حلقه های بازیافت پلاستیک

بازیافت پلاستیک: ارزیابی دو حلقه بازیافت متفاوت

در این مطالعه، دو حلقه متفاوت بازیافت زباله های پلاستیکی از جنبه های فنی و اقتصادی مورد بررسی قرار گرفته اند. هدف از این فرایندها تولید الفین های سبک (اتیلن و پروپیلن) است که به عنوان ماده اولیه در تولید پلی اولفین ها عمل می کنند. حلقه ها به عنوان حلقه های بازیافت شیمیایی و احتراق شناخته می شوند. حلقه بازیافت شیمیایی شامل پیرولیز زباله های پلاستیکی همراه با بازیابی محصول است که در آن گاز پیرولیز به منظور تولید محصول الفین تصفیه می شود. حلقه احتراق نیز فرایند پیچیده تری است که در آن زباله های پلاستیکی با فرایند پاکسازی گازهای دودکش و واحد جذب کربن سوزانده می شوند که در این فرایند CO₂ گاز دودکش برای تولید متانول ازطریق هیدروژناسیون CO₂ جذب می شود. در ادامه، محصول متانول خام در یک واحد متانول به الفین (MTO) فرآوری می شود که در آن محصولات الفین پس از فرایند تفکیک هیدروکربنی بازیابی می شوند. حلقه‌ها ازنظر بازدهی محصول، ردپای CO₂ و هزینه ارزیابی می شوند. این مقایسه براساس نتایج حاصل از فرایند شبیه سازی با نرم افزار شبیه سازی (EBSILON, DWSIM) انجام می شود. عملکرد سیستم در این روش شامل عملیات واحد از ورودی خوراک زباله های پلاستیکی آماده شده در واحد اول حلقه (راکتور پیرولیز/محفظه احتراق) تا خروجی اتیلن و پروپیلن در بخش بازیابی محصول است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که حلقه احتراق علاوه بر بهبود بازدهی محصول، ردپای کربن را به حداقل می رساند به طوری که ردپای کربن در حلقه پیرولیز و حلقه بازیافت شیمیایی به ترتیب 79 و 49 درصد وزنی ثبت شده است. همچنین اختلاف بین بازدهی محصول، به ویژه هنگامی که بازدهی پروپیلن مقایسه می شود، نیز مشاهده شد. علاوه براین، عملکرد حلقه احتراق تقریبا دو برابر مقدار پروپیلن در حلقه بازیافت شیمیایی است. باتوجه به بازدهی اتیلن و CO₂ تولید شده، اگرچه حلقه احتراق عملکرد بهتری دارد اما نتایج به دست آمده مشابه هستند. با این حال، وقتی نوبت به سرمایه گذاری و تقاضای انرژی می‌رسد، حلقه احتراق به هزینه های سرمایه گذاری و مقدار انرژی بسیار بالاتری نیاز دارد. در نتیجه، حلقه احتراق درمقایسه با حلقه بازیافت شیمیایی به 52 برابر تقاضای انرژی و 3 برابر سرمایه گذاری نیاز دارد. بزرگترین مشکل در حلقه احتراق نیاز به هیدروژن برای هیدروژناسیون CO₂ است. این تقاضا با الکترولایزر برآورده می شود که گرانترین و درعین حال، بیشترین مصرف کننده انرژی در حلقه است.

از قرن گذشته، پلاستیک به یکی از مهمترین مواد در زندگی بشر تبدیل شده است. در واقع، پلاستیک در بسیاری از زمینه های روزمره استفاده می شود به طوری که تصور زندگی بدون پلاستیک تقریبا غیرممکن است. زمینه های کاربردی پلاستیک که به عنوان پلیمر نیز شناخته می شوند، از محصولاتی مانند پوشاک، بسته بندی و اسباب بازی گرفته تا محصولات صنعتی مانند اتومبیل، کشتی، هواپیما، مخابرات و حتی تجهیزات پزشکی ازجمله ایمپلنت ها را شامل می شود. تطبیق پذیری پلیمرها به خواص مکانیکی، حرارتی و شیمیایی آنها ازجمله داشتن چگالی کم در حالت جامد (مناسب برای تولید اجسام سبک وزن)، رسانش حرارتی و الکتریکی کم (برای تولید عایق خوب) و داشتن ماژول مطلوب به شکل های دلخواه بستگی دارد. علاوه براین، پلاستیک ارزان قیمت بوده و از مقاومت شیمیایی خوب و نرخ تخریب کم برخوردار است که موجب افزایش دوام محصول می شود. آخرین مورد وقتی صحبت از دفع زباله‌های پلاستیکی به میان می آید، بسیار چشمگیر است؛ دفع ضایعات پلاستیکی. باتوجه به نرخ تجزیه پایین پلیمرها، مشکل دفع پلاستیک به طور جدی محیط زیست را تهدید می‌کند. ضایعات پلاستیکی نه تنها در محل‌های دفن زباله پراکنده شدند، بلکه در طبیعت نیز یافت می‌شوند. آلودگی دریا و محیط‌های آبی همچون میکروپلاستیک‌ها خسارات زیادی نه تنها در محیط زیست، بلکه برای سلامت انسان خطراتی به همراه دارد. باتوجه به شکل زیر، از آنجایی که تقاضای پلاستیک روبه افزایش است و یافتن جایگزین مناسبی برای آن ممکن است بسیار دشوار باشد، بازیافت به منظور کاهش اثرات زیست محیطی پلاستیک تنها راه حل ممکن است.

شکل 1:

راه های زیادی برای کاهش تولید ضایعات پلاستیکی وجود دارد. کاهش مصرف یا استفاده مجدد از محصولات پلاستیکی باهدف افزایش طول عمر راهکارهای احتمالی هستند. اگرچه این اقدامات به کاهش آسیب های ناشی از ضایعات پلاستیکی کمک می کنند، به اقدامات بیشتری نیاز است. اگرچه پلاستیک را می توان منبع مهمی از مواد شیمیایی ارزشمند (عمدتا هیدروکربن ها) و انرژی درنظر گرفت، بازیافت شیمیایی و بازیافت انرژی می توانند روش های بازیافت موثری محسوب شوند. در اینجا، دو حلقه بازیافت پلاستیک مورد بررسی قرار گرفته است. اولین مورد، حلقه بازیافت مواد شیمیایی است که در آن مواد شیمیایی با ارزش از ضایعات پلاستیکی ازطریق تخریب حرارتی جدا می شوند. حلقه دوم، حلقه احتراق است که در آن ضایعات پلاستیک برای بازیابی انرژی سوزانده می شوند.

جمع بندی و کلام آخر

دو حلقه بازیافت مختلف در این مطالعه بررسی و مقایسه می شوند. جنبه های اصلی مقایسه بازدهی محصول، تقاضای انرژی، هزینه سرمایه گذاری و TRL هستند. مبنای مقایسه نیز نتایج حاصل از فرایند شبیه سازی EBSILON und DWSIM است. در جدول زیر خلاصه این نتایج به دست آمده ارائه شده است.

جدول 1:

اگرچه حلقه احتراق درمقایسه با حلقه بازیافت شیمیایی ازلحاظ بازدهی محصول و ردپای کربن برتر است، تفاوت بین هر دو حلقه مانند سایر جنبه ها چندان مهم نیست. لازم به ذکر است که حلقه بازیافت مواد شیمیایی عملکرد پروپیلن بسیار ضعیفی نسبت به حلقه احتراق دارد. درمورد اتیلن نیز بازدهی در یک محدوده نزدیک است، اگرچه بازدهی حلقه احتراق بالاتر می ماند. بیشترین تفاوت بین حلقه ها در تقاضای انرژی و سرمایه است که در آنها حلقه بازیافت مواد شیمیایی، درمقایسه با حلقه احتراق، به انرژی بسیار کمتر و سرمایه گذاری کمتری نیاز دارد. دلیل اصلی این کار نیاز بالای هیدروژن به هیدروژناسیون CO₂ در حلقه احتراق است. تولید هیدروژن ازطریق الکترولیز به مقادیر بالایی انرژی نیاز دارد و همچنین تنها واحد گران قیمت در حلقه است. در این مطالعه برخی از جایگزین ها به منظور کاهش هزینه و تقاضای انرژی در حلقه ها به اختصار ذکر شده اند. در حلقه احتراق، مسئله اصلی تقاضای هیدروژن در حلقه است. جایگزین بالقوۀ هیدروژناسیون CO₂ برای سنتز متانول می تواند گازی شدن پلاستیک باشد. این فناوری امکان استفاده از هیدروژن موجود در خوراک پلاستیک را با تولید گاز سنتز فراهم می کند که در فرایند احتراق که به آب اکسید می شود هدر می رود. با استفاده از این جایگزین، تقاضای هیدروژن خارجی سرکوب می شود (یا حداقل کاهش می یابد). مزیت دیگر این جایگزین، وجود CO در گاز سنتز است که از کاهش فعالیت کاتالیزور درطول سنتز متانول جلوگیری می کند. علاوه براین، از آنجایی که سنتز متانول معمولا با گاز سنتز انجام می شود، ازنظر تئوری امکان استفاده از کارخانجات متانول فعلی برای بازیافت مواد اولیه پلاستیک وجود دارد؛ با فرض اینکه کیفیت گاز سنتز برای فرایند مناسب است.

باتوجه به بلوغ فناوری فرایندهای مورد استفاده در حلقه ها، مشخص شد که TRL حلقه احتراق بهتر از حلقه بازیافت شیمیایی است. این اتفاق عمدتا به دلیل این واقعیت است که تک به تک فناوری های مورد استفاده در فرایند MTO قبلا در مقیاس کارخانجات اعمال شده است. این امر درمورد حلقه بازیافت شیمیایی صدق نمی کند که در آن فناوری اصلی (رآکتور پیرولیز با استفاده از بخار) فقط در مقیاس آزمایشگاهی (البته پروژه های کارخانجات و آزمایشگاهی برای سایر جایگرین های فرایند قابل اجراست) تست می شود. به طور خلاصه، حلقه احتراق نسبت به حلقه بازیافت شیمیایی ازنظر بازده محصول، ردپای کربن و بلوغ فناوری برتری دارد. حلقه بازیافت شیمیایی هزینه و مصرف انرژی کمتری دارد. با این حال، باید توجه داشت که تفاوت بین تقاضای انرژی و هزینه های سرمایه گذاری بین حلقه ها بسیار زیاد است و درنتیجه بازده محصول بهتر و ردپای کربن کمتر، مصرف انرژی بیشتر، هزینه های سرمایه گذاری بالاتر و پیچیدگی توسعه فرایند افزایش می یابد.