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

Voor de productie van secundaire grondstoffen uit een afvalstroom is het nodig om het volgende 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 die welke ontstaan door de ontleding van additieven.
• De procesuitlaat en het afvalwater.

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

Nu de wereld streeft naar het behalen van de netto-nuldoelstellingen, groeit de druk om de koolstofterugwinning uit afvalplastic te vergroten door de productie van hoogwaardige secundaire grondstoffen (om downcycling te voorkomen).

State-of-the-art mechanische recyclingtechnieken zijn meestal extrusie-gebaseerd, waarbij het polymeer intact blijft. Deze technologie werkt erg goed voor relatief zuivere afvalstromen zoals PET.

Er worden echter steeds complexere, meerlaagse kunststofcomposieten ontwikkeld voor verpakkingen, textiel, functionele materialen en dergelijke. Deze vereisen geavanceerdere recyclingtechnologieën om de kwaliteit van secundaire grondstoffen te bereiken die vergelijkbaar is met die van nieuw materiaal.

Bovendien kunnen IAS zoals kleurstoffen, weekmakers of vulstoffen een aanzienlijk gewichtsdeel van het plastic product vormen. Deze additieven zijn noodzakelijk voor de functionaliteit, maar moeten worden verwijderd bij de productie van gerecycled plastic secundaire grondstof voor de directe vervanging van nieuw materiaal, vooral als dat gerecyclede materiaal in een andere toepassing moet worden gebruikt.

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

Sommige plastic producten voor de bouw of consumptiegoederen hebben echter een veel langere levensduur. Stoffen zoals bisfenol-A die al zijn uitgefaseerd, kunnen dus vandaag nog in het recyclingproces terechtkomen. Om ophoping van deze (zeer) zorgwekkende stoffen (SVHC), ook wel risicocyclusstoffen genoemd, te voorkomen, moet de gerecyclede plastic productstroom worden gereinigd.

Tabel 1: (Niet-)opzettelijk toegevoegde stoffen aan kunststofmateriaal en hun gevaren voor de mens

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

Figuur 2: Vergelijking van typische temperaturen die worden gebruikt in plastic recycling/valorisatiebenaderingen versus kooktemperatuur van typische plasticadditieven. De rechterkolom geeft aan in welke productfase de (ontbonden) Niet-bedoelde (NIAS) en de Bedoelde Toegevoegde Stoffen (IAS) voornamelijk te vinden zijn.

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

Bij recyclingtechnologieën waarbij gebruik wordt gemaakt van een oplosmiddel (delaminatie, depolymerisatie) is de verwijdering van (N)IAS uit het recyclaat afhankelijk van de oplosbaarheid van de (N)IAS in het gebruikte oplosmiddel.

Met thermische technologieën (pyrolyse, liquefactie) zal (N)IAS verdampen tot de gewenste dampfase - gedeeltelijk of volledig afgebroken. Zonder katalytische dampbehandeling zullen deze gemodificeerde moleculen in de gecondenseerde oliefase worden aangetroffen. Bij nog hogere temperaturen (vergassing, verbranding) zal de (N)IAS ook verdampen, maar zal voornamelijk worden geoxideerd tot CO ₂
(verbranding) of tot CO (vergassing). Zeer stabiele verbindingen zoals PFAS worden mogelijk niet veranderd en bevinden zich vervolgens in de gas-/productfase.

Zowel oplosmiddel-vereisende (solvolyse en depolymerisatie) als thermolytische (pyrolyse en liquefactie) processen resulteren in vloeistoffen die onzuiverheden bevatten, die ongewenste kleuren, geuren en zelfs zorgwekkende stoffen veroorzaken, waardoor de waarde van de gerecyclede grondstof afneemt en mogelijk downstream apparatuur of processen worden beschadigd. Bovendien kunnen plastic afvalstromen uit verschillende bronnen zeer verschillende gradaties van verontreiniging hebben, of relatief schoon zijn. Dit kan het moeilijk maken om de businesscase te berekenen om te beslissen over een zuiveringstechnologie.

Katalytische hydrobehandeling: Plastic pyrolyse-olie kan worden gereinigd met een katalytische hydrobehandeling. Deze technologie is bekend en bewezen, maar kan een zeer dure oplossing zijn, vooral voor kleinere toepassingen. Grotere raffinaderijen hebben waarschijnlijk al een hydrobehandeling, maar afhankelijk van het niveau van verontreinigingen kan dit zeer duur zijn om te gebruiken in termen van waterstofverbruik en katalysatordeactivering.

Caustic wash: Een andere mogelijkheid is een caustic wash. Momenteel wordt de effectiviteit ervan op industriële schaal met plastic pyrolyse-olie onderzocht. Deze behandeling resulteert in een sterk met organische stoffen verontreinigde waterige afvalstroom die zelf verder moet worden behandeld dan een eenvoudige afvalwaterzuiveringsinstallatie.

Oplossingen voor behandeling met actieve kool: Actieve koolfilters bieden een levensvatbaar alternatief in zowel oplosmiddelvereisende als thermolytische plasticrecyclingtoepassingen, waarbij de vloeistof en olie worden gezuiverd voor de volgende fase van het recyclingproces. Actieve kool is relatief agnostisch voor verschillende organische verontreinigingen of zelfs fluctuerende concentraties daarvan. Eindproductkwaliteitscontrole kan voldoende zijn voor de controle van het zuiveringsproces van actieve kool. Wanneer de actieve kool in mobiele filters wordt geleverd, zijn de investeringskosten zeer minimaal en weerspiegelen de bedrijfskosten direct de inname van verontreinigingen met de afvalstroom. Vaste kosten worden geminimaliseerd.

Uit ons marktonderzoek blijkt dat er steeds meer plastic recyclingprojecten met nieuwe technologieën zijn in Europa en Noord-Amerika, waar bijvoorbeeld pyrolyse wordt geïmplementeerd, en een vergelijkbaar aantal solvolyse-/depolymerisatietoepassingen. Bij deze projecten zijn meerdere belanghebbenden betrokken, waaronder merkeigenaren, afvalverwerkers, technologieontwikkelaars, oliebedrijven en machinefabrikanten.

Veel klanten in de Europese markt voor pyrolyse-olie, delaminatie en depolymerisatie van kunststof (en een paar klanten in de VS) testen onze oplossingen al in laboratoria, waaronder pilottests op industriële schaal met de commerciële filters van DESOTEC.

DESOTEC-oplossingen voor pyrolyse-olie: Hoewel sommige bedrijven aanvankelijk dachten dat actieve kool alleen met water werkt, suggereren onze resultaten dat onze filtratieoplossingen in staat zijn om niveaus van heteroatoombevattende verontreinigingen in oliën te verminderen. Een reductie van 40% en meer van stikstof-, zuurstof- en chloorverbindingen werd bereikt voor zowel post-industriële als post-consumer afvalpyrolyse.

De sleutel hiervoor is hoogwaardige hernieuwbare actieve kool met een gunstige poriegrootteverdeling en oppervlaktegroepen. Gespecialiseerde filters kunnen omgaan met de typische procesparameters – in sommige gevallen moet de filtratie worden uitgevoerd bij een verhoogde temperatuur om de olie- of zelfs wasfase pompbaar te maken.

DESOTEC-oplossingen voor depolymerisatie en solvolyse: We hebben ook laboratoriumtesten lopen met een aanzienlijk aantal bedrijven op dit gebied. Hierbij is de te behandelen vloeistof vaak protisch, in de meeste gevallen water (soms met een katalysator), bijvoorbeeld voor PET. Er worden echter ook andere oplosmiddelen of zelfs sets van oplosmiddelen (ook aprotisch) gebruikt.

De soorten actieve kool die in deze toepassingen worden gebruikt, zijn afhankelijk van het oplosmiddel, de mate van vervuiling en het vereiste zuiverheidsniveau van het product. Een reductie van 99% kleur (vervuiling) werd bijvoorbeeld bereikt bij oplosmiddelgebaseerde recycling van donker textielafval. In een dergelijk scenario zouden gespecialiseerde filters worden gebruikt voor verhoogde temperaturen en mogelijk hogere/lagere pH-waarden.