Gospodarka o obiegu zamkniętym w tworzywach sztucznych: redukcja zanieczyszczeń w materiałach poddanych recyklingowi i ściekach procesowych

Produkcja surowców wtórnych ze strumienia odpadów wymaga oczyszczenia:

• Strumień produktów z „substancji cyklu ryzyka”. Są to substancje wchodzące w skład matrycy materiałowej: zarówno substancje dodane celowo (IAS), takie jak dodatki, jak i substancje dodane niecelowo (NIAS), takie jak te powstające w wyniku rozkładu dodatków.
• Spaliny procesowe i ścieki.

Po zakończeniu tego etapu surowiec wtórny może zostać wprowadzony do odpowiedniego etapu produkcji w cyklu życia tworzywa sztucznego. Więcej informacji o działalności firmy DESOTEC w branży tworzyw sztucznych i kompozytów można znaleźć tutaj.

W obliczu globalnych wysiłków zmierzających do osiągnięcia celu zerowej emisji netto, rośnie presja na zwiększenie odzysku węgla z odpadów z tworzyw sztucznych poprzez produkcję wysokiej jakości surowców wtórnych (aby zapobiec downcyclingowi).

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

Jednakże coraz bardziej złożone wielowarstwowe kompozyty z tworzyw sztucznych są opracowywane na potrzeby opakowań, tekstyliów, materiałów funkcjonalnych itp., co wymaga bardziej zaawansowanych technologii recyklingu, aby uzyskać jakość surowca wtórnego porównywalną z jakością surowca pierwotnego.

Ponadto IAS, takie jak barwniki, plastyfikatory lub wypełniacze, mogą stanowić znaczną część masy produktu z tworzywa sztucznego. Dodatki te są niezbędne dla jego funkcjonalności, ale muszą zostać usunięte podczas produkcji wtórnego surowca z tworzyw sztucznych pochodzącego z recyklingu, który ma bezpośrednio zastąpić materiał pierwotny, zwłaszcza jeśli ten materiał z recyklingu ma zostać wykorzystany w innym zastosowaniu.

W przypadku nietrwałych produktów z tworzyw sztucznych, takich jak opakowania, dodatki znajdujące się w strumieniach odpadów z tworzyw sztucznych zazwyczaj spełniają obowiązujące przepisy dotyczące chemikaliów (REACH/CLP w UE i TSCA w USA).

Jednak niektóre produkty z tworzyw sztucznych przeznaczone do celów budowlanych lub dóbr konsumpcyjnych mają znacznie dłuższą żywotność. W związku z tym substancje takie jak bisfenol A, które zostały już wycofane, mogą być obecnie wprowadzane do procesu recyklingu. Aby zapobiec gromadzeniu się tych substancji (SVHC), zwanych również substancjami cyklu ryzyka, strumień produktów z tworzyw sztucznych poddanych recyklingowi musi zostać oczyszczony.

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

Kluczowym składnikiem wyrobów z tworzyw sztucznych jest polimer lub kombinacja polimerów zbudowana z powtarzających się jednostek monomerów chemicznych. Dalsze substancje chemiczne są dodawane jako środki wspomagające przetwarzanie, takie jak środki smarne, lub jako dodatki, takie jak plastyfikatory, środki zmniejszające palność, stabilizatory termiczne i świetlne lub pigmenty. Należą do nich takie cząsteczki jak ftalany, parafiny, bisfenole, substancje polifluoroalkilowe (PFAS), alkilofenole, węglowodory poliaromatyczne (WWA), biocydy, talk i glinka.

Rys. 2: Porównanie typowych temperatur stosowanych w metodach recyklingu/waloryzacji tworzyw sztucznych z temperaturą wrzenia typowych dodatków do tworzyw sztucznych. Prawa kolumna wskazuje, w której fazie produktu znajdują się głównie (rozłożone) substancje niepożądane (NIAS) i substancje celowo dodane (IAS).

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

W przypadku technologii recyklingu wykorzystujących rozpuszczalnik (delaminacja, depolimeryzacja) usuwanie (N)IAS z recyklatu jest funkcją rozpuszczalności (N)IAS w stosowanym rozpuszczalniku.

Dzięki technologiom termicznym (piroliza, skraplanie) (N)IAS odparuje do pożądanej fazy gazowej – częściowo lub całkowicie rozłożonej. Bez katalitycznego oczyszczania parowego te zmodyfikowane cząsteczki znajdą się w fazie oleju skondensowanego. W jeszcze wyższych temperaturach (zgazowanie, spalanie) (N)IAS również odparuje, ale zostanie głównie utleniony do _CO2 (spalanie) lub CO2 (zgazowanie). Bardzo stabilne związki, takie jak PFAS, mogą nie ulec zmianie i znajdować się w fazie gazowej/produktowej.

Zarówno procesy wymagające rozpuszczalnika (solwoliza i depolimeryzacja), jak i termoliza (piroliza i upłynnianie) prowadzą do powstania cieczy zawierających zanieczyszczenia, które powodują niepożądane zabarwienie, zapachy, a nawet substancje budzące obawy, obniżając tym samym wartość surowca pochodzącego z recyklingu i potencjalnie uszkadzając urządzenia lub procesy w dalszej części procesu. Ponadto strumienie odpadów z tworzyw sztucznych z różnych źródeł mogą charakteryzować się bardzo różnym stopniem zanieczyszczenia lub być stosunkowo czyste. Może to utrudniać analizę biznesową i wybór technologii oczyszczania.

Katalityczne hydrorafinowanie: Olej pirolityczny tworzyw sztucznych można oczyścić za pomocą katalitycznego hydrorafinatora. Technologia ta jest dobrze znana i sprawdzona, ale może być bardzo kosztownym rozwiązaniem, szczególnie w przypadku mniejszych zastosowań. Większe rafinerie najprawdopodobniej posiadają już hydrorafinator, ale w zależności od poziomu zanieczyszczeń, jego eksploatacja może być bardzo kosztowna pod względem zużycia wodoru i dezaktywacji katalizatora.

Mycie żrące: Inną możliwością jest mycie żrące. Obecnie badana jest jego skuteczność na skalę przemysłową z olejem pirolitycznym tworzyw sztucznych. W wyniku tego procesu powstaje strumień ścieków wodnych o wysokim stopniu zanieczyszczenia substancjami organicznymi, który sam w sobie wymaga oczyszczania wykraczającego poza zwykłą oczyszczalnię ścieków.

Rozwiązania z wykorzystaniem węgla aktywnego: Filtry z węglem aktywnym stanowią realną alternatywę zarówno w zastosowaniach wymagających rozpuszczalników, jak i w termolitycznym recyklingu tworzyw sztucznych, oczyszczając ciecz i olej przed kolejnym etapem procesu recyklingu. Węgiel aktywny jest stosunkowo odporny na różne zanieczyszczenia organiczne, a nawet ich zmienne stężenia. Kontrola jakości produktu na końcu linii produkcyjnej może być wystarczająca do kontroli procesu oczyszczania węglem aktywnym. W przypadku filtrów mobilnych z węglem aktywnym, koszty inwestycyjne są bardzo niskie, a koszty operacyjne bezpośrednio odzwierciedlają ilość zanieczyszczeń wprowadzanych do strumienia odpadów. Koszty stałe są minimalizowane.

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

Wielu klientów z europejskiej branży oleju pirolitycznego, delaminacji i depolimeryzacji tworzyw sztucznych (oraz kilku klientów w USA) już testuje nasze rozwiązania w laboratoriach, w tym przeprowadza pilotażowe testy przemysłowe z wykorzystaniem komercyjnych filtrów DESOTEC.

Rozwiązania DESOTEC dla oleju pirolitycznego: Chociaż niektóre firmy początkowo uważały, że węgiel aktywny 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% lub więcej w przypadku pirolizy odpadów przemysłowych i pokonsumenckich.

Kluczem do tego jest wysokiej jakości węgiel aktywny, pochodzący z odnawialnych źródeł, o korzystnym rozkładzie wielkości porów i grupach powierzchniowych. Specjalistyczne filtry radzą sobie z typowymi parametrami procesu – w niektórych przypadkach filtracja musi być przeprowadzana w podwyższonej temperaturze, aby umożliwić pompowanie fazy olejowej, a nawet woskowej.

Rozwiązania DESOTEC do depolimeryzacji i solwolizy: Prowadzimy również testy laboratoryjne z wieloma firmami z tej branży. W tym przypadku oczyszczana ciecz jest często protyczna, najczęściej jest to woda (czasami z katalizatorem), np. w przypadku PET. Stosowane są jednak również inne rozpuszczalniki, a nawet zestawy rozpuszczalników (również aprotyczne).

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