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 da 'sostanze del ciclo di rischio'. Si tratta di sostanze all'interno della matrice del materiale: sia sostanze aggiunte intenzionalmente (IAS), come gli additivi; sia sostanze aggiunte non intenzionalmente (NIAS), come quelle risultanti 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 di produzione pertinente del ciclo di vita della plastica. Leggi di più qui sul lavoro di DESOTEC nel settore delle materie plastiche e dei compositi .

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 riciclaggio meccanico all'avanguardia sono per lo più basate sull'estrusione, in cui il polimero rimane intatto. Questa tecnologia funziona molto bene per 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 delle materie prime secondarie pari a quella vergine.

Inoltre, IAS come coloranti, plastificanti o riempitivi possono costituire una frazione significativa del peso del prodotto in plastica. 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 plastici sono generalmente 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 durate di vita molto più lunghe. Pertanto, sostanze come il bisfenolo-A che sono già state eliminate gradualmente, possono entrare nel processo di riciclaggio oggi. Per prevenire l'accumulo di queste sostanze altamente preoccupanti (SVHC), chiamate anche "sostanze del ciclo di rischio", il flusso di prodotti in plastica riciclata deve essere pulito.

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

Il composto chiave dei prodotti in plastica è un polimero o una combinazione di polimeri realizzati da unità monomeriche chimiche ripetute. Ulteriori sostanze chimiche vengono aggiunte come coadiuvanti di lavorazione, come lubrificanti o come additivi come plastificanti, ritardanti di fiamma, stabilizzatori di calore e luce o pigmenti. Tra questi 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 riciclaggio/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 figura 2 mostra che non tutti i NIAS/IAS possono essere completamente rimossi nella fase di vapore attraverso i tipici parametri di processo impiegati nell'estrusione (riciclaggio 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) (N)IAS evaporerà nella fase di vapore desiderata, parzialmente o completamente decomposta. Senza il trattamento catalitico del vapore, queste molecole modificate si troveranno nella fase oleosa condensata. A temperature ancora più elevate (gassificazione, incenerimento), (N)IAS evaporerà anche ma sarà principalmente ossidato in CO₂ (incenerimento) o in CO (gassificazione). Composti molto stabili come i PFAS potrebbero non essere alterati e quindi ritrovati nella fase gas/prodotto.

Sia i processi che richiedono solventi (solvolisi e depolimerizzazione) che quelli termolitici (pirolisi e liquefazione) producono liquidi che contengono impurità, causando colori indesiderati, odori e persino sostanze preoccupanti, riducendo quindi 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 avere gradi di contaminazione molto diversi o essere relativamente puliti. Ciò può rendere difficile calcolare il business case per decidere su una tecnologia di purificazione.

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

Lavaggio caustico: un'altra possibilità è un 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 necessita di un trattamento che vada oltre un semplice impianto di trattamento delle acque reflue.

Soluzioni di trattamento con carbone attivo: i filtri a carbone attivo offrono un'alternativa praticabile sia nelle applicazioni di riciclaggio di 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 agnostico rispetto a diversi contaminanti organici o persino alle loro concentrazioni fluttuanti. 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 arriva in filtri mobili, i costi di investimento sono molto minimi e i costi operativi riflettono direttamente l'assunzione di contaminanti con il flusso di rifiuti. I costi fissi sono ridotti al minimo.

La nostra ricerca di mercato mostra che c'è un numero sempre crescente di progetti di riciclaggio di materie plastiche con nuove tecnologie in Europa e Nord America dove, ad esempio, viene implementata la pirolisi e un numero simile di applicazioni di solvolisi/depolimerizzazione. Questi progetti coinvolgono più parti interessate, tra cui proprietari di marchi, gestori di 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 dei rifiuti post-industriali che post-consumo.

La chiave di tutto questo è il carbone attivo di alta qualità a base rinnovabile con una distribuzione delle dimensioni dei pori e gruppi di superficie vantaggiosi. Filtri specializzati possono far fronte ai tipici parametri di processo: in alcuni casi, la filtrazione deve essere eseguita a una temperatura elevata 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 in questo settore. Qui, il liquido da trattare è spesso protico, nella maggior parte dei casi acqua (a volte 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 riciclaggio a base di solventi di rifiuti tessili scuri. In tale scenario, verrebbero impiegati filtri specializzati per temperature elevate e valori di pH potenzialmente più alti/bassi.