1. Wstęp
Papier to naturalny biopolimer otrzymywany ze źródeł odnawialnych (drewna). Jest materiałem odnawialnym, można go poddać procesowi recyklingu, a na końcu cyklu życia – procesowi biodegradacji. Recykling papieru przedłuża cykl jego życia, wpływając na zmniejszenie zużycia surowców, mniejsze niż w przypad-
ku przetwarzania surowców pierwotnych zużycie energii, mniejsze zużycie środków chemicznych, ograniczenie zanieczyszczenia wód oraz na poprawę strategii zarządzania odpadami, umożliwiającą ograniczenie ilości odpadów biodegradowalnych spalanych z odzyskiem energii i składowanych na wysypiskach. Przydatność do recyklingu stanowi więc istotny element cyklu życia opakowań z papieru i tektury. Metodyka LCA pozwala sprawdzić, jaki wpływ na środowisko ma poddanie opakowania procesom recyklingu, a wyniki mogą stanowić bazę do projektowania opakowań z papieru i tektury pod tym kątem [1]. Różnice w parametrach i poziomach recyklingu wpływają na wydajność ekologiczną samego procesu recyklingu w aspektach takich jak np.: wykorzystanie chemikaliów, generowanie odpadów czy zużycie energii.
W celu określenia zależności pomiędzy wpływami środowiskowymi a przydatnością do recyklingu wybrane opakowania z tektury falistej poddano badaniom przydatności do recyklingu. Badania te opracowane zostały w ramach projektu Eco-PaperLoop przez międzynarodowe konsorcjum składające się z instytutów opakowaniowych oraz papierniczych z Polski, Niemiec, Włoch, Węgier oraz Słowenii, wykonał je zaś Techniczny Uniwersytet w Darmstadcie. W następnej kolejności dokonano obliczeń ilościowych związków pomiędzy uzyskaną w wyniku badań laboratoryjnych oceną przydatności do recyklingu wytypowanych opakowań a wpływami środowiskowymi, które to obliczenia posłużą do określenia końca cyklu życia w badaniu LCA.
Pierwsza część artykułu stanowi prezentację metodyki połączenia oceny przydatności do recyklingu z oceną wpływów środowiskowych według oceny cyklu życia. W kolejnej zaprezentowane zostaną przykładowe wyniki konkretnych zbadanych opakowań – pudeł z tektury falistej.
2. Metodyka LCA
Jako narzędzie oceny LCA wykorzystano program holenderskiej firmy Pré Consultants o nazwie SimaPro 8. Do interpretacji list emitowanych substancji chemicznych wybrano metodę ReCiPe, która daje możliwość oceny poszczególnych kategorii wpływów środowiskowych i umożliwia przeliczenie tych wpływów na kategorie szkód środowiskowych.
W ramach LCA opakowania zostały ocenione pod kątem następujących kategorii wpływów środowiskowych:
n zmiany klimatu z perspektywy życia ludzkiego;
n zniszczenia warstwy ozonowej;
n toksyczność z perspektywy życia ludzkiego;
n formowanie oksydantów fotochemicznych;
n formowanie cząstek stałych;
n promieniowanie jonizujące;
n zmiany klimatu z perspektywy ekosystemów;
n zakwaszenie gleb;
n eutrofizacja wód lądowych;
n ekotoksyczność gleb;
n ekotoksyczność wód lądowych;
n ekotoksyczność wód morskich;
n wykorzystanie terenów rolniczych;
n wykorzystanie terenów miejskich;
n transformacja terenów naturalnych;
n wykorzystanie metali oraz zużycie paliw kopalnych.
Kategorie te zostały przeliczone na kategorie szkód środowiskowych, zgodnie ze schematem na rys. 1.
W celu klarownej prezentacji oceny wpływu środowiskowego recyklingu opakowań z tektury falistej granice systemu Oceny Cyklu Życia zostały ograniczone do procesów związanych z końcem cyklu życia opakowania. Ogólny zarys scena-
riusza granic systemu przedstawia rys. 2. Jednostką funkcjonalną badania jest poddanie procesom recyklingu jednego wybranego opakowania.
3. Metodyka połączenia oceny przydatności do recyklingu z oceną wpływów środowiskowych według oceny cyklu życia
Głównym celem badań przydatności do recyklingu w relacji do oceny cyklu życia było znalezienie korelacji pomiędzy krytycznymi parametrami wynikającymi z badań i wskaźnikami wpływów środowiskowych.
Laboratoryjne badania przydatności do recyklingu przeprowadzone były zgodnie z metodą wypracowaną w projekcie EcoPaperLoop, której pełna nazwa to Recyclability Test for Packaging Products [2]. Metoda ta ocenia trzy główne parametry procesowe masy makulaturowej przygotowywanej do recyklingu:
n odrzut z sortowania: zawartość niepapierowych komponentów lub materiałów trudnych do rozwłóknienia, odseparowywanych w początkowej fazie recyklingu;
n płatki: zawartość drobnych niedoskonałości takich jak małe kawałki tworzyw sztucznych i zbitki włókien pierwotnych, które należy usunąć podczas sortowania;
n makrozanieczyszczenia kleiste: termin odnoszący się do pozostałości kleistych na sicie sortowniczym po frakcjonowaniu masy makulaturowej.
Wyniki badań laboratoryjnych będą się różniły w zależności od technologii wytwarzania i zaprojektowania wyrobów opakowaniowych z papieru oraz tektury, np. rodzajów użytego papieru, powlekania tworzywami sztucznymi lub folią, pokrywania, lakierowania, woskowania oraz typem i ilością substancji kleistych.
W oparciu o doświadczenie COBRO oraz wiedzę uzyskaną podczas konsultacji z Zakładem Recyklingu Papieru Uniwersytetu w Darmstadt stwierdzić można, że najważniejszymi parametrami recyklingu opakowań z tektury są odrzuty z sortowania i makrozanieczyszczenia kleiste w masie makulaturowej. Zbyt wysoki poziom tych parametrów wypływa na zwiększenie całkowitego wpływu środowiskowego produkcji makulatury.
W oparciu o możliwości technologiczne typowego zakładu przemysłowego produkującego wyroby opakowaniowe na bazie papieru i tektury opracowano metody działania w przypadku zwiększonego poziomu ww. parametrów. Celem procesu recyklingu jest uzyskanie niezbędnej jakości masy makulaturowej przy możliwie najwyższym stopniu wydajności i najniższym możliwym zużyciu energii. Jako tło dla tych badań posłużył przykład typowego europejskiego zakładu przemysłowego produkującego tekturę falistą przy użyciu typowych mieszanek papieru odzyskanego z gospodarstw domowych. Mieszanka taka zawiera zazwyczaj zużytą tekturę falistą oraz inne opakowania wytwarzane na bazie różnej jakości papieru i tektury.
Poszczególne etapy produkcyjne zakładu odzysku:
n wytwarzanie masy włóknistej wtórnej: od niskiej do średniej konsystencji;
n usuwanie płatków (opcjonalnie): rozwłóknianie zbitych włókien w młynie, np. poprzez tzw. disk screen;
n sortowanie i czyszczenie: standardowe maszyny do mechanicznego oddzielania zanieczyszczeń, wielkość otworów sita do 0,15 mm z możliwością użycia filtra odśrodkowego;
n odwadnianie i zagęszczanie;
n dyspersja/rozpraszanie.
Typowe procesy zakładu recyklingu dla papieru mieszanego i opakowań papierowych zaprezentowano na rys. 3.
4. Parametry procesowe masy makulaturowej przygotowywanej do recyklingu
4.1. Odrzut z sortowania (CR)
Zbyt wysoki poziom odrzutów z sortowania (CR) może być spowodowany obecnością papieru odpornego na wilgoć, powlekanego tworzywami sztucznymi, których nie da się oddzielić w rozwłókniaczu – oddzielenie następuje tu na powierzchni sita. Odrzuty z sortowania (CR) są zazwyczaj traktowane jako odpady specjalne i poddawane spalaniu lub deponowaniu na składowisku odpadów. Wysoki odsetek/poziom tych zanieczyszczeń zmniejsza wydajność procesu recyklingu, co powoduje zwiększenie zużycia surowca (makulatury). Tak więc odrzut z sortowania jest czynnikiem wpływającym na proces recyklingu w największym stopniu.
W badaniu LCA do określenia średniej wartości odrzutów z sortowania pudeł z tektury falistej wykorzystano dane zgromadzone w bazie danych przydatności do recyklingu wyrobów opakowaniowych, opracowanej przez instytuty badawcze z Polski (COBRO), Niemiec, Włoch, Węgier oraz Słowenii.
Jako średnie wyniki dla opakowań z tektury falistej mogą posłużyć następujące wartości:
n pudła z tektury falistej:
średnia odrzutów z sortowania (CR) = 3,0%.
W celu połączenia rezultatu odrzutów z sortowania (CR) z mierzalnym wynikiem LCA stworzono matrycę przedstawiającą zależność wyniku przydatności do recyklingu w kategorii odrzutów z sortowania z ilością odpadów, jakie będą generowane. Na podstawie tej zależności wyliczony został wzór funkcji, według której przeprowadzono badanie LCA. W otrzymanym wzorze funkcji, zastępując x procentowym wynikiem odrzutów z sortowania (CR) uzyskanym dla badanego opakowania, otrzymujemy ilość odpadów, jakie powstaną w ramach procesów recyklingu. W przypadku odrzutów z sortowania funkcja ma charakter liniowy: od najniżej możliwej oceny (0%) do najwyższej (20%). Jeśli badane opakowanie ma więcej niż 20% odrzutów z sortowania, recykling takiego opakowania nie jest uzasadniony ekonomicznie.
Funkcję przedstawiającą zależność zaprezentowano na wykr. 1.
4.2. Makrozanieczyszczenia kleiste (MSA)
Poziom makrozanieczyszczeń kleistych (MSA) w masie makulaturowej definiowany jest przez ilość nierozpuszczalnych cząsteczek kleistych, zbyt małych, by dało się łatwo oddzielić w standardowym procesie z wykorzystaniem sita.
Zazwyczaj nie ma problemu z usuwaniem makrozanieczyszczeń (MSA), pod warunkiem że ich średnica wynosi więcej niż 2 mm. Im mniejsza średnica, tym trudniej je rozdzielić i istnieje większa możliwość przedostania się części z nich przez otwory w sicie. Dlatego obszar zanieczyszczeń z frakcją cząsteczek o wielkości ekwiwalentu w postaci średnicy koła o wielkości poniżej 2000 μm został uwzględniony w dostępnym schemacie. W przypadku tego typu badań używamy tych samych produktów, tj. pudeł z tektury falistej oraz pudeł składanych.
Według bazy danych przydatności do recyklingu wyrobów opakowaniowych następujące wartości dla obszaru makrozanieczyszczeń (MSA) <2000 μm jako średnie wyniki dla badanej kategorii produktów mogą zostać przyjęte:
n pudła z tektury falistej:
średnia makrozanieczyszczeń (MSA) = 2600 mm2/kg.
Jeżeli ilość makrozanieczyszczeń kleistych jest wyższa niż średnia wartość dla tej kategorii, należy ją zredukować. Istnieje kilka sposobów redukcji:
1. dodatkowe cykle sortowania wyższe zużycie energii elektrycznej;
2. dyspersja wyższe zużycie energii elektrycznej.
Jeżeli wyrób zawiera liczbę makrozanieczyszczeń kleistych (MSA) niższą od średniej, nie zachodzi konieczność przeprowadzania dodatkowych cykli sortowania ani dyspersji, co przekłada się na oszczędność energii elektrycznej.
W celu połączenia rezultatu makrozanieczyszczeń (MSA) z mierzalnym wynikiem LCA stworzono matrycę przedstawiającą zależność wyniku przydatności do recyklingu w kategorii makrozanieczyszczeń (MSA) z ilością określonej w kilowatogodzinach energii potrzebnej w procesie recyklingu opakowania. Na podstawie zależności powstały wzory funkcji, według których przeprowadzono badanie LCA. W otrzymanych funkcjach, zastępując x wynikiem poziomu makrozanieczyszczeń (MSA) uzyskanym dla badanego opakowania, otrzymujemy ilość energii potrzebnej do przeprowadzenia recyklingu tego opakowania.
W przypadku makrozanieczyszczeń (MSA) wynik do 500 mm2/kg nie wpływa na ilość dodatkowej energii potrzebnej do likwidacji tych makrozanieczyszczeń (MSA) i wynosi 0,12 kWh/kg opakowania (wartość stała). Wynik powyżej wartości 500 mm2/kg do wysokości 2600 mm2/kg (średnia z bazy danych dla pudeł z tektury falistej) przyjmuje funkcję zobrazowaną na wykr. 2. Natomiast wynik od 2600 mm2/kg do 10000 mm2/kg – maksymalny wynik makrozanieczyszczeń (MSA), powyżej którego recykling opakowania nie jest uzasadniony ekonomicznie – przyjmuje funkcje opisaną na wykr. 3.
Najważniejszą kategorią wpływów środowiskowych recyklingu wyrobów opakowani
owych jest powstawanie odpadów oraz zużycie energii elektrycznej, co wpływa na wybrane kategorie wpływu w badaniu Oceny Cyklu Życia.
Literatura
[1] G. Elegir, A. Faul, A. Fischer, G. Ganczewski, Awareness – Improving the quality of paper for recycling, Newsletter of the EcoPaperLoop Project, 02/2013.
[2] strona internetowa [www. ecopaperloop. eu/packaging/2014_EcoPaperLoop_Method_Recyclability_of_Packaging.pdf], dostęp: maj 2015.
[3] H.-J. Putz, S. Runte, Packaging Paper and Board: Raw Materials, Production, Converting and Recyclability, EcoPaperLoop seminar, Warsaw, October 2013.
