بازیافت شیمیایی پلیمرها چگونه انجام می شود؟

پسماندهای پلاستیکی مانند انواع بطری‌ها، ظروف یک‌بار مصرف و قطعات پلاستیکی صنعتی و خانگی از مواد پلیمری مانند پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پلی استایرن، PVC، PET تشکیل شده‌اند. این دسته پلیمرها بعد از مصرف به‌دلیل عدم تجزیه آسیب بسیاری به محیط زیست وارد می‌کنند. این در حالی است که بازیافت صحیح این مواد می‌تواند سود اقتصادی مناسبی به دنبال داشته باشد. بازیافت شیمیایی پلیمرها، روشی پایدار برای تبدیل پلاستیک‌های مصرفی به مواد اولیه ارزشمند است. با این کار علاوه بر کاهش حجم پسماند و جلوگیری از آلودگی زیست محیطی، فرصت‌های صنعتی بسیاری برای تولید سوخت، مواد شیمیایی و محصولات جدید ایجاد می‌شود. روش‌های مختلفی مانند پیرولیز، گازسازی، هیدروکراگینگ برای بازیافت شیمیایی پلیمرها استفاده می‌شود که در این مطلب بعد از بررسی هر یک، مزایا و چالش‌های آن ها را نیز بررسی می‌کنیم.

همچنین بخوانید:

♣ روغن پیرولیز | از لاستیک تایر تا سوخت پاک

♣ لزوم تصفیه و بازیافت روغن سوخته

بازیافت شیمیایی پلیمرها چیست؟

بازیافت شیمیایی پلیمرها روش تبدیل پسماندهای پلاستیکی پلیمری به مونومرها یا مواد اولیه با کیفیت و ارزشمند از طریق تغییر ساختار شیمیایی آن‌ها است. در این روش بر خلاف بازیافت مکانیکی که از خرد کردن، ذوب و قالب‌گیری مجدد در فرایند استفاده می‌کند، ساختار شیمیایی پسماند کاملا تغییر می‌یابد.

در بازیافت شیمیایی، محصول خروجی بسیار متنوع و دارای ارزش صنعتی است.  به عنوان مثال مونومرها و الیگومرهای خالص قابل استفاده در تولید پلیمرهای جدید با کیفیت، ترکیبات شیمیایی مانند مونومرهای PET یا پلی‌آمید، سوخت‌های مایع و روغن‌های سنتزی نمونه‌ای از خروجی این نوع بازیافت هستند. ضمن اینکه آلودگی زیست محیطی این روش پایین‌تر از بازیافت مکانیکی است. البته بازیافت مکانیکی به‌دلیل سادگی و کم هزینه‌تر بودن ممکن است در برخی موارد اولویت واحدهای صنعتی باشد. اما بیشتر واحدهای پلمیری به‌دلیل کارآیی بالاتر و سودآوری بیشتر بازیافت شیمیایی، این روش را مورد استفاده قرار می‌دهند.

انواع فناوری‌های تجاری در بازیافت شیمیایی پلمیرها

پیرولیز، کراکینگ کاتالیستی، گازی‌سازی و دی‌پلیمریزاسیون شیمیایی چهار فناوری تجاری مورد استفاده برای بازیافت شیمیایی هستند. هر یک از این روش‌ها با توجه به نوع فرایند و تجهیزات به‌کار رفته در آن مزایا و چالش‌های خود را دارند.

پیرولیز

پیرولیز (Pyrolysis) یا کراکینگ حرارتی  یکی از پرکاربردترین فناوری‌های بازیافت شیمیایی است که درآن پلیمرها طی یک فرایند حرارتی بدون حضور اکسیژن تجزیه می‌شوند. در این فرایند ساختار ماکروی پسماند پلیمری تحت دمای بالاتر از ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد شکسته شده و به روغن سنتزی، محصولات سوختی و مونومرهای باکیفیت تبدیل می‌شوند.

در این فرایند تنظیم دما، فشار و زمان ماندگاری در دستگاه در تعیین ترکیب محصولات موثر است. به شکلی که در دماهای بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد گاز و در دماهای بین ۳۰۰ تا ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد روغن مایع تولید می‌شود.

مزایا و چالش‌های بازیافت شیمیایی  پلیمر با پیرولیز

پیرولیز فناوری نسبتا ساده است و پارامترهای فرایند را می‌توان متناسب با نیاز و اولویت برای بهینه‌سازی بازده محصول تنظیم کرد. ضمن اینکه برای بازیافت پسماندهای پلیمری پیچیده و ناهمگن که سخت‌تر شکسته می‌شوند، بسیار کاربرد دارد. با این حال برخی پسماندهای خاص مانند پلیمرهای PVC در زمان بازیافت از طریق پیرولیز ترکیبات کلردار تولید می کنند که سمی هستند. فناوری پیرولیز چالش‌هایی مانند مصرف بالای انرژی، حساسیت نسبت به آلودگی پسماند و کیفیت پایین‌تر محصول خروجی نسبت به سایر روش‌ها دارد که هنگام بازیافت در واحد پلیمری باید مورد توجه قرار گیرد.

کراکینگ کاتالیزوری

کراگینگ کاتالیزوری (Catalytic Cracking) روش مشابه پیرولیز است با این تفاوت که در آن برای افزایش سرعت واکنش از کاتالیست‌هایی مانند زئولیت و سیلیکا-آلومینا استفاده می‌شود. اضافه کردن کاتالیست با کاهش انرژی فعال‌سازی فرایند این امکان را فراهم می‌آورد که فرایند تخریب ساختار پلیمری در دماهای پایین‌تر (۳۰۰ تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد) انجام گیرد. بنابراین مصرف انرژی تا حد زیادی کاهش پیدا می کند.

مزایا و چالش‌های بازیافت شیمیایی پلیمر با پیرولیز

با این فناوری در صورت استفاده از کاتالیست مناسب می‌توان روغن مایع بیشتری نسبت به پیرولیز معمولی تولید کرد. اما در نقطه مقابل نسبت به آلودگی پسماندهای ورودی حساس است، زیرا حضور ناخالصی‌هایی مانند کلر و نیتروژن کاتالیست را غیر فعال می‌کند و مواد معدنی نیز باعث مسدود شدن روزنه‌های کاتالیست می‌شوند. به همین دلیل برای جلوگیری از این چالش‌ها، پسماندها را قبل از ورود به دستگاه تحت پیش‌تصفیه قرار می‌دهند. کراکینگ کاتالیستی برای تولید مواد اولیه خالص مورد استفاده در پلیمرهای اولفینی و پلی استایرن بسیار کاربرد دارد.

گازی‌سازی

گازی سازی (Gasification)  تغییر ساختار شیمیایی پسماندهای پلاستیکی از طریق اکسیداسیون جزئی آن‌ها در حضور یک عامل اکسیدکننده مانند مخلوط بخار آب و اکسیژن خاص یا هوا است.  این فرایند، پلیمر را به‌صورت کامل تجزیه می‌کند و خروجی آن مخلوطی از هیدروکربن ها و گاز سنتز است که از آن برای تولید انرژی یا مواد شیمیایی استفاده می‌شود. گازی‌سازی معمولا در دماهای بالا ۷۰۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌گیرد و نوع عامل اکسید کننده در تعیین ترکیب محصول نهایی تاثیر دارد.

مزایا و چالش‌های بازیافت شیمیایی پلیمر با گازی‌سازی

گازی‌سازی فرایندی بسیار مناسب برای تجزیه کامل زنجیرهای پلیمری پسماندها است. در صورت استفاده از بخار به‌عنوان کاتالیست، هیدروژن تولیدی از فرایند ارزش صنعتی بسیار بالایی دارد. قابلیت پردازش پسماندهای پلاستیکی مخلوط و حتی پلاستیک های ترکیبی با سایر خوراک‌ها این فناوری را به گزینه‌ای انعطاف‌پذیر برای تبدیل این موارد تبدیل می‌کند.

با این حال فرایند گازی‌سازی بسیار انرژی‌بر و پر هزینه است و برای مقرون‌به‌صرفه کردن عملیات لازم است حجم بالایی از پسماند پلاستیکی را به آن تزریق کرد. همچنین این فرایند منجر به تولید آلاینده‌های خطرناک مانند اکسید نیتروژن می‌شود که لازم است عملیات لازم برای جلوگیری از انتشار آن‌را انجام داد. برای عملکرد پایدار این فرایند، آماده‌سازی دقیق خوراک شامل خرد کردن، آسیاب، الک‌ کردن و کنترل رطوبت پیش شرط اساسی است.

کمولیز

در کمولیز (Chemolysis) پلیمرها با استفاده از یکی از روش‌های دپلیمریزاسیون مانند متانولیز، گلیکولیز، هیدرلیز، الکولیز و آمینولیز به مونومرها، الیگورمرها یا ترکیبات شیمیایی ساده شکسته می‌شوند. با این روش و حذف رنگ‌ها یا افزودنی‌ها از پسماندها، مواد اولیه بسیار باکیفیتی تولید می‌شود که حتی در موارد حساس مانند صنایع غذایی مناسب هستند. کمولیز بیشتر برای پلیمرهای تراکمی مانند PET و پلی‌آمید قابل استفاده است و بیشترین بازده را در پسماندهای همگن و تفکیک شده دارد.

 مزایا و چالش‌های بازیافت شیمیایی پلیمر با کمولیز

تولید محصولات خالص با ارزش افزوده بالا که به‌صورت مستقیم قابل استفاده در صنایع پلیمری هستند، یکی از مزایای مهم کمولیز است. همچنین مصرف انرژي کمتر در مقایسه با سایر روش‌های متداول، این فناوری را از نظر فنی و اقتصادی به گزینه‌ای کارآمد تبدیل می‌کند.

با این حال برای مقرون به‌صرفه بودن از نظر عملیاتی نیازمند حجم خوراک بالاست. همچنین به دلیل خلوص بالای محصولات خروجی، این مواد گران‌تر از پلیمرهای نو هستند. محدود بودن استفاده از کمولیز از نظر تبدیل مواد به پلیمرهای تراکمی مانند PET، پلی‌اورتان و پلی کربنات کاربرد آن از نظر کارآیی را نسبت به سایر روش‌ها پایین‌تر می‌آورد.

سایر فناوری‌های مورد استفاده در بازیافت شیمیایی پلیمرها

علاوه بر چهار فناوری رایج اشاره شده، روش‌های دیگر زیر نیز در حال توسعه هستند که جنبه تجاری پیدا نکرده‌اند.

• هیدروکراکینگ: افزودن هیدروژن به فرایند پیرولیز در فشار بالای حدود ۷۰ اتمسفر و دمای ۳۵۰ تا ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد
• پیرولیز با اصلاح خطی: پیرولیز پسماند پلیمری در راکتور اول و اصلاح محصول پیرولیز در راکتور بعد در دمای ۵۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد
• پیرولیز با کمک مایکروویو: استفاده از انرژی مایکروویو برای گرم کردن یکنواخت و سریع پسماند پلیمری و تبدیل آن به هیدروکربن‌های سبک‌تر
• پیرولیز پلاسمایی:‌ استفاده از دمای بالا ۱۷۳۰ تا ۹۷۳۰ درجه سانتی‌گراد و زمان بسیار کوتاه ۰.۰۱ تا ۰.۵ ثانیه و پلاسما برای شکستن سریع پسماند پلاستیکی
• گازی‌سازی پلاسما: تجزیه پلیمرها توسط مشعل‌های قوس پلاسما در دمای بسیار بالا حدود ۱۴۰۰۰ درجه سانتی‌گراد و زمان ماند پایین بین ۳۰ دقیقه تا ۳ ساعت

نقش مواد شوینده و ضدعفونی‌کننده‌ها در فرایند بازیافت شیمیایی پلیمر

شوینده‌ها و ضدعفونی‌کننده‌های شیمیایی با تاثیر بر آماده‌سازی مناسب پسماند، نقش موثری در افزایش کیفیت محصول خروجی، بهینه سازی فرایند، افزایش بازده و بهداشت عملیات را دارند. هر چند این نقش معمولا نادیده گرفته می‌شود، اما به‌دلیل آلوده بودن پسماندهای پلیمری، حذف آن‌ها به این روش فرایند بازیافت را بهینه می‌کند. مواد شوینده با حذف مواد آلی و معدنی سطحی، رنگ‌ها و سایر آلاینده‌های ناخواسته، بازدهی کیفی فرایند را به‌خصوص در صورت استفاده از کمولیز افزایش می‌دهند. همچنین در فرایند کراکینگ کالیزوری مسدود شدن منافذ کاتالیست‌ها یا تولید ترکیبات جانبی نامطلوب را کاهش می‌دهند. ضدعفونی‌کننده نیز با حذف میکروب‌های عامل تولید بوی نامطبوع ایمنی عملیاتی را افزایش می‌دهند.

کلام آخر:

بازیافت شیمیایی پلیمرها شکستن زنجیره پلیمری به مونومرها و تولید ترکیبات با ارزش افزوده بالاتر استو در این فرایند مواد تولیدی کیفیت بالایی دارند و قابل استفاده در تولید محصولات مختلف صنعتی هستند. چهار فناوری پیرولیز، کراکینگ کاتالیزوری، گازی‌سازی و کمولیز روش‌های تجاری مورد استفاده در بازیافت شیمیایی هستند که هر یک مزیت‌ها و محدودیت‌های خاص خود را دارند. علاوه بر توجه به تنظیم دما، فشار، زمان ماندگاری پسماند در راکتور، حذف آلاینده‌های سطحی پسماندهای پلیمری نیز در افزایش کیفیت فرایند موثر است. استفاده از مواد شوینده و بایوساید آرال شیمی مانند بایوساید پی، می‌تواند با حذف رنگ‌ها، افزودنی‌های ناخواسته، آلودگی‌ها و حتی میکروب‌ها بازده تولید و کیفیت محصول را افزایش دهند. با این حال استفاده از آن‌ها نیازمند کنترل مناسب غلظت و توجه به پارامترهای فرایندی هر فناوری است.