Economia circolare della plastica: riduzione dei contaminanti nei materiali riciclati e negli effluenti di processo

La produzione di materie prime secondarie da un flusso di rifiuti richiede la pulizia di:

• Il flusso di prodotti derivante da "sostanze del ciclo di rischio". Si tratta di sostanze presenti nella matrice del materiale: sia sostanze aggiunte intenzionalmente (IAS), come gli additivi, sia sostanze aggiunte non intenzionalmente (NIAS), come quelle derivanti dalla decomposizione degli additivi.
• I gas di scarico del processo e gli effluenti delle acque reflue.

Una volta completato questo passaggio, la materia prima secondaria può essere immessa nella fase produttiva corrispondente del ciclo di vita della plastica. Per saperne di più sul lavoro di DESOTEC nel settore delle materie plastiche e dei compositi, clicca qui.

Mentre il mondo si impegna a raggiungere i propri obiettivi di emissioni nette pari a zero, aumenta la pressione per aumentare il recupero del carbonio dai rifiuti di plastica attraverso la produzione di materie prime secondarie di alta qualità (per evitare il downcycling).

Le tecniche di riciclo meccanico più avanzate si basano principalmente sull'estrusione, che consente al polimero di rimanere intatto. Questa tecnologia funziona molto bene con flussi di rifiuti relativamente puri come il PET.

Tuttavia, vengono sviluppati compositi plastici multistrato sempre più complessi per imballaggi, tessuti, materiali funzionali ecc., che richiedono tecnologie di riciclaggio più sofisticate per raggiungere una qualità di materia prima secondaria simile a quella vergine.

Inoltre, gli IAS come coloranti, plastificanti o riempitivi possono costituire una frazione significativa in peso del prodotto plastico. Questi additivi sono necessari per la funzionalità, ma devono essere rimossi quando si produce materia prima secondaria in plastica riciclata per la sostituzione diretta del materiale vergine, soprattutto se tale materiale riciclato deve essere utilizzato in un'altra applicazione.

Per i prodotti in plastica di breve durata, come gli imballaggi, gli additivi presenti nei flussi di rifiuti di plastica sono in genere conformi alle attuali normative chimiche (REACH/CLP nell'UE e TSCA negli USA).

Tuttavia, alcuni prodotti in plastica per l'edilizia o i beni di consumo hanno una durata di vita molto più lunga. Pertanto, sostanze come il bisfenolo-A, già eliminate gradualmente, possono essere oggi immesse nel processo di riciclo. Per prevenire l'accumulo di queste sostanze (molto) estremamente preoccupanti (SVHC), chiamate anche sostanze del ciclo di rischio, il flusso di prodotti in plastica riciclata deve essere depurato.

Tabella 1: Sostanze aggiunte (non) intenzionalmente al materiale plastico e relativi pericoli per l'uomo

Il componente chiave dei prodotti in plastica è un polimero o una combinazione di polimeri ottenuti da unità monomeriche chimiche ripetute. Ulteriori sostanze chimiche vengono aggiunte come coadiuvanti di lavorazione, come lubrificanti, o come additivi, come plastificanti, ritardanti di fiamma, stabilizzanti al calore e alla luce o pigmenti. Tra queste rientrano molecole come ftalati, paraffine, bisfenoli, sostanze polifluoroalchiliche (PFAS), alchilfenoli, idrocarburi policiclici aromatici (IPA), biocidi, talco e argilla.

Fig. 2: Confronto tra le temperature tipiche utilizzate negli approcci di riciclo/valorizzazione della plastica e la temperatura di ebollizione di additivi plastici tipici. La colonna di destra indica in quale fase del prodotto si trovano principalmente le sostanze aggiunte non intenzionali (NIAS) (decomposte) e quelle aggiunte intenzionali (IAS).

La Fig. 2 mostra che non tutti i NIAS/IAS possono essere completamente rimossi nella fase vapore attraverso i tipici parametri di processo impiegati nell'estrusione (riciclo meccanico) per produrre un riciclato privo di additivi.

Per le tecnologie di riciclaggio che impiegano un solvente (delaminazione, depolimerizzazione), la rimozione dell'(N)IAS dal riciclato è funzione della solubilità dell'(N)IAS nel solvente utilizzato.

Con le tecnologie termiche (pirolisi, liquefazione), l'(N)IAS evaporerà nella fase vapore desiderata, parzialmente o completamente decomposta. Senza trattamento catalitico a vapore, queste molecole modificate si troveranno nella fase oleosa condensata. A temperature ancora più elevate (gassificazione, incenerimento), l'(N)IAS evaporerà anch'esso, ma verrà principalmente ossidato in _CO2 (incenerimento) o CO (gassificazione). Composti molto stabili come i PFAS potrebbero non essere alterati e quindi ritrovarsi nella fase gassosa/prodotto.

Sia i processi che richiedono solventi (solvolisi e depolimerizzazione) che quelli termolitici (pirolisi e liquefazione) producono liquidi contenenti impurità, che causano colori, odori e persino sostanze problematiche indesiderati, riducendo così il valore della materia prima riciclata e potenzialmente danneggiando le apparecchiature o i processi a valle. Inoltre, i flussi di rifiuti plastici provenienti da diverse fonti possono presentare gradi di contaminazione molto diversi o essere relativamente puliti. Ciò può rendere difficile valutare il business case per decidere una tecnologia di purificazione.

Idrotrattamento catalitico: l'olio di pirolisi della plastica può essere purificato utilizzando un idrotrattatore catalitico. Questa tecnologia è ben nota e collaudata, ma può rivelarsi una soluzione molto costosa, soprattutto per le applicazioni più piccole. Le raffinerie più grandi molto probabilmente dispongono già di un idrotrattatore, ma, a seconda del livello di contaminanti, questo potrebbe essere molto costoso da gestire in termini di consumo di idrogeno e di disattivazione del catalizzatore.

Lavaggio caustico: un'altra possibilità è il lavaggio caustico. Attualmente, la sua efficacia su scala industriale con olio di pirolisi della plastica è in fase di studio. Questo trattamento produce un flusso di rifiuti acquosi altamente contaminato da sostanze organiche, che a sua volta necessita di un trattamento che vada oltre un semplice impianto di trattamento delle acque reflue.

Soluzioni di trattamento a carbone attivo: i filtri a carbone attivo offrono una valida alternativa sia nelle applicazioni di riciclaggio della plastica che richiedono solventi sia in quelle termolitiche, purificando il liquido e l'olio per la fase successiva del processo di riciclaggio. Il carbone attivo è relativamente indifferente a diversi contaminanti organici o persino a concentrazioni fluttuanti degli stessi. Il controllo di qualità del prodotto a fine linea può essere sufficiente per il controllo del processo di purificazione del carbone attivo. Quando il carbone attivo viene fornito in filtri mobili, i costi di investimento sono minimi e i costi operativi riflettono direttamente l'immissione di contaminanti nel flusso di rifiuti. I costi fissi sono ridotti al minimo.

La nostra ricerca di mercato mostra un numero sempre crescente di progetti di riciclo della plastica con nuove tecnologie in Europa e Nord America, dove, ad esempio, viene implementata la pirolisi, e un numero analogo di applicazioni di solvolisi/depolimerizzazione. Questi progetti coinvolgono molteplici stakeholder, tra cui proprietari di marchi, operatori del settore della gestione dei rifiuti, sviluppatori di tecnologie, compagnie petrolifere e produttori di macchinari.

Molti clienti europei del settore della pirolisi della plastica, della delaminazione e della depolimerizzazione (e alcuni clienti negli Stati Uniti) stanno già testando le nostre soluzioni in laboratorio, compresi test pilota su scala industriale con i filtri commerciali DESOTEC.

Soluzioni DESOTEC per l'olio di pirolisi: sebbene alcune aziende inizialmente ritenessero che il carbone attivo funzionasse solo con l'acqua, i nostri risultati suggeriscono che le nostre soluzioni di filtrazione sono in grado di ridurre i livelli di contaminanti contenenti eteroatomi negli oli. È stata ottenuta una riduzione del 40% e oltre di composti di azoto, ossigeno e cloro sia per la pirolisi di rifiuti post-industriali che post-consumo.

Fondamentale è il carbone attivo di alta qualità, di origine rinnovabile, con una distribuzione granulometrica dei pori e gruppi superficiali ottimali. Filtri specializzati possono gestire i tipici parametri di processo: in alcuni casi, la filtrazione deve essere effettuata a temperature elevate per rendere pompabile la fase oleosa o persino cerosa.

Soluzioni DESOTEC per la depolimerizzazione e la solvolisi: abbiamo anche in corso test di laboratorio con un numero considerevole di aziende del settore. In questo caso, il liquido da trattare è spesso protico, nella maggior parte dei casi acqua (talvolta con un catalizzatore), ad esempio per il PET. Tuttavia, vengono utilizzati anche altri solventi o addirittura set di solventi (anch'essi aprotici).

I gradi di carbone attivo utilizzati in queste applicazioni dipendono dal solvente, dal grado di inquinamento e dal livello di purezza del prodotto richiesto. Ad esempio, è stata ottenuta una riduzione del 99% del colore (inquinante) nel riciclo a base di solventi di scarti tessili scuri. In tale scenario, verrebbero impiegati filtri specializzati per temperature elevate e valori di pH potenzialmente più alti/bassi.