Slovensky
Viac tém

Ing. Lubomír Zeman: Udržateľný rozvoj a recyklácia plastov 3. časť

Ing. Lubomír Zeman: Udržateľný rozvoj a recyklácia plastov 3. časť

Ing. Lubomír Zeman, expert v oblasti vstrekovania plastov, autor mnohých publikácií predstavuje svoj odborný článok o udržateľnom rozvoji a recyklácii, ktoré minimalizujú negatívne dopady súčasného rozvoja ľudskej spoločnosti. Tretia časť je venovaná technológiám recyklácie plastov. Na štvrtú časť sa môžete tešiť už 5.6.2024.

První čásť článku »

Druhá část článku »

8. MECHANICKÁ RECYKLACE

Mechanická recyklace je definována jako sekundární recyklace,což je fyzikální proces ( při recyklaci neprobíhají žádné chemické reakce ) při němž se z polymerního odpadu získává materiál nebo výrobek,jehož vlastnosti jsou odlišné od původního. Je to nejběžnější přístup k recyklaci pevného plastového odpadu ( PSW , TKO ) a ve většině vyspělých zemích má zavedenou infrastrukturu. Jak bylo uvedeno, při sekundární recyklaci je plastový odpad,vyřazený spotřebitelem z oběhu  znovu zpracován a přeměněn na nové materiály, respektive výrobky.

S pokrokem zařízení PSW a tím zvyšující se dostupností mechanicky recyklovaného PSW,včetně legislativních a dalších požadavků jsou původní plasty v mnoha průmyslových a spotřebitelských aplikacích nahrazovány recyklovanými materiály nebo jejich směsmi,což je jedním z cílů mechanické recyklace.

Mechanická recyklace zahrnuje sběr/segregaci ( oddělování ) , čištění a sušení, sekání/třídění, barvení/aglomeraci ( nahromadění ), peletizaci ( sbalování jemnozrnných materiálů ) /extruzi a výrobu konečného produktu. Primární i sekundární recyklace zahrnují podobné procesní kroky.

Primární recyklace využívá spotřebitelský ( PCR , Post Consumer Recycled , odpadové materiály,které již byly využity a vyhozeny ve spotřebě ) nebo postindustriální recyklovaný ( PIR , Post Industry Recycled , plasty získané z výrobního odpadu nebo zmetků,které se nikdy nedostaly do spotřeby ) ) odpadní materiál, tj. materiál stejného typu a vyrábí nové produkty. Sekundární recyklace fyzicky přepracovává odpadní materiály po spotřebiteli za účelem výroby nových materiálů.

Primární recyklace si zachovává stejnou kvalitu jako původní materiál, zatímco downcyklace ( označení pro přeměnu věci s vyšší hodnotou na věc s nižší hodnotou,kterou ale lze rovněž využít ) je běžná u sekundární recyklace kvůli určité degradaci vlastností plastu. Materiály po spotřebiteli, zejména polyolefiny ( PP , PE ), mohou mít nepředvídatelné fyzikální vlastnosti kvůli velkému rozsahu jejich polymerních struktur, molekulových hmotností a aditiv. Takováto variabilita  a nedostatky v třídění mohou ztížit použití těchto materiálů. Rozdíly v barvě také komplikují použití v nových produktech kvůli nemožnosti kontroly finálních barev. Směs plastových materiálů,které měly původně různé barvy vytvářejí po přepracování na pelety,granule obvykle šedou barvu.

 

8.1 Mechanická recyklace – technologie zpracování

Mechanickou recyklaci je možno obecně popsat a sestavit z několika výrobních kroků: drcení/granulace, odstranění kontaminantů, následované segregací vloček. Hlavním krokem je tavení a opětovné vytlačování plastu na stejnoměrné pelety,granule, které následně budou využity při vytlačování profilů,vyfukování fólií, vstřikování, vyfukování dutých těles a další technologie zpracování termoplastických granulátů.

Molekulová hmotnost plastu má výrazný vliv na vlastnosti termoplastů. Obecně platí, že zvýšení molekulové hmotnosti zvyšuje teplotu skelného přechodu, teplotu tání krystalického podílu, pevnost, elasticitu, tuhost, houževnatost ,viskoelastické vlastnosti,atd. Jak již bylo uvedeno,nadrcený termoplast je ve vytlačovacím válci roztaven,tj. podroben další tepelné historii, vystaven další tepelné expozici. Doba prodlevy na zpracovatelské teplotě a její úroveň ovlivňují molekulovou hmotnost polymerních materiálů.

Na obrázku v grafech jsou  ukázány změny indexu toku taveniny ( MFI ) různých plastů podrobených zpracování technologií vytlačování a vstřikování.

 graf 
   

Opakované vystavení vysokému teplu, času a smykovým rychlostem může způsobit degradaci polymerního materiálu a v některých případech nežádoucí vedlejší reakce, které mohou buď zvýšit nebo snížit molekulovou hmotnost konečného produktu. Tyto strukturální úpravy vedou ke změnám jak v tokových, tak v mechanických vlastnostech materiálu. Výrobci se změnám mohou bránit použitím aditiv k obnovení vlastností materiálu nebo k homogenizaci recyklovaného materiálu,což ovšem obvykle zvyšuje náklady na recyklovaný plast a může to dále zkomplikovat budoucí pokusy o recyklaci odpadního materiálu. Různé varianty mechanických a tepelných technologií zpracování  používaných při recyklaci jsou popsány níže.

 

9. TEPELNÝ ROZKLAD PLASTŮ

9.1 Nekatalytický tepelný rozklad termoplastů – pyrolýza

Pyrolýza je tepelný rozklad organických i anorganických materiálů v atmosféře bez přístupu kyslíku, vzduchu nebo jiných zplyňujících látek, tedy látek podporujících spalování.

Na odpad se působí teplotou vyšší než je jeho chemická stabilita,ale nedochází ke spalování. Rozložené produkty se kondenzují ( kondenzace = zkapalňování par,zhušťování ) a shromažďují jako oleje, vosky, plyny a polokoks, s distribucí,objemech v závislosti na surovině, reakčních podmínkách a typu reaktoru.

Pro pyrolýzu plastů jsou typické teploty v rozmezí 350 °C až 700 °C, přičemž obecně platí,že vyšších výtěžností produktů rozkladu se dosahuje při vyšších teplotách pyrolýzy. Pyrolýza se obecně klasifikuje podle rychlosti ohřevu ( pomalá, rychlá nebo ultrarychlá ) a prostředí v němž pyrolýza probíhá ( katalytická pyrolýza, parní pyrolýza, vakuová pyrolýza, mikrovlnná pyrolýza, plazmová pyrolýza, oxidační pyrolýza atd.).

Pyrolýza je nejvíce prozkoumaná metoda chemické recyklace plastů. V Evropě se pyrolýza začala studovat na konci 70.let 20. století a první závod na pyrolýzní zpracování odpadu postavila firma British Petroleum ( BP ) v roce 1994. Hlavní výhodou pyrolýzy termoplastů je schopnost přeměnit plast na produkty s nižší molekulovou hmotností, které lze použít jako palivo nebo surovinu pro nové chemikálie nebo plasty. Pyrolýza také produkuje méně emisí než při spalování plastů. Na rozdíl od mechanické recyklace může pyrolýza zpracovávat vysoce heterogenní ( různorodé ) odpady s vyšším stupněm kontaminace,znečištění.

Různé studie ukázaly, že ziskovost rafinérií pyrolýzy termoplastů závisí na mnoha  faktorech, včetně nákladů na suroviny, výtěžnosti , typu produktu a velikosti zařízení ( objemu zpracovávaného odpadu ). Složení suroviny, výtěžek pyrolýzy a selektivita produktu ( selektivita je kritérium pro kvantifikaci,určování množství, účinnosti cílové reakce – cílem je získání určitého produktu – je definovaná jako poměr mezi množstvím získaného cílového produktu ku všem produktům v procesu ) jsou rozhodujícími faktory pro efektivitu procesu. Náklady na suroviny, kapitálové investice a tržní ceny hrají významnou roli v ziskovosti zařízení na pyrolýzu plastů.

Jedna ze studií hodnotila případový scénář pilotního zařízení na pyrolýzu 0,7 kt odpadu za rok. Výsledkem analýzy bylo určení kapitálových nákladů ve výši 1,34 milionu USD. Cena produktu podle základního scénáře byla 0,98 USD za kg vyrobeného paliva, což bylo více než tržní cena produktu těžkého topného oleje,která byla cca 0,8 USD/kg. Zvýšení objemu pyrolýzy ze 70 kt za rok na 700 kt za rok snížilo cenu produktu z 29,4 centů na 3,39 centů za kg.

V Evropě jsou v provozu 3 pyrolýzní zařízení ve vlastnictví firem Quantafuels ( Oslo , Norsko ) a Plastic Energy ( Londýn , Spojené království Velké Británie a Irska ). První komerční výrobní závod společnosti Quantafuel je v dánském Skive. Závod zpracuje 20 kt za rok. Tekutý produkt je zasílán společnosti BASF, která kapalný produkt používá k výrobě nových plastů a dalších chemikálií. Plastic Energy má v současnosti dva závody v Almerii ( provoz byl zahájen v roce 2014 ) a Seville ( zahájení provozu v roce 2017 ) ve Španělsku. Závod v Seville má schopnost zpracovat 5 kt za rok.

V posledních letech několik společností oznámilo plány na vybudování zařízení na pyrolýzu termoplastů a převedení plastových olejů na aromatické látky/olefiny krakováním párou ( pyrolýza uhlovodíků prováděná pomocí vodní páry ). V roce 2021 firmy SABIC a

BP oznámily plány na vybudování závodu na recyklaci plastů v Gelsenkirche, Německo. BP postaví závody na parní krakování plastového oleje získaného od SABIC a předá krakovací materiály jiné společnosti SABIC na výrobu nových plastů. Jedním z cílů BP je dosáhnout 30 % propylenu a etylenu vyrobeného z recyklovaného materiálu a to do roku 2030.

V roce 2021 firma Plastic Energy oznámila spolupráci se společností ExxonMobil. Počínaje rokem 2023 bude ExxonMobil používat plastový olej od společnosti Plastic Energy a zpracuje plastový odpad na petrochemickou surovinu v kvalitě nafty.  Quantafuel plánuje postavit závod o kapacitě 100 kt za rok v Sunderlandu ve Spojeném království a spolupracovat s firmou VITOL ( Manama , Království Bahrain ) na vybudování dalšího závodu o kapacitě 100 kt za rok v Amsterdamu.

V roce 2019 firma Fuenix Ecogy ( Weert , Nizozemí ) získala 4 miliony EUR ( 4,53 milionu USD ) na rozšíření své technologie na recyklaci směsného plastového odpadu a ve spolupráci s americkou firmou Dow Chemical ( Midland , Michigan ) na vybudování závodu na pyrolýzu plastů v nizozemském městě Weert. Pyrolýzový plastový olej bude odeslán do Dow Terneuzen , Nizozemsko, pro krakování parou a výrobu čistých plastů. Cílem pro obě firmy,Dow i Fuenix, je vyrobit do roku 2025 100 kt recyklovaných plastů.

  
   

9.2 Katalytický tepelný rozklad termoplastů – katalytická depolymerizace

Katalytická depolymerizace je proces, při němž se organické polymery rozkládají na jednodušší sloučeniny za použití termických reakcí a také chemického působení s využitím  katalyzátorů ( katalyzátor je látka,vstupující do chemické reakce a vystupující z ní nezměněná,přičemž zvýšila pravděpodobnost uskutečnění požadované reakce ).

Hlavní výhodou uvedené metody je, že umožňuje rozklad plastů při relativně nižších teplotách oproti pyrolýze, což má za následek snížení energetické náročnosti procesu. 

Pro možnost využití katalytické pyrolýzy pro depolymerizaci plastového odpadu byla prozkoumána řada katalyzátorů,například hlinito – křemičitanové materiály, aluminosilikáty, zeolity,atd. 

Pro konverzi ( přeměnu ) termoplastů katalytickým tepelným rozkladem jsou používány dva hlavní procesy – jednostupňový proces ( in situ , na svém původním místě ) a dvoustupňový proces pyrolýzy – katalýzy ( ex situ , mimo původní místo ). V jednostupňovém procesu se plastový odpad a katalyzátor mísí v reaktoru,nejčastěji s fluidním ložem,a a jsou zahřáty na degradační teplotu. Při dvoustupňovém procesu se plastový odpad nejprve tepelně pyrolyzuje a následně se pyrolýzní páry vedou přes lože s katalyzátoru – reaktor s pevným ložem.

 

10. ZKAPALŇOVÁNÍ TERMOPLASTŮ – SOLVOLÝZA

Zkapalňování termoplastů,solvolýza ( chemická rozkladná reakce působením rozpouštědla – je-li rozpouštědlem voda jedná se o hydrolýzu ) je proces,při kterém jsou zregenerovány ( obnoveny ) vstupní polymery z materiálů,které mechanickým procesem recyklovat nelze. Výsledkem je přeměna termoplastů na kapalný ropný olej s různými frakcemi ( frakce = část produktu získaná při dělení látky ). Jedná se o materiály typu vícekomponentní materiály, zejména ty s podílem PP,PE,PA, PBT,PET,které mají uplatnění v hygienickém,potravinářském,automobilovém a stavebním průmyslu. Ve srovnání s přepracovacími procesy mechanickou cestou se jedná o proces energeticky úsporný , je možno recyklovat materiály s plnivy ,které lze následně dále využívat. Zkapalnění obvykle probíhá při teplotách mezi 200 °C až 450 °C a to pod vysokým tlakem dusíku nebo vodíku,který pomáhá udržovat produkty v kapalné fázi. K posílení reakce se používají různá organická rozpouštědla,včetně uhlovodíků,alkoholů a vody.

10.1 Hydrotermální zkapalňování

Hydrotermální zkapalňování HTL ( hydrotermální karbonizace HTC ) má výhodu zejména ve faktu,že pro vstupní odpadní suroviny nevyžaduje ekonomicky drahé sušení. Výsledkem procesu je hmota podobná hnědému uhlí, v plynné a kapalné fázi.

HTL úprava organických látek probíhá na rozdíl od pyrolýzy při nižších teplotách ( 180 °C až 450 °C , pyrolýza 650 °C až 700 °C ) ve vodném prostředí za autonomního tlaku ve dvou možných režimech,v subkritickém,pod hodnotami kritického bodu ( hodnoty kritického bodu vody,teplota 374,15 °C a tlak 22,05 MPa ) a superkritickém režimu nad uvedenými hodnotami.

Voda a další rozpouštědla se za svými kritickými body chovají odlišně od normálních stavů. Voda se nad kritickým bodem chová dvoufázově,jako kapalina i jako plyn. Po dosažení kritického stavu se mění parametry difuzivity,viskozity a rozpustnosti vody,dochází ke změnám její hustoty,koeficientu přestupu tepla,hmoty a dielektrické konstanty. Voda v superkritickém stavu ( SCW voda,SuperCritical Water ) má vynikající vlastnosti přenosu tepla,které je výhodné využít k chemické recyklaci odpadních plastů dekonstrukcí plastů na jejich monomery nebo jiné chemikálie s přidanou hodnotou, případně na uhlovodíková paliva. Kromě vody lze zkapalňování provádět s pomocí organických rozpouštědel,například v superkritických uhlovodících a alkoholových rozpouštědlech,která zlepšují rozpouštění produktu,zvyšují reakční rychlost a stabilizují výsledné produkty. 

 

11. ZPLYŇOVÁNÍ ODPADNÍCH PLASTŮ – GASIFIKACE

Gasifikace, nebo-li zplyňovani, je technologie, při niž jsou plasty s obsahem uhlovodíků zpracovávány na syntézní plyn,pevný odpad je přeměněn na plynné palivo. Část odpadu je spálena při tlaku 5 MPa až 7 MPa a zbývající část je zplyňována při teplotách 1300 °C až 1500 °C. Výsledkem je syntezní plyn ( ke zkapalňování se používá kyslík ) s obsahem H2, CO, CO2 a H2O, kdy H2 a CO2, jsou použity jako vstupní surovina,například na výrobu methanolu, kyseliny octové nebo amoniaku nebo generátorový plyn ( CO,H2,CH4 ),kdy je použit ke zkapalnění vzduch. Ke zplyňování tuhého komunálního odpadu dochází při teplotách nad 550 °C,kromě výše uvedených plynů jsou produktem gasifikace také pevné zbytky,popel.  


 12. DISOLUČNÍ PŘÍSTUPY K RECYKLACI PLASTŮ

Metody založené na disoluci , rozpouštění , používají rozpouštědla k separaci a recyklaci plastů, a to bez chemické úpravy jejich struktury. Základní postup procesu recyklace na bázi rozpouštění polymerů je možno popsat následovně: nejprve se cílový polymer,při definované teplotě, selektivně ( výběrově ) rozpustí ve vhodném rozpouštědle nebo směsi rozpouštědel ; následně se směs filtruje, čímž se oddělí pevný plast a kapalná fáze, která obsahuje solvatovaný polymer ( rozpuštěný polymer jehož části jsou obaleny molekulami rozpouštědla ) ; nakonec se polymer vysráží z roztoku přidáním antirozpouštědla ( tj. rozpouštědla, ve kterém je polymer nerozpustný ) nebo vysrážení proběhne za snížené teploty.

Oproti metodám mechanické nebo chemické recyklace má recyklace polymerů na bázi rozpouštění některé výhody : odstraňuje nečistoty a přísady,recyklovaný polymer je velmi kvalitní, dokáže si poradit s vícesložkovými směsmi plastů selektivním rozpuštěním jediného určeného polymeru; nevyžaduje vysoce čistý vstupní tok odpadu a je obvykle šetrnější k životnímu prostředí než chemická recyklace.

Klíčem k procesu recyklace polymerů na bázi rozpouštění je výběr vhodných rozpouštědel. V procesu selektivního rozpouštění by rozpouštědlo mělo rozpouštět cílový polymer s dostatečnou rozpustností bez rozpouštění dalších nežádoucích složek vstupního proudu. Protože každý polymer představuje jedinečné interakce ( vzájemné působení více činitelů ), které určují rozpustnost, a složení plastového odpadu je obvykle komplikované, jedná se o složitý problém.

Vícesložkové polymerní materiály jsou vyrobeny ze dvou nebo více plastů, z nichž každý přispívá svými vlastními užitečnými vlastnostmi k výsledným vlastnostem celku. Například krabice na balení potravin a nápojů jsou typicky vícevrstvé plastové fólie, jejichž recyklace je extrémně náročná kvůli jejich různorodému složení a nekompatibilitě různých polymerních vrstev. Pro recyklaci takovýchto materiálů jsou metody založené na rozpouštění slibné , protože selektivní rozpouštění umožňuje separaci různých plastů a je tolerantní k přísadám a nečistotám přítomným v odpadu. Vzhledem k rozmanitosti možných kombinací plastů a také nutnosti volby vhodných provozních teplot pro rozpouštění a srážení je však výběr rozpouštědel pro směsi plastů obtížným úkolem.

První čásť článku »

Druhá část článku »

  • autor:
  • Lubomír Zeman


Mohlo by vás tiež zaujímať



Späť na články
 

Najnovšie inzeráty

Viac inzerátov Pridať inzerát
Viac inzerátov Pridať inzerát
Viac inzerátov Pridať inzerát

Najbližšie výstavy

Ďalšie výstavy

Ponuky práce

Viac ponúk prác

Plastikársky slovník