Circulaire economie van kunststoffen: vermindering van verontreinigingen in gerecycled materiaal en procesafvalwater

Voor de productie van secundaire grondstoffen uit een afvalstroom is het nodig om de volgende materialen te reinigen:

• De productstroom van 'risicocyclusstoffen'. Dit zijn stoffen binnen de materiaalmatrix: zowel opzettelijk toegevoegde stoffen (IAS), zoals additieven, als niet-opzettelijk toegevoegde stoffen (NIAS), zoals stoffen die ontstaan door de ontbinding van additieven.
• De procesuitlaatgassen en het afvalwater.

Zodra dit is voltooid, kan de secundaire grondstof worden gebruikt in de relevante productiestap van de kunststoflevenscyclus. Lees hier meer over het werk van DESOTEC in de kunststof- en composietenindustrie .

Nu de wereld ernaar streeft haar netto-nuldoelstellingen te halen, neemt de druk toe om de koolstofterugwinning uit afvalplastic te verhogen door de productie van hoogwaardige secundaire grondstoffen (om downcycling te voorkomen).

De modernste mechanische recyclingtechnieken zijn voornamelijk gebaseerd op extrusie, waarbij het polymeer intact blijft. Deze technologie werkt zeer goed voor relatief zuivere afvalstromen zoals PET.

Er worden echter steeds complexere meerlaagse kunststofcomposieten ontwikkeld voor verpakkingen, textiel, functionele materialen enzovoort, waarvoor geavanceerdere recyclingtechnologieën nodig zijn om een secundaire grondstofkwaliteit te bereiken die vergelijkbaar is met die van nieuwe materialen.

Bovendien kunnen additieven zoals kleurstoffen, weekmakers of vulstoffen een aanzienlijk deel van het gewicht van het kunststofproduct uitmaken. Deze additieven zijn noodzakelijk voor de functionaliteit, maar moeten worden verwijderd bij de productie van gerecycled kunststof als secundaire grondstof voor de directe vervanging van nieuw materiaal, vooral als dat gerecyclede materiaal voor een andere toepassing bestemd is.

Voor kortstondige plastic producten zoals verpakkingen voldoen de additieven die in plastic afvalstromen worden aangetroffen doorgaans aan de geldende chemische regelgeving (REACH/CLP in de EU en TSCA in de VS).

Sommige kunststofproducten voor de bouw of consumentengoederen hebben echter een veel langere levensduur. Daardoor kunnen stoffen zoals bisfenol-A, die al uitgefaseerd zijn, vandaag de dag nog steeds in het recyclingproces terechtkomen. Om de ophoping van deze (zeer) zorgwekkende stoffen (SVHC's), ook wel risicostoffen genoemd, te voorkomen, moet de gerecyclede kunststofproductstroom worden gereinigd.

Tabel 1: (Niet-)opzettelijk toegevoegde stoffen aan plastic materiaal en de gevaren die ze voor de mens opleveren.

Het belangrijkste bestanddeel van kunststofproducten is een polymeer of een combinatie van polymeren, opgebouwd uit herhalende chemische monomeereenheden. Daarnaast worden chemicaliën toegevoegd als verwerkingshulpmiddelen zoals smeermiddelen of als additieven zoals weekmakers, vlamvertragers, warmte- en lichtstabilisatoren of pigmenten. Deze omvatten moleculen zoals ftalaten, paraffines, bisfenolen, polyfluoralkylstoffen (PFAS), alkylfenolen, polyaromatische koolwaterstoffen (PAK's), biociden, talk en klei.

Figuur 2: Vergelijking van typische temperaturen die worden gebruikt bij plasticrecycling/valorisatieprocessen versus het kookpunt van typische plasticadditieven. De rechterkolom geeft aan in welke productfase de (ontleedde) niet-bedoelde (NIAS) en de beoogde toegevoegde stoffen (IAS) zich hoofdzakelijk bevinden.

Figuur 2 laat zien dat niet alle NIAS/IAS volledig in de dampfase kunnen worden verwijderd door middel van de typische procesparameters die worden gebruikt bij extrusie (mechanische recycling) om een additiefvrij recyclebaar product te verkrijgen.

Bij recyclingtechnologieën die een oplosmiddel gebruiken (delaminatie, depolymerisatie) is de verwijdering van (N)IAS uit het gerecyclede materiaal afhankelijk van de oplosbaarheid van de (N)IAS in het gebruikte oplosmiddel.

Bij thermische technologieën (pyrolyse, liquefactie) verdampen (N)IAS in de gewenste dampfase – gedeeltelijk of volledig ontleed. Zonder katalytische dampbehandeling zullen deze gemodificeerde moleculen in de gecondenseerde oliefase worden aangetroffen. Bij nog hogere temperaturen (vergassing, verbranding) verdampen de (N)IAS ook, maar worden ze voornamelijk geoxideerd tot _CO₂ (verbranding) of tot CO (vergassing). Zeer stabiele verbindingen zoals PFAS worden mogelijk niet gewijzigd en worden dan in de gas-/productfase aangetroffen.

Zowel oplosmiddelvereisende processen (solvolyse en depolymerisatie) als thermolytische processen (pyrolyse en vloeibaarmaking) resulteren in vloeistoffen die onzuiverheden bevatten, wat ongewenste kleuren, geuren en zelfs schadelijke stoffen kan veroorzaken. Dit vermindert de waarde van de gerecyclede grondstof en kan mogelijk schade toebrengen aan apparatuur of processen verderop in het proces. Bovendien kunnen plastic afvalstromen uit verschillende bronnen zeer uiteenlopende mate van verontreiniging vertonen, of juist relatief schoon zijn. Dit kan het lastig maken om de zakelijke haalbaarheid van een zuiveringstechnologie te bepalen.

Katalytische hydrobehandeling: Pyrolyseolie van plastic kan worden gereinigd met behulp van een katalytische hydrobehandelingsinstallatie. Deze technologie is bekend en beproefd, maar kan een zeer kostbare oplossing zijn, vooral voor kleinere toepassingen. Grotere raffinaderijen beschikken waarschijnlijk al over een hydrobehandelingsinstallatie, maar afhankelijk van de mate van verontreiniging kunnen de operationele kosten hoog oplopen door het hoge waterstofverbruik en de deactivering van de katalysator.

Bijtende reiniging: Een andere mogelijkheid is een reiniging met bijtende stoffen. Momenteel wordt de effectiviteit ervan op industriële schaal met pyrolyseolie van plastic onderzocht. Deze behandeling resulteert in een sterk met organische stoffen verontreinigde waterige afvalstroom die zelf ook een behandeling vereist die verder gaat dan een eenvoudige afvalwaterzuiveringsinstallatie.

Oplossingen voor de behandeling met actieve kool: Actieve koolfilters bieden een haalbaar alternatief voor zowel oplosmiddelverwerkende als thermolytische kunststofrecyclingprocessen. Ze zuiveren de vloeistof en olie voor de volgende fase van het recyclingproces. Actieve kool is relatief ongevoelig voor verschillende organische verontreinigingen, zelfs voor fluctuerende concentraties daarvan. Kwaliteitscontrole aan het eind van de productielijn kan volstaan om het zuiveringsproces met actieve kool te beheersen. Wanneer de actieve kool in mobiele filters wordt geleverd, zijn de investeringskosten minimaal en weerspiegelen de operationele kosten direct de hoeveelheid verontreinigingen die met de afvalstroom worden opgenomen. De vaste kosten worden geminimaliseerd.

Ons marktonderzoek toont aan dat er in Europa en Noord-Amerika een steeds groter aantal projecten voor de recycling van kunststoffen met nieuwe technologieën plaatsvindt, waar bijvoorbeeld pyrolyse wordt toegepast, en een vergelijkbaar aantal toepassingen van solvolyse/depolymerisatie. Bij deze projecten zijn diverse belanghebbenden betrokken, waaronder merkeigenaren, afvalverwerkers, technologieontwikkelaars, oliemaatschappijen en machinefabrikanten.

Veel klanten in de Europese markt voor pyrolyseolie, delaminatie en depolymerisatie van kunststoffen (en een paar klanten in de VS) testen onze oplossingen al in laboratoria, waaronder grootschalige pilotproeven met de commerciële filters van DESOTEC.

DESOTEC-oplossingen voor pyrolyseolie: Hoewel sommige bedrijven aanvankelijk dachten dat actieve kool alleen met water werkt, suggereren onze resultaten dat onze filtratieoplossingen in staat zijn om de hoeveelheid heteroatoomhoudende verontreinigingen in oliën te verminderen. Een reductie van 40% of meer van stikstof-, zuurstof- en chloorverbindingen werd bereikt bij zowel postindustriële als postconsumentenafvalpyrolyse.

Cruciaal hiervoor is hoogwaardige, op hernieuwbare grondstoffen gebaseerde actieve kool met een gunstige poriegrootteverdeling en oppervlaktegroepen. Gespecialiseerde filters kunnen de typische procesparameters aan – in sommige gevallen moet de filtratie bij een verhoogde temperatuur plaatsvinden om de olie- of zelfs wasfase verpompbaar te maken.

DESOTEC-oplossingen voor depolymerisatie en solvolyse: We voeren momenteel ook laboratoriumtests uit met een aanzienlijk aantal bedrijven op dit gebied. De te behandelen vloeistof is hierbij vaak protisch, in de meeste gevallen water (soms met een katalysator), bijvoorbeeld voor PET. Er worden echter ook andere oplosmiddelen of zelfs combinaties van oplosmiddelen (ook aprotisch) gebruikt.

De gebruikte soorten actieve kool zijn afhankelijk van het oplosmiddel, de mate van vervuiling en de gewenste zuiverheid van het product. Zo werd bijvoorbeeld een kleurreductie (verontreinigende stofreductie) van 99% bereikt bij de recycling van donker textielafval met behulp van oplosmiddelen. In een dergelijk scenario zouden speciale filters worden gebruikt voor hogere temperaturen en mogelijk hogere/lagere pH-waarden.