak w systemie selektywnej zbiórki odpadów komunalnych bodźców finansowych w postaci zwolnień z podatków, ulg i innych zapewniających opłacalność recyklingu,
– brak skupu stłuczki szklanej od ludności przez sieć skupu surowców wtórnych na skutek nieopłacalności finansowej,
– brak ekonomicznych zachęt do inwestowania w linie podczyszczania stłuczki w hutach i innych zakładach wykorzystujących stłuczkę,
– brak obligatoryjnych normatywów stosowania określonych ilości stłuczki,
– brak przymusu utylizowania produkowanych opakowań,
– brak instrumentów finansowych (np. podatki) podrażających nowe opakowania.
Bariery w podaży stłuczki szklanej:
– niedostateczne zrozumienie wśród społeczeństwa potrzeby selektywnej zbiórki,
– niedostateczna edukacja ekologiczna,
– wysokie koszty wprowadzenia systemu selektywnej zbiórki,
– wysokie koszty zbiórki selektywnej [5].

Technologiczne aspekty stosowania stłuczki szklanej z recyklingu w procesie topienia szkła

Generalnie stłuczka szklana wprowadzana do zestawu pełni rolę składnika ułatwiającego i przyspieszającego topienie surowców pierwotnych. Mięknie ona i roztapia się w stosunkowo niskiej temperaturze, dostarczając fazę ciekłą w temperaturach niższych niż jakiekolwiek inne eutedyki, które powstają z reakcji surowców pierwotnych. Wprowadzanie do zestawu stłuczki z recyklingu powoduje również pewne ujemne zjawiska. Jej dodatek utrudnia proces klarowania. Obszary stopionej stłuczki mają relatywnie duże napięcie powierzchniowe, upodabniające się do kropli otoczonej błonką. Im dłużej stłuczka jest składowana, tym więcej ma wilgoci w warstwach powierzchniowych, co prowadzi do wyługowania z nich alkalii i wzbogacenia ich w krzemionkę. Sprawia ona, że utworzona błonka ma większą lepkość niż otaczające szkło. Zjawisko to przyczynia się do tzw. mozaikowej budowy masy szklanej, utrudniając jej homogenizację. Wprowadzenie dużej ilości stłuczki opakowań szklanych wymaga przestrzegania określonych wyżej uwarunkowań technicznych i technologicznych. Jeżeli są one przestrzegane, to stłuczka z recyklingu stanowi doskonały surowiec wtórny, dzięki czemu oszczędza się surowce pierwotne. Stłuczka z recyklingu może wprowadzić do zestawu zanieczyszczenia, które mogą być przyczyną wad szkła i zaburzeń procesu jego topienia, na co trzeba bardzo zwracać uwagę.

Wymagania jakościowe stawiane stłuczce szklanej z recyklingu

Im wyższe wymagania jakościowe stawiane opakowaniom szklanym, im wyższy jest udział stłuczki w recyklingu w procesie ich wytwarzania, tym wyższe są wymagania stawiane tej stłuczce. Przy ocenie stłuczki z recyklingu przede wszystkim bierze się pod uwagę zanieczyszczenia będące przyczyną tzw. kamieni w szkle. Należą one bowiem do wad niebezpiecznych dla wyrobów. Wtrącenia z zanieczyszczeń stłuczki w postaci kamieni, ceramiki, porcelany czy betonu bardzo trudno rozpuszczają się w stopie szklanym. Pochodzące z nich wytrącenia wywołują duże naprężenia rozciągające w otaczającym je szkle, doprowadzając do pęknięcia wyrobu w hucie szkła lub – co gorsze – w późniejszym czasie, np. w czasie transportu czy napełniania.
Aluminium z różnego rodzaju zamknięć, które dostaje się ze stłuczką do wanny szklarskiej, nie powoduje wprawdzie powstania kamieni w szkle, ale poprzez działanie redukcyjne w temperaturze ok. 1400°C prowadzi do redukcji SiO₂ i powstania metalicznego krzemu według reakcji:
3 SiO₂ + 4 Al –> 2 Al₂O₃ + 3 Si.
Krzem występuje w szkle w postaci małych kuleczek. W związku z tym, że ma niższy niż szkło współczynnik rozszerzalności cieplnej, już najmniejsze wtrącenia o wielkości mniejszej od 1 mm wywołują w otaczającym szkle naprężenie rozciągające, które jest groźne dla wyrobu. Kuliste wtrącenia żelaza nie wywołują wprawdzie naprężeń, ale ciągną za sobą charakterystyczne brunatne smugi.
Ołów nie tworzy „wtrąceń”, ale gromadzi się łącznie z żelazem w skumulowanej postaci na dnie wanny, wywołując wzmożoną korozję materiałów ogniotrwałych dna, tzw. borowanie kropelkowe. W stłuczce z recyklingu mogą również znaleźć się kawałki wyrobów ze szkieł trudnotopliwych, które niełatwo wykryć przy stosowaniu stłuczki, a które trudno rozpuszczają się w otaczającym szkle, będąc przyczyną „wtrąceń” z wywołanymi obok naprężeniami rozciągającymi. Zanieczyszczenia organiczne: papier, tworzywa sztuczne lub resztki zawartości opakowań działają redukująco na stop szklany. Redukcja organicznych zanieczyszczeń ma ponadto wpływ na oszczędność energii. Zawartość wody w stłuczce z recyklingu wpływa na topienie szkła, w tym na zużycie energii, na stan redoks szkła, a przez to na stabilność barwy, szczególnie w przypadku szkła brunatnego. Tworzenie piany i problemy klarowania są dalszym następstwem.
Wymagania stawiane opakowaniom szklanym z punktu widzenia barwy generują wymagania dla stłuczki szklanej z recyklingu. Dotyczą one szczególnie butelek od wódek, piwa, wina czy wód mineralnych. Jakość barwy szkła jest zależna od udziału stłuczki o barwie podstawowej i udziału stłuczki o innych barwach. Dla otrzymania szkła bezbarwnego dopuszcza się w nim bardzo małe zawartości tlenku żelaza Fe2O3 i tlenku chromu Cr₂O₃. Dla uzyskania szkła brunatnego wymagane są w nim określone zawartości tlenku żelaza oraz stłuczki brunatnej, gdyż zawiera ona za dużo tlenku żelaza.
Podobnie ma się sprawa z topieniem szkła brunatnego, a najłagodniejsze warunki odnoszą się do szkła zielonego. Istotne jest, aby w stłuczce danej barwy był możliwie mały udział stłuczki o innej barwie.
Według wymagań niemieckich, stawianych stłuczce sortowanej, stłuczka używana do produkcji szkieł bezbarwnych nie może zawierać szkła brunatnego więcej niż 0,5%, a szkła zielonego więcej niż 0,1%. Stłuczka sortowana przy wytwarzaniu opakowań barwnych może zawierać do 5% szkła bezbarwnego i do 5% szkła o innej barwie.

Wnioski

Reasumując można wysunąć następujące wnioski:
– szkło nadaje się w 100% do ponownego użytku,
– jest łatwym produktem do zagospodarowania, ponieważ może być przetworzone na takie samo, jakie było bez redukcji wartości tworzywa,
– stanowi małe zagrożenie dla środowiska naturalnego – jedynie szkło jest odporne na wszystkie podstawowe oddziaływania, a więc na biodegradację, fotodegradację, rozpuszczanie w wodzie i utleniacze,
– gospodarczo może być wykorzystane w postaci produktu lub stłuczki bez niezbędnych reżimów logistycznych, ponieważ nie jest produktem toksycznym,
– szkło stało się materiałem, bez którego nie może się obejść żadna dziedzina działalności ludzkiej.
Wtórne przetwórstwo jest jedną z dróg prowadzących do zagospodarowania odpadów szklanych. Zużyte szkło może stać się wartościowym surowcem do wytwarzania innych wyrobów. Odzysk surowców pozwala bowiem zmniejszyć koszty związane z wywozem i zagospodarowaniem odpadów. Szkło jest przecież najłatwiejszym odpadem do zagospodarowania. Wystarczy je tylko oczyścić i przetopić.
Ponowne użycie szkła z odzysku może być przetwarzane na takie samo opakowanie, jakie było pierwotnie, bez redukcji wartości tworzywa. Najsłuszniejszym kierunkiem wykorzystania stłuczki szklanej jest niewątpliwie skierowanie jej do powtórnego wytopienia w procesie produkcji wyrobów szklanych. W wyniku takiego działania można zmniejszyć wydobycie surowców do produkcji szkła, obniżyć zużycie energii cieplnej i elektrycznej, zmniejszyć powierzchnię konieczną do deponowania odpadów komunalnych i wydłużyć czas eksploatacji składowania, zmniejszając koszt jego utrzymania i zabezpieczenia.
Zastosowanie stłuczki szklanej jest bardzo szerokie. Recykling szkła jest przedsięwzięciem złożonym, wymagającym zaangażowania sił społecznych, utworzenia wyspecjalizowanych przedsiębiorstw gromadzących i uzdatniających opakowania oraz rozwiązania szeregu problemów technicznych w hutach szkła. Ponadto recykling szkła zmniejsza ilość odpadów na wysypisku, wydłuża czas jego eksploatacji, zmniejsza koszty jego utrzymania i zabezpieczenia, zmniejsza ilość szkodliwych emisji wytworzonych przez energetykę, oszczędza surowce pierwotne, takie jak piasek, soda, wapień, dolomit, stłuczka szklana użyta jako składnik wsadu w hutach, a także zmniejsza ilość energii potrzebnej do produkcji szkła i szkodliwej emisji tlenków azotu.


Literatura:
[1] Jakowski S.: Zbiórka i recykling opakowań szklanych, opakowanie 1994, 5 (nr specjalny).
[2] Koźlak W.: Recykling zużytych wyrobów ze szkła, Aura, 2006, 12, 33.
[3] Opękowski S., Maksymowicz B.: Materiały Seminarium „Recykling w aspekcie ekonomicznym i ekologicznym”, PKE, 1996.
[4] Opękowski S., Maksymowicz B.: Problemy i bariery recyklingu w Polsce ze szczególnym uwzględnieniem selektywnej zbiórki odpadów w gminach, PKE, 1996.
[5] Tyszko P.: Doświadczenie i rozwój programu recyklingu, KIO, Warszawa 1996.