Environmental aspects of organizing a student workshop on plastic recycling: from education to waste-free production

Full Text

Введение Проблема загрязнения окружающей среды отходами производства и потребления, в особенности пластиковыми, является одной из наиболее острых глобальных экологических проблем современности. Ежегодно в мире образуются сотни миллионов тонн пластиковых отходов, большая часть которых оказывается на полигонах, в водоемах и лесах, нанося непоправимый ущерб экосистемам и здоровью человека [1]. В Российской Федерации, несмотря на предпринимаемые усилия, система управления отходами, в частности пластиковыми, остается недостаточно эффективной, характеризуясь низким уровнем переработки и вторичного использования материалов. В этой связи возрастает значимость экологического просвещения, воспитания и образования как ключевых инструментов формирования культуры ответственного потребления и эффективного управления отходами. Особую роль в этом процессе играют образовательные учреждения, в частности студенческие инициативы, направленные на вовлечение молодежи в практическую деятельность по переработке отходов и продвижение принципов устойчивого развития. Существуют технологии переработки, применяемые для переработки полиэтиленовых отходов, отсортированных от общей массы ТКО, в изделия. В целях экологического просвещения студентов и школьников создаются мастерские по переработке полиэтиленовых отходов на базе высших школ и образовательных центров [2; 3]. Цель исследования - анализ экологических и экономических аспектов организации студенческой мастерской по переработке пластика, обоснование выбора технологий и оценка эффективности подобных проектов как механизмов решения проблем управления отходами и формирования экологического сознания. Материалы и методы В основу методологии исследования легли принципы системного анализа и проектного подхода. Для оценки технологий переработки, пригодных для использования в условиях образовательного учреждения, был проведен сравнительный анализ существующих методов (полимер-песчаное производство, литье под давлением, экструзия, термоформование) и готовых решений, таких как платформа Precious Plastic[27] [3]. Выбор был обусловлен критериями доступности, безопасности, стоимости и образовательной ценности. Экономическая оценка эффективности проекта проводилась на основе расчета себестоимости мероприятий с учетом грантового финансирования и операционных расходов. Оценка экологической эффективности базировалась на расчете объемов перерабатываемых отходов и потенциала снижения нагрузки на полигоны ТКО. Эмпирической базой для проектирования мастерской послужил опыт Уфимского университета науки и технологий в реализации экологических инициатив и проектное обучение в рамках программы «Приоритет-2030». Результаты Теоретические основы экологического просвещения и управления отходами Существующая инфраструктура по переработке отходов недостаточно загружена, а государственные и индустриальные проекты не получают должного развития. При этом утилизация отходов производства и потребления становится все более актуальным вопросом во всем мире, так как сокращается площадь земель, которые возможно использовать в качестве полигонов для захоронения, а количество образующихся отходов в расчете на 1 человека увеличивается с каждым годом. Значительную часть твердых коммунальных отходов (ТКО) составляет пластик из-за использования его для пластиковой упаковки продуктов потребления. При этом, по оценкам экспертов, полиэтиленовые отходы составляют наибольшую долю из пластмассовых отходов (34 %) и обладают наивысшей степенью переработки (20 %). Сейчас утилизация полимеров приобретает значительную экономическую целесообразность, так как позволяет сократить потребление первичного сырья и электроэнергии, сократить объем ТКО, отправляемых на размещение[28]. В российском законодательстве не даны понятия «экологическое воспитание», «экологическое образование», «экологическое просвещение» и «экологическая культура». При этом данные термины упоминаются в ряде федеральных законов, распоряжений и постановлений на уровне стратегии развития. Низкий уровень экологической культуры населения приводит к нарушениям законодательства в сфере охраны окружающей среды физическими лицами, образованию несанкционированных свалок и замедленному развитию системы раздельного сбора отходов, а недостаточный уровень экологического образования в среднем и высшем образовании обусловливает выпуск неквали фицированных специалистов в области охраны окружающей среды, что, в свою очередь, служит причиной нарушений природоохранного законодательства со стороны предприятий и затруднения перехода предприятий к циклической экономике, а также применения наилучших доступных технологий и модернизированию производства. Так, согласно статье 74 № 7-ФЗ, «Экологическое просвещение», экологическое просвещение осуществляется в целях формирования экологической культуры в обществе, воспитания бережного отношения к природе, рационального использования природных ресурсов посредством распространения экологических знаний об экологической безопасности, информации о состоянии окружающей среды и об использовании природных ресурсов[29]. В соответствии с положениями Экологической доктрины Российской Федерации[30], утвержденной Распоряжением Правительства Российской Федерации № 1225-р, низкий уровень экологического сознания и экологической культуры населения страны отнесен к числу основных факторов деградации природной среды нашей страны. В 2015 г. резолюцией A/RES/70/1 Генеральной Ассамблеи ООН была принята Повестка дня в области устойчивого развития на период до 2030 года, которая включает в себя 17 целей, разбитых на 169 задач. Российская Федерация также участвует в реализации Повестки[31]. Одним из индикаторов высокого уровня экологической культуры населения региона является степень утилизации твердых коммунальных отходов (ТКО). В Республике Башкортостан, несмотря на наличие мусоросортировочных комплексов (МСК) и инфраструктуры раздельного сбора отходов, загруженность МСК составляет в среднем 52 %, в то время как полигоны ТКО занимают более 2,2 тыс. га. По состоянию на 1 января 2023 г. на территории республики зарегистрировано 852 несанкционированные свалки ТКО общей площадью 850 га (ликвидировано 824 свалки в 2022 г.), что свидетельствует о недостаточном распространении культуры сортировки отходов среди населения (рис. 1). В целом по Российской Федерации на конец 2023 г. насчитывалось 10 345 несанкционированных свалок. Рис. 1...Динамика.количества.несанкционированных.свалок.в.РФ.на.конец.года. за.период.2020-2023.гг. Источник:.данные.сведены.А.Н..Сидоровой.по.данным.Госдоклада.о.состоянии.и.об.охране. окружающей.среды.РФ.за.2023.год:.Государственный.доклад.о.состоянии.и.об.охране.окружающей. среды.Российской.Федерации.за.2023.год..Москва,.2024. Figure 1...Dynamics.of.the.number.of.unauthorized.landfills.in.the.Russian.Federation.at.the.end.of.the.year. for.the.period.2020-2023 Source:.data.compiled.by.A.N..Sidorova.based.on.the.State.Report.on.the.State.of.the.Environment. and.Environmental.Protection.in.the.Russian.Federation.for.2023:.State.Report.on.the.State. of.the.Environment.and.Environmental.Protection.in.the.Russian.Federation.for.2023..Moscow,.2024. Результаты исследований показывают, что после проведения комплексных экопросветительских кампаний вес отходов в контейнерах для пластика увеличивается (например, на 63 % по данным экологического движения «Раздельный сбор»), улучшается качество сдаваемого вторсырья, а доля жителей, сортирующих отходы, возрастает. К 2030 г. поставлена задача обеспечить сортировку 100 % объема ежегодно образуемых твердых коммунальных отходов (ТКО), захоронение не более 50 % таких отходов и вовлечение в хозяйственный оборот не менее 25 % отходов производства и потребления в качестве вторичных ресурсов и сырья. Выполнение национальных целей развития РФ до 2030 года осуществляется в том числе за счет реализации национального проекта «Экология» и федерального проекта «Экономика замкнутого цикла». При этом, несмотря на предпринимаемые усилия, в Российской Федерации наблюдаются рост объемов образования отходов производства и потребления (рис. 2) и снижение доли утилизированных и обезвреженных отходов в общем объеме образующихся отходов[32] [4], что подчеркивает необходимость совершенствования системы управления отходами и повышения эффективности процессов утилизации и переработки. Рис. 2...Динамика.образования.отходов.производства.и.потребления.в.РФ. за.период.2012-2023.гг.,.тыс..т Источник:.данные.сведены.А.Н..Сидоровой.по.данным.Госдокладов.о.состоянии.и.об.охране. окружающей.среды.РФ.за.2012-2023.гг.:.Государственный.доклад.о.состоянии.и.об.охране. окружающей.среды.Российской.Федерации.за.2012-2022.годы..Москва,.2013-2023. Figure 2...Dynamics.of.production.and.consumption.waste.generated.in.the.Russian.Federation. for.the.period.2012-2023,.thousand.tons Source:.data.compiled.by.A.N..Sidorova.based.on.the.State.Reports.on.the.State.of.the.Environment. and.Environmental.Protection.in.the.Russian.Federation.for.2012-2021:.State.Report.on.the.State. of.the.Environment.and.Environmental.Protection.in.the.Russian.Federation.for.2012-2023.. Moscow,.2013-2023. Анализ существующих технологий переработки пластика Существуют различные технологии переработки пластиковых отходов, включенные в сборник НДТ ИТС 15-2021. Одна из них - песчано-полимерное производство[33], в котором измельченные пластиковые отходы смешиваются с песком, нагреваются и прессуются для получения композитных строительных материалов (тротуарная плитка, ограждения и др.). Процесс включает сушку песка, дробление пластика, смешивание компонентов (25 % пластика, 74,5 % песка, 0,5 % красителя), нагрев до 200-250 °C и формование под давлением. Получаемый материал отличается прочностью, морозостойкостью и низким водопоглощением, однако недостатком является риск выделения микропластика и невозможность апсайклинга, поэтому метод применяется для загрязненных отходов. Другой распространенной технологией является литье под давлением, при котором измельченный пластик нагревается до 180-220 °C и подается в пресс-форму для формирования изделий. Также широко используется экструдирование - непрерывный процесс продавливания расплава полимера через формующее отверстие. Технология включает зоны загрузки, плавления и дозирования, обеспечивая гомогенизацию расплава, и применяется для переработки полиэтилена (ПЭ), полиэтилентерефталата, полипропилена и полистирола (рис. 3). Рис. 3..Принципиальная.схема.линии.переработки.полиэтилена.в.гранулы.методом.экструдирования:. 1.-.узел.сортировки.полиэтилена;.2.-.дробилка;.3.-.циклон;.4.-.агломератор;.5.-.экструдер Источник:.составлено.К.Р..Чувашаевой.по.данным.ИТС.32-2017.«Производство.полимеров,.. в.том.числе.биоразлагаемых». Figure 3. .Schematic.diagram.of.a.polyethylene.processing.line.into.granules.by.extrusion.method:. 1.-.polyethylene.sorting.unit;.2.-.crusher;.3.-.cyclone;.4.-.agglomerator;.5.-.extruder Source:.compiled.by.K.R..Chuvashaeva.according.to.ITS.32-2017.“Production.of.Polymers,. Including.Biodegradable.Polymers”. Другой метод - термоформование, заключающееся в преобразовании плоских заготовок из термопластов в объемные изделия под воздействием температуры. Процесс включает нагрев, формование, охлаждение и извлечение продукта, часто требующее дополнительной обработки. Технология применима для различных видов пластмасс и позволяет производить листовые изделия широкого назначения. Также следует отметить производство ПЭТ-гранул с использованием вторичного сырья, включенное в перечень наилучших доступных технологий. Особого внимания заслуживает система Precious Plastic (рис. 4), основанная на принципах открытого исходного кода и сочетающая технологии литья под давлением, термоформования и экструзии. Ее уникальность заключается в свободном доступе к чертежам оборудования (дробилки, экструдеры, инжекторы и др.) под лицензией Creative Commons BY-SA 4.0, что способствует международному сотрудничеству в сфере переработки. Система Precious Plastic, ориентированная на использование отсортированных пластиковых отходов, предлагает решение проблем высокой стоимости оборудования и патентных ограничений. Благодаря модульной конструкции и съемным пресс-формам система позволяет производить широкий ассортимент изделий, что делает ее оптимальным выбором для студенческих мастерских. Сравнительный анализ технологий переработки подтвердил преимущество данного подхода для образовательных учреждений. Рис. 4...Общий.вид.оборудования.мастерской.Precious.Plastic Источник:.Precious.Plastics..Machines.overview..//.Precious.Plastics.Official.Website.. .URL:.https://www.preciousplastic.com/solutions/machines/overview.(accessed:.01.06.2024). Figure 4..General.view.of.Precious.Plastic.workshop.equipment. Source:.Precious.Plastics..Machines.overview..//.Precious.Plastics.Official.Website.. .Available.from:.https://www.preciousplastic.com/solutions/machines/overview.(accessed:.01.06.2024). Глобальное исследование Precious Plastic[34] показывает, что в среднем одна мастерская перерабатывает 69 кг пластика в месяц, при этом 63,3 % участников составляют молодые люди до 35 лет. Данные исследований демонстрируют эффективность таких мастерских в изменении поведенческих моделей и снижении потребления пластика [4]. Опрос 47 мастерских из 20 стран [5] выявил основные цели: популяризация устойчивого образа жизни, повышение осведомленности о проблеме загрязнения и его предотвращение. Проектирование студенческой мастерской по переработке пластика В Уфимском университете науки и технологий силами студенческого научного общества создана мастерская по переработке пластиковых крышек из полиэтилена низкого давления (ПНД) маркировки 2. Выбор сырья обусловлен простыми инструкциями по сбору сырья для населения, а также минимальным негативным воздействием на людей во время проведения мастер-классов. Для сбора отходов разработан специализированный контейнер-артобъект (рис. 5). Рис. 5..Арт-объект.для.сбора.пластиковых. Источник:.фото.К.Р..Чувашаевой. Figure 5...Art.object.for.collecting.plastic.caps Source:.photo.by.K.R..Chuvashaeva Технологическая линия включает: 1) велосипедный измельчитель с роторной дробилкой; 2) вертикальный инжектор для литья под давлением; 3) термопресс для формования изделий. Технологический процесс (рис. 6) предполагает измельчение отходов до фракции 5 мм, термическую обработку при 180-200 °C и формование изделий. Отходы производства направляются на полимер-песчаное производство. По конструкции измельчитель состоит из рамы из профильной стальной трубы и сварной конструкции, подставки под велосипед, прикрепленной к основанию окрашенной эмалью рамы. Рама измельчителя пластиковых отходов обшита оргстеклом, верхняя часть корпуса и бункер выполнены из оргстекла. К раме прикреплена роторная одновальная дробилка. Корпус и ножи дробилки изготовлены из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Измельченные отходы собираются в контейнер в бункере. Одновальная роторная дробилка состоит из неподвижных и движущихся ножей. Движущиеся ножи приводятся в действие при помощи механического движения, передаваемого через вал, прикрепленный к велосипеду. Рис. 6..Схема.студенческой.мастерской.по.переработке.пластика Источник:.составлено.И.И..Ахияровым. Figure 6...Diagram.of.a.student’s.plastic.recycling.workshop Source:.compiled.by..I.I..Ahiyarov. Инжектор используется для реализации технологии литья под давлением. Назначение и область применения инжектора - изготовление изделий из пластика методом впрыскивания расплавленного материала в пресс-формы. Возможна работа аппарата в помещении или на улице при безветренной погоде при температуре от +5 °С до +40 °С. По конструкции аппарат представляет собой сварную металлическую раму с трубой и штоком, нагревательными элементами, ПИД-регуляторами, насадкой и коробкой электроники для управления температурой. Приемный бункер выполнен из стали и приварен к корпусу изделия. В термопрессе процесс переработки происходит под давлением, создаваемым рабочими поверхностями пресса, с нагревом рабочих поверхностей. Под действием давления и повышенной температуры пластиковая масса нагревается и принимает форму пресс-формы. Полиэтиленовые отходы маркировки 2 (I) подаются в велосипедный измельчитель (В). Измельчение отходов происходит механическим методом при помощи участников мастер-классов. Затем измельченные до фракции 5 мм полиэтиленовые отходы (II) механически извлекаются и подаются в вертикальный инжектор (И) или в термопресс (Т). Смет отходов удаляется. В инжекторе при температуре 180-200 °С измельченные отходы нагреваются и превращаются в жидкую массу, затем при помощи рычага подаются в прессформу. Механическая обработка изделий может происходить как во время, так и после остывания изделий и извлечения их из пресс-формы, для отделения изделий от литников и приведения к товарному виду. Литники и другие отходы (V) отправляются на полимер-песчаное производство для изготовления малых архитектурных форм. В термопрессе (Т) измельченные отходы (II) выкладываются в прессформу, затем накрываются верхней частью. При температуре 180-200 °С полиэтиленовые отходы превращаются в жидкую массу и заполняют полость пресс-формы. После остывания готовое изделие (III) извлекается из термопресса. Экономическая целесообразность и экологическая эффективность проекта В качестве методологической основы для организации мастерской был использован подход федерального проекта «Обучение служением», предполагающего интеграцию учебного процесса с решением социально значимых задач. В рамках данного проекта студенты Уфимского университета науки и технологий совместно с партнерами из местного отделения Союза молодых ученых г. Уфы разрабатывают и внедряют технологии переработки пластика, а также проводят просветительские мероприятия для популяризации принципов безотходного производства. За счет комбинированного финансирования (гранты на общую сумму 750 000 руб.) была закуплена необходимая аппаратура и организовано проведение 25 мероприятий для 3500 человек. Расчет себестоимости одного мероприятия показал высокую экономическую эффективность: 214 руб./чел. против рыночной стоимости аналогичных мастер-классов (около 900 руб./чел.). заключение Организация студенческой мастерской по переработке пластика доказала свою эффективность как комплексный инструмент, интегрирующий образовательную, просветительскую и практическую составляющие. Такой проект способствует достижению нескольких целей одновременно: Была отмечена значительная экологическая польза, выражающаяся в снижении объема захораниваемых отходов и формировании моделей ответственного потребления. В образовательном контексте проект доказал свою ценность для развития практических навыков у студентов в области технологий переработки, проектной деятельности и экологического предпринимательства. Важным итогом стала и его социальная составляющая, которая проявилась в повышении уровня экологической культуры населения через проведение открытых мастер-классов и мероприятий. Перспективы развития подобных инициатив связаны с их тиражированием в других вузах, интеграцией в учебные планы, а также с развитием кооперации с малым бизнесом для организации сбыта продукции. Дальнейшие исследования могут быть направлены на углубленный анализ жизненного цикла продукции мастерских, оценку долгосрочного поведенческого эффекта у участников и оптимизацию технологических процессов.

About the authors

Elvira V. Nafikova

Ufa University of Science and Technology

Email: vira2006@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5197-8928
SPIN-code: 2784-1080

Candidate of Geographical Sciences, Associate Professor

32 Zaki Validi St, Ufa, 450076, Russian Federation

Arina N. Sidorova

Ufa University of Science and Technology

Author for correspondence.
Email: arinasidorova303@gmail.com
SPIN-code: 3591-4079
student, specialization 20.03.01 Technosphere Safety 32 Zaki Validi St, Ufa, 450076, Russian Federation

Kamilla R. Chuvashaeva

ITMO University

Email: chuvashayeva@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1226-720X
SPIN-code: 6476-9925

student, specialization 20.04.01 Technosphere Safety

Kronverksky Pr. 49, bldg. A, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation

Irek I. Akhiyarov

Ufa University of Science and Technology

Email: amsosiguboy@mail.ru
SPIN-code: 6404-1237
student, specialization 20.03.01 Technosphere Safety 32 Zaki Validi St, Ufa, 450076, Russian Federation

References

Supplementary files