Obieg zamknięty tworzyw sztucznych: redukcja zanieczyszczeń w materiałach pochodzących z recyklingu i ściekach procesowych

Produkcja materiałów i półproduktów z odpadów wymaga oczyszczania:

• Surowców z substancji szkodliwych. Są to substancje w obrębie matrycy materiałowej, zarówno substancje dodane celowo (IAS), jak i substancje dodane nieumyślnie (NIAS)
• Powietrza procesowego i ścieków

Przetworzony surowiec wtórny może zostać wprowadzony następnie do odpowiedniego etapu produkcji wyrobów plastikowych. Przeczytaj więcej o pracy DESOTEC w branży tworzyw sztucznych i kompozytów tutaj.

W obliczu globalnych wysiłków zmierzających do osiągnięcia zerowych emisji, rośnie presja na zwiększenie odzysku węgla z odpadów z tworzyw sztucznych poprzez produkcję z odpowiednich surowców wtórnych.

Najnowocześniejsze techniki recyklingu mechanicznego opierają się głównie na wytłaczaniu, w którym polimer pozostaje niezmodyfikowany. Technologia ta sprawdza się bardzo dobrze w przypadku stosunkowo czystych strumieni odpadów, takich jak PET.

Jednakże coraz bardziej złożone wielowarstwowe kompozyty z tworzyw sztucznych są wdrażane z myślą o opakowaniach, tekstyliach, materiałach funkcjonalnych itp. Wymagają one bardziej zaawansowanych technologii recyklingu, aby uzyskać jakość porównywalną z jakością surowca pierwotnego.

Ponadto IAS, takie jak barwniki, plastyfikatory lub wypełniacze, mogą stanowić znaczną frakcję wagową produktu z tworzywa sztucznego. Te dodatki są niezbędne dla funkcjonalności, ale muszą zostać usunięte podczas produkcji recyklingowej, zwłaszcza jeśli materiał docelowo ma być użyty w innym zastosowaniu.

W przypadku nietrwałych wyrobów z tworzyw sztucznych, takich jak opakowania, dodatki znajdujące się w strumieniach odpadów są zazwyczaj zgodne z obowiązującymi przepisami dotyczącymi substancji chemicznych (REACH/CLP w UE i TSCA w USA).

Jednak niektóre produkty z tworzyw sztucznych przeznaczone do budownictwa lub dóbr konsumpcyjnych mają znacznie dłuższą żywotność. W związku z tym substancje takie jak bisfenol-A, które zostały już wycofane, mogą dziś trafić do procesu recyklingu. Aby zapobiec gromadzeniu się substancji wzbudzających szczególnie duże obawy (SVHC), strumień odpadów poddanych recyklingowi musi zostać oczyszczony.

Tabela 1: Substancje dodane (nie)umyślnie do tworzyw sztucznych i ich zagrożenia dla ludzi

Kluczowym składnikiem produktów z tworzyw sztucznych jest polimer lub kombinacja polimerów. Towarzyszące substancje chemiczne są dodawane jako środki wspomagające przetwarzanie (np. środki smarne) lub jako dodatki (plastyfikatory, środki zmniejszające palność, stabilizatory cieplne i świetlne lub pigmenty). Należą do nich cząsteczki, takie jak ftalany, parafiny, bisfenole, substancje polifluoroalkilowe (PFAS), alkilofenole, węglowodory poliaromatyczne (WWA), biocydy, talk i glina.

Rys. 2: Porównanie typowych temperatur stosowanych w recyklingu/waloryzacji plastiku z temperaturą wrzenia typowych dodatków do plastiku. Prawa kolumna wskazuje, w której fazie produktu można znaleźć głównie (rozłożone) substancje niezamierzone (NIAS) i substancje zamierzone dodane (IAS).

Rys. 2 pokazuje, że nie wszystkie NIAS/IAS można całkowicie usunąć do fazy gazowej przy typowych parametrach procesu stosowanych w wytłaczaniu (recyklingu mechanicznym) w celu uzyskania produktu wolnego od dodatków.

W przypadku technologii recyklingu wykorzystujących rozpuszczalnik (delaminacja, depolimeryzacja) usuwanie (N)IAS z produktu recyklingu zależy od rozpuszczalności (N)IAS w zastosowanym rozpuszczalniku.

Dzięki technologiom termicznym (piroliza, skraplanie) (N)IAS odparuje do pożądanej fazy gazowej, w formie częściowo lub całkowicie rozłożonej. Bez katalitycznego przetwarzania parowego te zmodyfikowane cząsteczki znajdą się w fazie oleju skondensowanego. W jeszcze wyższych temperaturach (gazyfikacja, spalanie) (N)IAS również odparuje, ale zostaje utleniony do CO₂ (spalanie) lub do CO (gazyfikacja). Bardzo stabilne związki, takie jak PFAS, mogą nie ulec reakcji i znajdować się w fazie gazowej/produktowej.

Zarówno procesy wymagające rozpuszczalnika (solwoliza i depolimeryzacja), jak i termoliza (piroliza i upłynnianie) skutkują powstaniem strumieni cieczy zawierających zanieczyszczenia, powodujące niepożądane kolory, zapachy, a także substancje "budzące obawy". Zmniejsza to wartość surowca pochodzącego z recyklingu i potencjalnie może szkodzić urządzeniom lub procesowi. Ponadto strumienie odpadów z tworzyw sztucznych z różnych źródeł mogą mieć bardzo różne stopnie zanieczyszczenia. Utrudnia to przygotowanie biznesplanu i w efekcie wyboru technologii oczyszczania.

Katalityczna hydrorafinacja: Olej pirolityczny z tworzyw sztucznych można oczyścić za pomocą katalitycznego hydrorafinatora. Ta technologia jest dobrze znana i sprawdzona, ale może być bardzo drogim rozwiązaniem, szczególnie w przypadku mniejszych zastosowań. Większe rafinerie najprawdopodobniej będą już miały hydrorafinator, ale w zależności od poziomu zanieczyszczeń może być on bardzo kosztowny w eksploatacji pod względem zużycia wodoru i dezaktywacji katalizatora.

Mycie żrące: Inną możliwością jest mycie żrące. Obecnie bada się jego skuteczność na skalę przemysłową z olejem pirolitycznym plastiku. To leczenie skutkuje silnie zanieczyszczonym organicznymi substancjami strumieniem odpadów wodnych, który sam w sobie wymaga oczyszczania wykraczającego poza prostą oczyszczalnię ścieków.

Rozwiązania w zakresie obróbki węglem aktywnym: Filtry z węglem aktywnym oferują realną alternatywę zarówno w zastosowaniach wymagających rozpuszczalnika, jak i w termolizie recyklingu tworzyw sztucznych, oczyszczając ciecz i olej na potrzeby następnego etapu procesu recyklingu. Węgiel aktywny jest stosunkowo agnostyczny wobec różnych zanieczyszczeń organicznych lub nawet ich zmiennych stężeń. Kontrola jakości produktu na końcu linii produkcyjnej może być wystarczająca do kontrolowania procesu oczyszczania węglem aktywnym. Gdy węgiel aktywny znajduje się w filtrach mobilnych, koszty inwestycji są bardzo minimalne, a koszty operacyjne bezpośrednio odzwierciedlają pobieranie zanieczyszczeń ze strumieniem odpadów. Koszty stałe są zminimalizowane.

Nasze badania rynku pokazują, że w Europie i Ameryce Północnej stale rośnie liczba projektów recyklingu tworzyw sztucznych z nowymi technologiami, gdzie na przykład wdrażana jest piroliza, a także podobna liczba zastosowań solwolizy/depolimeryzacji. Projekty te obejmują wielu interesariuszy, w tym właścicieli marek, firmy zajmujące się odpadami, twórców technologii, firmy naftowe i producentów maszyn.

Wielu klientów z branży pirolizy oleju z tworzyw sztucznych, delaminacji i depolimeryzacji (oraz kilku klientów w USA) już testuje nasze rozwiązania w laboratoriach, w tym prowadzi testy pilotażowe na skalę przemysłową z wykorzystaniem komercyjnych filtrów firmy DESOTEC.

Rozwiązania DESOTEC dla oleju pirolitycznego: Chociaż niektóre firmy początkowo uważały, że węgiel aktywowany działa tylko z wodą, nasze wyniki sugerują, że nasze rozwiązania filtracyjne są w stanie zmniejszyć poziom zanieczyszczeń zawierających heteroatomy w olejach. Osiągnięto redukcję związków azotu, tlenu i chloru o 40% i więcej w przypadku pirolizy odpadów przemysłowych i konsumenckich.

Kluczem do tego jest wysokiej jakości węgiel aktywowany na bazie odnawialnej z korzystnym rozkładem wielkości porów i grupami powierzchni. Specjalistyczne filtry mogą poradzić sobie z typowymi parametrami procesu – w niektórych przypadkach filtracja musi być przeprowadzana w podwyższonej temperaturze, aby uczynić fazę olejową lub nawet woskową nadającą się do pompowania.

Rozwiązania DESOTEC do depolimeryzacji i solwolizy: Prowadzimy również testy laboratoryjne z wieloma firmami w tej dziedzinie. Tutaj ciecz do oczyszczenia jest często protyczna, w większości przypadków woda (czasami z katalizatorem), np. w przypadku PET. Jednak stosuje się również inne rozpuszczalniki lub nawet zestawy rozpuszczalników (również aprotyczne).

Gatunki węgla aktywowanego stosowane w tych zastosowaniach zależą od rozpuszczalnika, stopnia zanieczyszczenia i wymaganego poziomu czystości produktu. Na przykład, 99% redukcji koloru (zanieczyszczenia) osiągnięto w przypadku recyklingu ciemnych odpadów tekstylnych na bazie rozpuszczalnika. W takim scenariuszu specjalistyczne filtry byłyby stosowane w przypadku podwyższonych temperatur i potencjalnie wyższych/niższych wartości pH.