Depolimeryzacja termiczna - Thermal depolymerization
Depolimeryzacja termiczna ( TDP ) to proces przekształcania polimeru w monomer lub mieszaninę monomerów, głównie za pomocą środków termicznych. Może być katalizowana lub niekatalizowana i różni się od innych form depolimeryzacji, które mogą polegać na zastosowaniu środków chemicznych lub działaniu biologicznym. Procesowi temu towarzyszy wzrost entropii .
Dla większości polimerów depolimeryzacja termiczna jest procesem chaotycznym, dając mieszaninę związków lotnych. W ten sposób materiały mogą ulegać depolimeryzacji podczas gospodarowania odpadami , a wytworzone składniki lotne są spalane jako forma syntetycznego paliwa w procesie przetwarzania odpadów na energię . W przypadku innych polimerów depolimeryzacja termiczna jest procesem uporządkowanym dającym pojedynczy produkt lub ograniczony asortyment produktów, przemiany te są zwykle bardziej wartościowe.
Nieuporządkowana depolimeryzacja
W przypadku większości materiałów polimerowych depolimeryzacja termiczna przebiega w sposób nieuporządkowany, przy czym losowe rozerwanie łańcucha daje mieszaninę związków lotnych. Wynik jest ogólnie podobny do pirolizy , chociaż w wyższych temperaturach zachodzi zgazowanie . Reakcje te można zaobserwować podczas gospodarowania odpadami , gdzie produkty są spalane jako paliwo syntetyczne w procesie przetwarzania odpadów na energię . W porównaniu ze zwykłym spalaniem polimeru wyjściowego, depolimeryzacja daje materiał o wyższej wartości opałowej, który może być spalany bardziej efektywnie i może być również sprzedawany. Spalanie może również wytwarzać szkodliwe dioksyny i związki dioksynopodobne . Jednakże, ponieważ etap depolimeryzacji jest energochłonny, ostateczny bilans efektywności energetycznej może być bardzo napięty i był przedmiotem krytyki.
Biomasa
Wiele odpadów rolniczych i zwierzęcych może być przetwarzanych, ale często są one już wykorzystywane jako nawóz , pasza dla zwierząt, aw niektórych przypadkach jako surowiec dla papierni lub jako paliwo do kotłów niskiej jakości . Depolimeryzacja termiczna może przekształcić je w bardziej wartościowe ekonomicznie materiały. Opracowano liczne technologie biomasy do płynnych . Ogólnie rzecz biorąc, biochemikalia zawierają atomy tlenu, które są zatrzymywane podczas pirolizy, dając płynne produkty bogate w fenole i furany . Można je uważać za częściowo utlenione i nadają się do paliw niskiej jakości. Technologie upłynniania hydrotermalnego odwadniają biomasę podczas obróbki termicznej, aby wytworzyć bardziej bogaty w energię strumień produktu. Podobnie, zgazowanie wytwarza wodór, paliwo o bardzo wysokiej energii.
Tworzywa sztuczne
Odpady z tworzyw sztucznych składają się głównie z tworzyw sztucznych i mogą być aktywnie sortowane z odpadów komunalnych . Piroliza mieszanych tworzyw sztucznych może dawać dość szeroką gamę produktów chemicznych (od około 1 do 15 atomów węgla), w tym gazy i ciecze aromatyczne. Katalizatory mogą dawać lepiej zdefiniowany produkt o wyższej wartości. Podobnie hydrokraking może być zastosowany do uzyskania produktów LPG . Obecność PVC może być problematyczna, ponieważ jego depolimeryzacja termiczna generuje duże ilości HCl , które mogą powodować korozję urządzeń i niepożądane chlorowanie produktów. Musi być albo wykluczony, albo skompensowany przez zainstalowanie technologii dichlorowania. Polietylen i polipropylen stanowią zaledwie mniej niż połowę światowej produkcji tworzyw sztucznych, a będąc czystymi węglowodorami, mają wyższy potencjał konwersji na paliwo. Technologie „plastiku na paliwo” w przeszłości miały problemy z opłacalnością ekonomiczną ze względu na koszty zbierania i sortowania plastiku oraz stosunkowo niską wartość produkowanego paliwa. Duże zakłady są postrzegane jako bardziej ekonomiczne niż mniejsze, ale wymagają większych inwestycji do budowy. Podejście to może jednak prowadzić do łagodnego spadku netto emisji gazów cieplarnianych.
W gospodarce odpadami opon opcjami jest również piroliza opon . Olej pochodzący z pirolizy gumy z opon zawiera wysoką zawartość siarki, co daje mu wysoki potencjał jako zanieczyszczenie i wymaga hydroodsiarczania przed użyciem. Obszar ten napotyka przeszkody prawne, ekonomiczne i marketingowe. W większości przypadków opony są po prostu spalane jako paliwo z opon .
Odpady komunalne
Termiczne przetwarzanie odpadów komunalnych może obejmować depolimeryzację bardzo szerokiej gamy związków, w tym tworzyw sztucznych i biomasy. Technologie mogą obejmować proste spalanie, a także pirolizę, zgazowanie i zgazowanie plazmowe . Wszystkie są w stanie pomieścić mieszane i zanieczyszczone surowce. Główną zaletą jest zmniejszenie objętości odpadów, szczególnie na terenach gęsto zaludnionych, gdzie brakuje odpowiednich miejsc na nowe składowiska . W wielu krajach spalanie z odzyskiem energii pozostaje najbardziej powszechną metodą, a bardziej zaawansowane technologie są utrudnione przez przeszkody techniczne i kosztowe.
Uporządkowana depolimeryzacja
Niektóre materiały rozkładają się termicznie w uporządkowany sposób, dając pojedynczy lub ograniczony asortyment produktów. Ze względu na to, że są czystymi materiałami, są one zwykle bardziej wartościowe niż mieszaniny wytwarzane przez nieuporządkowaną depolimeryzację termiczną. W przypadku tworzyw sztucznych jest to zwykle początkowy monomer, a gdy jest on zawracany z powrotem do świeżego polimeru, nazywa się to recyklingiem surowca. W praktyce nie wszystkie reakcje depolimeryzacji są całkowicie wydajne i często obserwuje się pewną konkurencyjną pirolizę.
Biomasa
Biorafinerie przekształcają niskowartościowe odpady rolnicze i zwierzęce w przydatne chemikalia. Przemysłowa produkcja furfuralu przez katalizowaną kwasem obróbkę termiczną hemicelulozy trwa od ponad wieku. Lignina była przedmiotem znaczących badań nad potencjalną produkcją BTX i innych związków aromatycznych, chociaż takie procesy nie zostały jeszcze w pełni skomercjalizowane.
Tworzywa sztuczne
Niektóre polimery, takie jak PTFE , Nylon 6 , polistyren i PMMA, ulegają depolimeryzacji w celu uzyskania wyjściowych monomerów . Można je ponownie przekształcić w nowy plastik w procesie zwanym recyklingiem chemicznym lub surowcowym. Teoretycznie zapewnia to nieskończoną możliwość recyklingu, ale jest również droższe i ma wyższy ślad węglowy niż inne formy recyklingu tworzyw sztucznych.
Powiązane procesy
Choć obecnie rzadko stosowane, zgazowanie węgla było historycznie prowadzone na dużą skalę. Depolimeryzacja termiczna jest podobna do innych procesów wykorzystujących przegrzaną wodę jako główny etap produkcji paliw, takich jak bezpośrednie skraplanie hydrotermalne . Różnią się one od procesów wykorzystujących suche materiały do depolimeryzacji, takich jak piroliza . Termin konwersja termochemiczna (TCC) jest również używany do konwersji biomasy w oleje przy użyciu przegrzanej wody, chociaż częściej stosuje się go do produkcji paliwa poprzez pirolizę. Inne procesy na skalę przemysłową obejmują proces „SlurryCarb” prowadzony przez EnerTech, który wykorzystuje podobną technologię do dekarboksylacji mokrych stałych bioodpadów, które można następnie fizycznie odwadniać i stosować jako paliwo stałe zwane E-Fuel. Zakład w Rialto w Kalifornii został zaprojektowany do przetwarzania 683 ton odpadów dziennie. Nie spełniła jednak standardów projektowych i została zamknięta. Linia Rialto nie wywiązuje się ze spłaty obligacji i jest w trakcie likwidacji. Proces hydrotermicznego ulepszania (HTU) wykorzystuje przegrzaną wodę do produkcji oleju z odpadów domowych. Mówi się, że instalacja demonstracyjna, która ma zostać uruchomiona w Holandii, będzie mogła przetwarzać 64 tony biomasy ( suchej masy ) dziennie na olej. Depolimeryzacja termiczna różni się tym, że zawiera proces wodny, po którym następuje bezwodny proces krakingu/destylacji.
Polimery kondensacyjne bez rozszczepialnych grup, takich jak estry i amidy, mogą również ulegać całkowitej depolimeryzacji przez hydrolizę lub solwolizę , może to być proces czysto chemiczny, ale może być również wspomagany przez enzymy. Takie technologie są mniej rozwinięte niż te z depolimeryzacji termicznej, ale mają potencjał do obniżenia kosztów energii. Do tej pory najdokładniej przebadanym polimerem był politereftalan etylenu . Alternatywnie, odpady z tworzyw sztucznych można przekształcić w inne cenne chemikalia (niekoniecznie w monomery) poprzez działanie mikrobiologiczne.