Научно-инновационный проект Утилизация тефлона

Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение

Среднего  Профессионального Образования  Колледж сферы услуг №32 города Москвы

Научно-инновационный проект

Утилизация тефлона

Работу выполнил: обучающийся группы ПК-1-3

Самошин Александр Антонович

Руководитель: преподаватель физики

Дмитришина Елена Викторовна

Москва, 2014

Содержание.

1. Введение.   3-4

2. Открытие  свойства и применение тефлона.  4-5

3. Безопасность применения посуды с тефлоновым покрытием. 5-7

4. Утилизация тефлона химическим способом. 7-12

5. Основные выводы.(заключение) 13

6. Список литературы. 14

Введение.

Тефлон – один из наиболее распространенных полимеров, применяемых не только в технике, но и в быту. Он занесен в Книгу Рекордов Гиннеса как самое скользкое вещество в мире. Широкую известность тефлон получил, когда стал использоваться в качестве покрытия кухонной посуды. Коммерческий интерес к тефлону оказался настолько высок, что посуду с тефлоновым покрытием сегодня можно найти почти в каждом доме.

Популярность тефлоновой посуды связана с уникальным свойством тефлона. Его поверхность не смачивается ни жирами, ни маслами, что создает благоприятные условия для приготовления  пищи при высокой температуре. Пища практически не пригорает.

В связи с широким распространением посуды с тефлоновым покрытием, вполне естественно, возникает вопрос о степени влияния её на качество приготовляемой пищи с точки зрения вреда для здоровья человека. Однозначного мнения  о степени химико – биологической  вредности или безвредности тефлонового покрытия в настоящее время не существует. Тем не менее ограничивается срок службы посуды,  разработаны рекомендации по безопасности её применения , улучшаются характеристики самого покрытия.

Возникает еще один вопрос: что делать  с вышедшей из употребления по различным причинам  тефлоновой посуды?  Если тефлон вреден для здоровья, то тефлоновое покрытие необходимо утилизировать. Но каким способом?

Настоящая работа посвящена раскрытию этих вопросов. Она состоит из трех частей.

В первой части рассматриваются история открытия тефлона, его свойства и применение.

Во второй части основное внимание   уделено безопасности  использования изделий с тефлоном.

Третья часть посвящена утилизации тефлона химическим способом.

Работа предназначена для учащихся колледжа сферы услуг и всех кто так или иначе связан с приготовлением пищи.

Открытие  свойства и применение тефлона.

Открытие тефлона произошло случайно в 1938 году, французский профессор Рой Планкет, проводя эксперименты с газообразным тетрафторэтиленом обнаружил, что он находясь под давлением в  течение  нескольких часов спонтанно  полимеризовался в твердое белое вещество. Изучение полученного вещества показало, что оно обладает уникальными свойствами. Вещество, называемое тефлоном, имеет очень

1. Низкий коэффициент трения. Как самое скользкое вещество оно было занесено в  Книгу Рекордов Гиннеса.
2. Поверхность тефлона  не смачивается ни водой, ни жирами, ни маслами, ни органическими растворителями. Он обладает высокой морозо и теплостойкостью, сохраняя свои физические свойства, в том числе эластичность , при температурах от  -700 С до 2700С. Имеет хорошие изоляционные  свойства, прочен и износоустойчив.  Тефлон  очень  устойчив  к воздействию даже самых агрессивных химикатов. Поэтому показателю он опережает  все благородные металлы и синтетические материалы, не растворяется под влиянием щелочей и кислот. На него действуют  только расплавы фтора и трифторида хлора. Кроме того он обладает биологической устойчивостью, не разрушается под влиянием различных ферментов и микробов. Его удивительная невосприимчивость к воде позволяет ему  не разрушаться, находясь, длительное время (годами) в сырой среде. Тефлон не горюч и легко поддается обработке.

Благодаря таким уникальным свойствам тефлон получил широкое применение не только в  технике, но и в быту.

Его высокая коррозионная стойкость,  в том числе к единому урановому газу, оказалось очень благоприятной для изготовления деталей для атомной бомбы. Обладая высоким  электрическим сопротивлением, тефлон оказался идеальным веществом для изготовления носовых конусов бомб, невидимых для радаров. Он нашел применение в авиационных двигателях и радарных системах бомбардировщиков при изготовлении прокладок, клапанов, подшипников,  прозрачных для электромагнитных волн покрытий.  Его использовали для нанесения на  провода и трубы для продления их срока службы.

Начиная с 60-х годов прошлого столетия тефлон получает широкое применение в быту. В настоящее время изделия покрытием присутствуют в каждом доме.  Его водоотталкивающие свойство и несмачиваемость  жирами и маслами используется для изготовления поверхностей для кухонной посуды, ковров,  одежды, мебели, зонтов. Волокна тефлона используются в носках для уменьшения трения и предотвращения образования мозолей.

Распространение изделий с применением тефлона в быту обусловлено также  еще одним его свойством – физиологической нейтральностью, непричинением вреда здоровью, в том числе при достаточно высоких температурах (2000)изделия с применением тефлона разрешены для использования Федеральным Союзом Оптовой и Внешней торговли (BGA) и Комитетом пищевой и лекарственной промышленности США (FDA).

Безопасность применения посуды с тефлоновым покрытием.

Известно, что тефлон содержит токсические и вещества. При нагревании посуды с тефлоновым  покрытием свыше 200  они начинают выделяться и таким образом попадают в воздух  и продукты.  Ранее считалось, что разлагаются и становятся биологически инертными, то есть безопасными для здоровья человека и животных. Но оказалось, что это не так. Эти вещества способны накапливаться в живом организме и в неживой природе и предоставляют опасность для здоровья как человека, так и животных и птиц. Что касается последствий влияния вредных веществ на здоровье человека, то есть предположение, что этими последствиями могут быть раковые заболевания и врожденные дефекты. Однако непосредственная связь между тефлоновой посудой и этими последствиями окончательно не доказана. Есть претензии, в том числе иски, жителей, живущих пососедству с заводами по производству тефлона (Штат Западная Вержиния США) к администрации завода. Они считают, что завод загрязняет местные водные источники перфлюорооктановой кислотой, которая используется при производстве тефлона. По их мнению дефекты у новорожденных связаны с загрязнением источников воды.

Тем не менее, перфлюорооктановая  кислота, которая является наиболее токсичным веществом, содержится и в самом тефлоне. Выделяясь при температурах выше 200 она попадает в приготовленную пищу и окружающий воздух. Попадая в легкие человека она, как предполагается, может вызвать симптомы, так называемого, полимерного дымового жара- схожего с симптомами тяжелого и заболевания.  Правда, такой жар был зафиксирован у рабочих на производстве тефлона. Это заболевание опасно для курильщиков. Это послужило основанием считать, что производство тефлона вредно только для курильщиков. Однако, несмотря на это на производстве внедрены защитные маски.

Низшая температура, при которой было констатировано выделение вредных веществ из тефлона, составляла, 230. Тефлоновая сковорода нагревается выше этой температуры.  При этом, чем чаще нагревается сковорода, тем быстрее трескается тефлоновое покрытие  и процесс выделения вредных веществ только усиливается. Правда тефлон начинается растрескиваться при температуре выше 300. Тем не менее, не допускается приготовление пищи в посуде с поврежденным тефлоновым покрытием. Кроме того посуда должна быть без вмятин и выпуклостей. Несмотря на то, что по утверждению производителей тефлоновой посуды, в ней можно готовить пищу даже без масла и жира, тем не менее лучше смазывать поверхность, что поддерживает её от растрескивания и кроме того придаёт пище более аппетитный вид. Чем больше толщина покрытия, тем долговечнее посуда. Конечно, она должна быть в разумных пределах.  Как правило, толщина стенок   должна быть не менее 3мм. Посуда с тонким покрытием быстро нагревается, быстрый нагрев чреват неравномерностью нагрева, что способствует растрескиванию тефлонового покрытия. Покрытие может быть ячеистым, оно более долговечно, так как увеличивается поверхность нагрева, тепло распределяется более равномерно.

Существует мнение, что при приготовлении пищи в тефлоновой посуде необходимо пользоваться только деревянной лопаткой, чтобы не поцарапать поверхность. Это правильно хотя в настоящее время выпускаемая посуда с покрытием, более устойчивым к механическим повреждением.

 Таким образом, чтобы тефлоновая посуда не оказывала вредное воздействие при приготовлении пищи необходимо соблюдать тепловой режим, пользоваться посудой  с неповрежденной поверхностью, толщина которой должна быть не менее 3мм.  Пищи необходимо соблюдать тепловой режим, пользоваться посудой  с неповрежденной поверхностью , толщина которой должна быть не менее 3мм. Нужно готовить пищу с добавлением масла или жира  и желательно перемешивать деревянными лопатками. Во время тепловой обработки пищи нельзя курить.

Учитывая, что тефлоновая посуда пользуется широким спросом, а её утилизация  является трудоемким и высокозатратным процессом. то усовершенствование технологии утилизации тефлона становится актуальной задачей.

Утилизация тефлона химическим способом.

Решение этой задачи заключается в химическом способе утилизации тефлона и содержащихся в нем вредных веществ путем разложения их на составные элементы и нейтрализации агрессивного фтора с получением целевого продукта - фтора и цирконата калия K3 Zr F7.

Предлагаемый способ утилизации тефлона состоит из следующих операций:

• Механическое удаление тефлона с поверхности бытовой посуды.
• Поддержание химических реакций с политетрафторэтиленом (C2F4)n путём барботирования одного газа через расплав отработанного электролита при температуре 720- 850 С в присутствии цирконий содержащих соединений и графита.

Во время барботажа происходят следующие химические реакции:

ZrSiO4+6KF+2Cl2=K2ZrF6+4KCl+SiO2+O2
Zr+O2=ZrO2
ZrO2+6KF+2Cl2=K2ZrF6+4KCl+O2
C+O2=CO2
ZrSiO4+2KF+CF4=K2ZrF6+SiO2+CO2
ZrSiO4+4KF+CCl2F2=K2ZrF6+2KCl+SiO2+CO2
SiO2+6KF=K2SiF6+2K2O
ZrSiO4+K2SiF6=K2ZrF6+2SiO2
ZrO2+2KF+CF4=K2ZrF6+CO2
ZrO2+4KF+CCl2F2=K2ZrF6+2KCl+CO2
ZrO2+5KF+CCl3F=K2ZrF6+3KCl+CO2
ZrOF2+4KF+Cl2=K2ZrF6+2KCl+1/2O2
K2ZrF6+KCl=K3ZrF6Cl
K2ZrF6+KF=K3ZrF7

При взаимодействии цирконового концентрата с хлором образуется фторцирконат калия (ФЦК) и выделяется элементарный кислород, который вступает во взаимодействие с металлическим цирконием с образованием оксида циркония, а фреоны вступают в реакцию с оксидом циркония с получением ФЦК. При протекании этих реакций выделяется тепло, особенно при сгорании циркония и углерода. Перевод металлического циркония в оксид циркония за счет использования цирконового концентрата и подачи графита и оксифторида циркония приводят к снижению расхода электроэнергии и увеличению стойкости оборудования - прекращается разрушение графитовых электродов, мешалки и футеровки печи.

Температура плавления отработанного электролита (KF + KCl) снижается при введении смеси NaCl+NaF.

Тепловой баланс способа переработки смеси цирконийсодержащего сырья и отходов графита:

1. Приход тепла за счет экзотермических реакций и физического тепла поступающих материалов составляет 4016260,7 кДж.
   2. Расход тепла за счет потери с расплавом, парогазовой смесью и потери через стенки печи составляет 3984154,8 кДж.

Дебаланс: Qприход.-Qпотери=32105,9кДж.

Таким образом, нет необходимости расходовать электроэнергию, она необходима только в момент пуска установки (печи), остальное количество тепла для ведения процесса поддерживается за счет экзотермических реакций перевода циркония в оксид циркония, использования оксифторида циркония и горения отходов графита, которые протекают за счет элементарного кислорода, выделяющегося при взаимодействии цирконового концентрата с хлором.

Общими существенными признаками аналогов и прототипа с заявляемым способом является улавливание хлора и фтора (фреонов) при повышенной температуре путем барботирования газа через расплав солей.

Отличительными существенными признаками предложенного способа по сравнению с прототипом являются утилизация фтора и хлора из анодного газа, хлорида и фторида калия и циркония из электролита в расплаве солей при повышенной температуре и скорости подачи газа в расплав в присутствии цирконийсодержащего сырья и отходов графита с одновременным получением целевого продукта - фторцирконата калия.

Преимущество данного способа состоит в рациональном использовании фтора, хлора, содержащихся в продуктах электролиза (анодный газ, отработанный электролит), создании замкнутой малоотходной схемы получения металлического циркония.

Из просмотренных источников информации технических решений, решающих поставленную задачу и обладающих всей совокупностью существенных признаков ограничительной и отличительной частей формулы заявляемого изобретения, не выявлено, что доказывает новизну заявляемого на патентование изобретения.

Неочевидность, а следовательно, изобретательский уровень заявляемого технического решения вытекает из того, что, несмотря на известность ряда существенных признаков, нахождение их комбинации и интервалов используемых для осуществлении способа параметров требует значительного времени и затрат, а также наличия специфического исходного сырья - отходов циркониевого производства.

Использование данной совокупности существенных признаков - температура, скорость и глубина подачи анодного газа в расплав, состав расплава, соотношение цирконийсодержащего сырья к расплаву и отходам графита в процессе утилизации хлора, фреонов (анодный газ) фтора и циркония (отработанный электролит) в области техники и технологии не описано.

Пример осуществления.

Испытания проводились на лабораторной и полупромышленной печи, футерованной графитом, мешалка и электроды - графитовые.

Используемые материалы- отработанный электролит:

1. 60-65% KF; 20-25% KCl; 10-15% K2ZrF6; до 5% активного циркония.
   2. 55-60% KF; 5-7% NaF; 20-22% KCl; 2-3 NaCl; 9-12% K2ZrF6; 1-3% Na2ZrF6; до 5% активного циркония.

-цирконовый концентрат (ZrSiO4 - 82%; SiO2 - 15% остальное примеси Ti, Fe, Ca, Hf) с крупностью 0,074 мм;

-анодный газ: (50 - 62% Cl2); фреон (11-4) - 6%;

-фреон (12-2,7) - 5,0%; фреон (13-8,4) - 10,6%;

-фреон (14-5,6) - 9,2%; фреон (114-2,1) - 3,7%;

-фреон (115-0,3) - 0,5%; CO2 - 0,5 - 1,0%;

-кислород 0,1 - 0,3%; азот 1,0 - 2,0%;

-циркониевая стружка с крупностю 5-10 мм;

-облои с крупностью до 50 мм;

-обрезки циркониевых труб размером 9,14 х 50 мм;

- илы (порошок циркония, полученный после обработки катодного осадка) с крупностью 0,07-0,1 мм;

- оксифторид циркония (Zr 29 - 32%; F - 10-15%), крупность до 0,1 мм;

- отходы графита с крупностью до 5 мм.

350 кг отработанного электролита расплавляли в печи и при непрерывном перемешивании загружали в него 60 кг цирконового концентрата, 30 кг отходов металлического циркония (стружка), 5 кг оксифторида циркония и 3 кг отходов графита и барботировали анодный газ через расплав при температуре 720-850oC, скорости подачи 30-100 м3/м2·ч. Всего было пропущено 40 м3 анодного газа.

После проведения опыта получено 460 кг расплава с содержанием 36,3% K2ZrF6; 46,5% KCl; 10,5% KF; 4,9% SiO2. Степень утилизации хлора 99,97%; фреонов из анодного газа 99-99,7%.

В лабораторных условиях проводили выщелачивание измельченного сплава при температуре 90-95oC и Т:Ж = 1:6, времени 2 часа и одну водную репульпацию при тех же параметрах.

Степень извлечения циркония составляет ~ 99%. Степень утилизации отработанного электролита (KF, KCl, K2ZrF6) достигает ~ 100%.

Всего было проведено 20 опытов при различных соотношениях цирконий содержащих продуктов и электролита, отработанного графита, определены скорости подачи анодного газа, температура расплава, состав электролита, содержание KF (KF + NaF).

Из проведенных опытов следует, что поставленная цель - утилизация хлора и фтора из анодного газа и отработанного электролита, образующихся в процессе электролитического получения циркония с одновременным получением целевого продукта, фторцирконата калия, достигается при выполнении оптимальных параметров процесса:
- температура 720-850oC;

- скорость подачи газа в расплав 30-100 м3/(м2·ч);

- весовое соотношение цирконийсодержащего сырья и отработанного электролита и отходов графита 1:2 - 4:0,01 - 0,05;

-остаточное содержание KF (KF + NaF) в расплаве не менее 3%;
- в качестве цирконийсодержащего сырья используется цирконовый концентрат, металлические отходы циркония, оксифторид циркония при весовом соотношении 2 - 3:0,5 - 1,0 : 0,05 - 0,1;

- весовое соотношение фторида и хлорида калия и фторида и хлорида натрия в расплаве составляет 0,6 - 0,9 : 0,1 - 0,4.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает высокий уровень утилизации фтора, а также хлора и извлечения циркония из анодного газа и отработанного электролита. А цирконий найдет своё применение в атомной промышленности, медицине и конечно на кухни, как обладающей отличными гигиеническими свойствами благодаря высокой химической стойкости.

Основные выводы.

1. Технологический процесс изготовления кухонной посуды обусловил появление посуды со специальным антипригарным покрытием на тефлоновой основе.
2. Удобство и простота использования такой посуды, связанное с несмачиваемостью ее поверхности ни водой, ни жиром, ни маслом осложняются тем, что при высоких температурах (более 200) начинают выделяться вредные для здоровья человека вещества.
3. Для обеспечения безвредного для здоровья человека приготовления пищи необходимо соблюдать не сколько условий:

• не допускать длительного перегрева посуды свыше 300;
• использовать посуду с неповрежденной поверхностью;
• приобретать посуду с толщиной тефлонового покрытия не менее 3 мм;
• пользоваться деревянной лопаточкой для перемешивания пищи;
• соблюдать допустимый срок службы посуды, который колеблется от трех до десяти лет.

4. Учитывая токсичность тефлона, посуда с его покрытием подлежит специальной утилизации. Одним из возможных направлений его проведения может быть процесс изменения внутренней структуры тефлона и других токсичных веществ с помощью химических реакций, в результате которых получаются новые вещества, обладающие физиологической нейтральностью.

Список использованной литературы.

1. Витер, В.Н. Магний и тефлон. /В.Н. Витер/ Химия и Химики. – 2012.- № 5.
2. Журнал "Юный техник" «С чем едят  ТЕФЛОН» В.Четвергов
3. АиФ «Здоровье»№10 07 марта 2013 «Эмаль или тефлон?» О.Андреева
4. АИФ №2305 июня 2013 «Горшочек из... чего? Какая посуда делает нашу еду опасной» Л. Юдина
5. www2.dupont.com/Teflon/ru_RU ‎ Teflon ®: мифы и факты - DuPont
6. http://ca.uz/?cat=16 Архив рубрики ‘Про тефлон в общем’
7. http://lifecity.com.ua  Кем и когда был придуман ТЕФЛОН? - Энциклопедия
8. Джон Ллойд «Книга всеобщих заблуждений»  2006
9. Толковый словарь иноязычных слов. — 2004
10. http://www.ecoteco.ru/  Вред тефлонового покрытия