امروزه استفاده روز افزون از پلاستیک‌ها، منجر به انباشت زباله در جای جای این کره خاکی شده است . این مساله علاوه بر منظره ناپسندی که ایجاد می‌کند، موجب مشکلات زیست محیطی متعددی می‌شود. برخلاف باور عموم بازیافت مکانیکی پلیمرها به دلیل تنوع آنها و مشکلات جداسازی اولیه آنها، جایگزین خوبی برای کاهش دفع پلیمرها به نظر نمی‌رسد؛ به همین دلیل امروزه توسعه روش‌های شیمیایی بازیافت مورد توجه بیشتری قرار گرفته است.
در ادامه با یکی از روش‌های ترموشیمیایی بازیافت پلیمرها به نام “پیرولیز” آشنا می‌شویم و مکانیسم این فرآیند را مورد بررسی قرار می‌دهیم.
افزایش تقاضا برای پلیمرها به‌دلیل کاربردهای گسترده آنها در نهایت منجر به انباشت زباله‌های پلاستیکی قابل توجهی شده است که به دلیل مشکلات زیست محیطی و کارکرد ضعیف تکنیک‌های مرسوم برای اصلاح زباله‌های پلاستیکی، یک مشکل جدی است. تولید مواد خام برای سنتزهای پلیمری با کاهش سریع منابع نفتی تجدیدناپذیر و تولید زباله، تأثیری دوگانه بر اکوسیستم ما دارد. برای رسیدگی به این وضعیت، محققان انجام فرآیندهای بازیافت ترموشیمیایی پیشرفته را برای تولید محصولات واسطه‌ای صنایع پتروشیمی از جمله مونومرها، سوخت‌ها و سایر محصولات با ارزش افزوده آغاز کرده‌اند.
بازیافت مکانیکی به عنوان جایگزینی برای کاهش دفع پلاستیک در محل‌های دفن زباله در نظر گرفته می‌شود. اما بازیافت پلاستیک‌های استفاده شده به دلیل محدودیت‌های ناشی از آلودگی آب و جداسازی نادرست قبل از بازیافت، رویکردی پیچیده است. به همین دلیل درصد موفقیت این بازیافت هنوز بسیار پایین است. علاوه بر این، جداسازی پلاستیک‌ها با توجه به درجه، رنگ و شفافیت آنها، جداسازی را سخت‌تر می‌کند. تقاضای پلاستیک‌های شفاف با انعطاف‌پذیری بیشتر باعث کاهش ارزش بازار برای پلاستیک‌های رنگی که از بازیافت پلاستیک‌ها تولید می‌شوند، شده است.
پلیمرها اساساً از ترکیب کربن و هیدروژن به عنوان واحدهای مونومر مکرر تشکیل شده‌اند که میتوانند به هیدروکربن‌هایی برای سوزاندن، مونومرها یا واسطه‌های مفید برای صنایع شیمیایی تجزیه شوند. از این رو بازیافت ترموشیمیایی، جایگزینی پایدار برای روش‌های مرسوم تصفیه زباله‌های پلاستیکی ارائه می‌کند.
یکی از این روش‌های نوین بازیافت ترموشیمیایی، روش پیرولیز می‌باشد. در ادامه بهتر است نگاهی کلی به این روش داشته باشیم.
پیرولیز چیست؟
پیرولیز یکی از فناوری‌های موجود برای تبدیل مواد به یک محصول مایع میانی است که می‌تواند به سوخت‌های زیستی هیدروکربنی، افزودنی‌های سوخت اکسیژن‌دار و یا برخی جایگزین‌های پتروشیمی تبدیل شود. در واقع می‌توان گفت پیرولیز، حرارت دادن یک ماده آلی مانند پلیمر در غیاب اکسیژن است. از آنجا که اکسیژن وجود ندارد، احتراق رخ نمی‌دهد، بلکه ماده از نظر حرارتی به گازهای قابل احتراق و زغال زیستی تجزیه می‌شود. بیشتر این گازهای قابل احتراق را می‌توان به مایع قابل احتراق تبدیل کرد که به آن روغن پیرولیز (روغن زیستی یا بیو خام) می‌گویند، اگرچه برخی گازهای دائمی (CO2، CO، H2)، هیدروکربن‌های سبک) وجود دارند که میتوانند برای تامین گرمای فرآیند سوزانده شوند اما روغن پیرولیز به عنوان سوخت صنعتی برای جایگزینی روغن کوره یا گازوئیل صنعتی استفاده می شود.
گرچه این محصول دارای ارزش گرمایی پایینی نسبت به باقی سوخت‌های مرسوم است، اما روغن پیرولیتیک یا روغن پیرولیز منبع محبوبی از مواد بیوشیمیایی جالب و ترکیبات تجدیدپذیر در بازار است. به طور کلی روغن حاصل از فرآیند پیرولیز ضایعات نیاز به پردازش بیشتری دارد تا از پایداری و سازگاری آن با سوخت‌های مبتنی بر نفت موجود اطمینان حاصل شود.
با استفاده از مواد خام مختلف و فرآیندهای پیرولیز زیست توده تمیز، می‌توان روغن‌های با ارزش و با کیفیتی را تولید کرد که از آنها به عنوان طعم دهنده غذا، نگهدارنده گیاه یا تقویت‌کننده رشد استفاده می‌شود.
نگاهی کلی به فرآیند پیرولیز پلیمرها
مکانیسم بازیافت پلیمرها از طریق پیرولیز شامل حرارت‌دهی پلیمرها در دمای بالا و در غیاب اکسیژن است که منجر به تجزیه آنها به قطعات مولکولی کوچکتر می‌شود. در ادامه توضیح ساده‌ای از مراحل کلی انجام فرآیند پیرولیز برای بازیافت پلیمر آمده است:
حرارت: ضایعات پلیمری در یک محیط کنترل شده با عرضه محدود یا بدون اکسیژن تا دماهای بالا، معمولاً بین 400 تا 800 درجه سانتیگراد، حرارت داده می‌شوند. این کار معمولاً در راکتورهای تخصصی پیرولیز انجام می‌شود.
تجزیه حرارتی: با افزایش دما، انرژی گرمایی عرضه شده، پیوندهای شیمیایی که زنجیره‌های پلیمری را در کنار هم نگه می‌دارد، میشکند و زنجیره‌های پلیمری درون ماده از طریق فرآیندی به نام تجزیه حرارتی یا ترک خوردگی شروع به شکستن می‌کنند.
تراکم: قطعات پلیمری تبخیر شده معمولاً به سرعت سرد می‌شوند و بامتراکم شدن آنها محصولات مختلفی تشکیل می‌شود. فرآیند چگالش را می‌توان برای به دست آوردن بخش‌های خاص مانند گاز، سوخت مایع یا جامدات مومی کنترل کرد. محصول نهایی کارخانه پیرولیز نفت کوره، کربن سیاه و گاز نفتی است.
جمع آوری و جداسازی: محصولات تغلیظ شده بر اساس خواص فیزیکی و ترکیب آنها جمع‌آوری و تفکیک می‌شوند. تقطیر و سایر تکنیک‌های جداسازی معمولاً برای تفکیک بخش‌های مختلف استفاده می‌شوند. بخش‌های جدا شده، مانند روغن‌های مایع یا جامدات مومی، ممکن است تحت مراحل پردازش اضافی مانند خالص‌سازی، ارتقاء داده شوند تا محصولات یا مواد اولیه قابل استفاده برای کاربردهای مختلف به دست آید.
توجه به این نکته ضروری است که فرآیند پیرولیز می‌تواند تحت تأثیر عواملی مانند نوع پلیمر، شرایط پیرولیز (دما، زمان ماند و…) و محصولات مورد نظر باشد. بنابراین، مکانیسم‌ها و شرایط خاص ممکن است بسته به پلیمری که بازیافت می‌شود و خروجی مورد نظر متفاوت باشد. شکل زیر، شماتیکی از این فرآیند را نشان می‌دهد:
مراجع:
Pyrolysis of Polystyrene Waste: A Review – Ibrahim M. Maafa, Jazan University, Saudi Arabia
Microwave pyrolysis of polyethylene terephthalate (PET) plastic bottle sheets for energy recovery
