آپ سایکل ضایعات پلاستیکی به کربن فعال

آپ سایکل ضایعات پلاستیکی به کربن فعال برای تصفیه آب

دفع زباله های پلاستیکی همچنان یک موضوع گسترده است زیرا محصولات پلاستیکی به وفور دور ریخته شده و در محیط زیست تجزیه نمی شوند. اگرچه بخشی از این ضایعات بازیافت می شود اما روش‌های بازیافت با محدودیت هایی مواجه هستند که بایستی جایگزین مناسب برای آنها ایجاد شود. این پژوهش به افزایش زباله های پلاستیکی ازطریق کربن‌سازی و تولید مواد جاذب در تصفیه فاضلاب اشاره می کند. این روش تبدیل شامل عملیات حرارتی در دمای بالا در اتمسفر بی اثر با افزودن یک عامل فعال کننده برای تولید کربن فعال (AC)، مواد کربن دار با مساحت سطحی بالا، می شود. با کمک این فرایند می توان مواد با ارزش بالا را با خواص جذب عالی و قابلیت استفاده برای انواع پلاستیک ازجمله ترموست تولید کرد اما ازطرفی، بازیافت آنها بسیار دشوار است. در اینجا بر سنتز ضایعات بطری پلی اتیلن ترفتالات (PET) و کاربرد آن به عنوان جاذب در تصفیه آب آلوده تمرکز شده است. همچنین قابلیت جذب ازطریق تحلیل مکانیسم جذب MB، علاوه بر اثرات پ هاش محلول و مشخصه بار رنگ نیز مورد بررسی قرار گرفته است. در اینجا مشخص شد که جذب نانوپلاستیک‌های PET با جذب فیزیکی چندلایه و ظرفیت تک لایه 325 میلی گرم/گرم و حداکثر بازیابی 94 درصدی صورت می گیرد. این مطالعه تبدیل موفقیت آمیز ترموپلاستیک و ترموست را به مواد AC با پتانسیل بالای جذب آلاینده های آبی تایید می کند.

استفاده از محصولات پلاستیکی به دلیل وزن سبک، هزینه کم، سهولت در پردازش، دوام و انعطاف پذیری در زمینه های مختلف پیوسته روبه افزایش است. پلاستیک به طور انبوه از هیدروکربن های تصفیه شده از نفت و زغال سنگ تولید می شوند که موجب افزایش ردپای کربن می شوند. علاوه براین، آنها در یک بازه زمانی معقول به راحتی در طبیعت تجزیه نمی شوند. درنتیجه، انتشار گازهای گلخانه ای (GHG) ناشی از تولید پلاستیک با انباشت زباله های پلاستیکی در محل های دفن زباله و ورود آنها به محیط زیست در ارتباط است که با دفع سریع اکثر محصولات پس از یک بار مصرف کربن جهانی تسریع می شود. اگرچه پلاستیک در مدت زمان کوتاهی به طور کامل تخریب نمی شود اما می توانند بر اثر عوامل محیطی مانند میکروپلاستیک ها و حتی نانو پلاستیک ها تجزیه شود. این ذرات پلاستیکی متحرک باعث آلودگی محیط های دریایی، اکوسیستم های کشاورزی و دیگر سیستم های زمینی و آب شیرین می شوند که منابع آب آشامیدنی را تحت تاثیر قرار می دهند. با این حال، بازیافت موثر کلیه پلاستیک ها و کاهش این آلودگی موضوع اصلی بحث در اینجا است. دفن زباله، سوزاندن، بازیافت مکانیکی، بازیافت شیمیایی و کراکینگ حرارتی از روش های متداول مورد استفاده برای مدیریت زباله های پلاستیکی هستند. در شکل زیر دسته بندی روش های بازیافت پلاستیک ارائه شده است.

شکل 1:

بازیافت اساسا به بازیافت حرارتی-مکانیکی اشاره دارد که در آن پلاستیک ها برای تولید محصولات جدید جمع آوری، دسته بندی، تمیز، آسیاب، اکسترود شده و پلت بندی می شوند. این روش به افزایش طول عمر پلاستیک کمک می کند اما خواص و ارزش محصول را کاهش می دهد. دفن و سوزاندن زباله نیز از روش‌های بازیافت هستند اما باتوجه به اثرات منفی بر محیط خاک و آلودگی هوا محیط زیست را تحت تاثیر قرار می دهند. از کراکینگ حرارتی که نوعی بازیافت شیمیایی است، نیز برای تشکیل سوخت و مواد شیمیایی با ارزش استفاده می شود و بسیار مورد توجه قرار گرفته است. کراکینگ حرارتی از طرفی به استفاده مجدد از پلاستیک کمک کرده و درعین حال، انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش می دهد.

هدف از این مطالعه، به عنوان بخشی از تلاش برای تغییر مسیر این زباله ها از تجمع اجتناب ناپذیر در محل های دفن زباله، یافتن یک روش جایگزین برای آپ سایکلینگ ضایعات پلاستیکی با کربنیزاسیون در تولید محصولات کربن دار با ارزش بالا است. کربنیزاسیون با کراکینگ حرارتی ازطریق پیرولیز به دلیل تمرکز بر تولید پسماند جامد با محتوای کربن بالا متفاوت است؛ همان طور که درمورد سیالات یا مواد فرّار که محصولات اصلی پیرولیز (نفت و گاز) هستند صدق می کند. از این طریق محصولات ارزشمندی مانند نانومواد کربن، الیاف کربن، جاذب ها و تجهیزات ذخیره انرژی را تولید کرد. محصول مورد علاقه در این کار کربن فعال (AC) است؛ کربن فعال به مواد کربنی با سطح وسیع و تخلخل گفته می شود. این محصول بسیار جذاب است زیرا به سادگی با افزودن یک عامل فعال کننده در فرایند کربنیزاسیون تولید می شود و به دلیل دارا بودن خواص سطحی عالی کاربرد گسترده ای در فرایندهای تصفیه زباله دارد.

نتیجه گیری

بازیافت زباله های پلاستیکی برای اطمینان از پایداری تولید انبوه فرآورده های نفتی مورد استفاده روزانه ضروری است. با این حال، به راحتی نمی توان این مسئله را حل کرد؛ از آنجایی که بازیافت با چالش های زیادی مواجه است، نرخ بازیافت در سراسر جهان محدود شده است. با افزایش روزافزون حجم زباله، یافتن روش های پایدار به منظور دفع این پلاستیک ها و جلوگیری از تجمع آنها در مکان های دفن زباله ضرورت دارد. برای رفع نگرانی های ناشی از انباشت ضایعات پلاستیکی در محیط، این مقاله به بررسی روش کربنیزاسیون پلاستیک‌ها باهدف تولید کربن فعال (AC) در تصفیه فاضلاب می پردازد. در اینجا دو نوع پلیمر متمایز ازطریق فعال سازی شیمیایی به AC تبدیل شده و به عنوان جاذب در دو آلاینده رایج فاضلاب استفاده شدند. نتایج حاصل از این مطالعه به این صورت است که ضایعات بطری PET برای تصفیه فاضلاب به AC تبدیل شدند؛ از فعال سازی شیمیایی KOH برای تبدیل ضایعات بطری PET به AC استفاده شد. در اینجا مشخص شد که افزایش دما و زمان فعال‌سازی موجب افزایش توسعه سطحی می‌شود اما رابطه معکوس بازدهی کربن منجر به تولید یک محصول بهینه در زمان فعال سازی کمتر از 1 ساعت شد. دمای فعال سازی بالاتر از 800 درجه سانتیگراد نیز باعث افزایش بار سطحی منفی شد که عامل مفیدی برای برهمکنش با مولکول های رنگ کاتیونی بود. مساحت سطحی محصول 1214 مترمربع/گرم و پتانسیل زتا منفی 40 میلی ولت برای جذب رنگ کاتیونی متیلن بلو (MB) با جذب تک لایه و حداکثر ظرفیت 335 میلی گرم/گرم، در راستای محصولات تجاری بود. میزان جذب در پ هاش بالاتر افزایش یافت و انتخاب AC برای رنگهای کاتیونی با افزایش بازیابی رنگ MB در مخلوط حاوی رنگ متیل اورانژ آنیونی تایید شد.

درنهایت، اثرات مشخصه های بار رنگ کاتیونی با کاهش ظرفیت جذب رنگ سبز درخشان به دلیل نسبت کمتر مولکول های دارای بار مثبت در آزمایش پ هاش مشاهده شد. به طور کلی، این مقاله موارد قابل توجهی از ظرفیت PET AC برای جذب رنگ های کاتیونی و اثرات پیش بینی شده ترکیب سطح AC، نوع رنگ و ارتباط آنها با محلول  پ هاش را به نمایش می گذارد. پلاستیک اپوکسی ترموست برای تصفیه نانوپلاستیک های آلوده در فاضلاب به AC تبدیل شد. از فعال سازی شیمیایی توسط فعال کننده های مختلف مبتنی بر پتاسیم نیز برای تبدیل پلاستیک اپوکسی پخته شده به AC استفاده شد. مشخص شد که KOH به دلیل پتانسیل بهبود عملکرد بهترین فعال کننده است و درنتیجه، یک محصول بهینه در نسبت اشباع بالاتر (2:1) برای حفظ عملکرد و دمای فعال سازی بالا (800 درجه سانتیگراد) برای مقیاس سطح وسیعی تولید می کند. محصول به دست آمده دارای مساحت 1705 متر مربع/گرم و بازدهی 31 درصد برای جذب نانوپلاستیک های PET خنثی ازطریق جذب فیزیکی چندلایه با ظرفیت تخمینی تک لایه 325 میلی گرم/گرم است. این قابلیت جذب، درمقایسه با مطالعات موجود، در جذب نانوذرات پلی استایرن (PS) شارژ شده بسیار محدود است؛ با این حال، بازیابی نانوذرات در غلظت های نسبتا پایین به دلیل برهم‌کنش‌های قطبی نسبتا ضعیف در فرایند جذب از 94 درصد تجاوز نمی کند.