روش‌های بازیافت مکانیکی و شیمیایی PET

مروری بر روش‌های بازیافت مکانیکی و شیمیایی پلی اتیلن ترفتالات

مدیریت پسماند به یکی از ضروری ترین مسائل جهان تبدیل شده است. پلاستیک یکی از پرکاربردترین مواد در دنیای مدرن است. در دهه های اخیر، تولید و استفاده از پلاستیک در سطح جهانی به دلیل وزن کم و خواص مکانیکی خوب افزایش یافته است. میزان زباله های پلاستیکی تولید شده در سطح جهان در سال 2015، 6.3 میلیارد تن بود که انتظار می رود تا سال 2050 به 12 میلیارد تن برسد. پلی اتیلن ترفتالات (PET) که یک پلی استر است، یکی از پرمصرف ترین مواد بسته بندی برای نوشیدنی ها است. همچنین تولید و استفاده از PET به دلیل شفافیت عالی، وزن سبک، خواص مانع گاز و آب، استحکام ضربه ای، مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش و نشکن بودن (درمقایسه با بطری شیشه ای) در بسته بندی نوشیدنی در سراسر جهان افزایش یافته است. طبق گزارش آژانس حفاظت محیط زیست ایالات متحده (EPA) در سال 2018، 35.7 میلیون تن زباله پلاستیکی در ایالات متحده تولید شد که 12.2 درصد از کل پسماند جامد شهری (MSW) را تشکیل می داد. علاوه بر ضایعات بطری های PET، این زباله‌های پلاستیکی شامل پلی الفین و کیسه‌های پلی استر، بسته بندی، بطری و شیشه ها می‌شوند. تقریبا 27 میلیون تن پلاستیک (18.5 درصد از ضایعات پلاستیکی ایالات متحده) در محل‌های دفن زباله دور ریخته شده و تنها 4.5 درصد از بسته بندی‌های پلاستیکی بازیافت می شوند. باتوجه به مصرف بالا و همچنین انباشت ضایعات PET در محل دفن زباله، فرایندهای توسعه بازیافت ضایعات بسته بندی به طور فزاینده‌ای افزایش یافته است. از فناوری های مختلف برای بازیافت پلیمر ازجمله بازیافت مکانیکی، شیمیایی، بازیافت انرژی به منظور مدیریت ضایعات PET استفاده می شود. در این مقاله به بررسی برخی از روش‌های بازیافت مکانیکی و شیمیایی موجود برای بازیافت ضایعات PET و تبدیل آنها به محصولات مفید باتوجه به برخی مقالات منتشر شده در مجلات پرداخته ایم. همچنین درمورد امکان سنجی و تحلیل فنی-اقتصادی روش‌ها نیز به عنوان روشی کارآمد برای بازیافت ضایعات PET بحث می‌کنیم.

بازیافت مکانیکی ضایعات PET

همانطور که در شکل زیر آمده است، بازیافت مکانیکی متداول‌ترین روش برای بازیافت پلاستیک است که شامل مراحل متعددی مانند جمع آوری، غربالگری، سورتینگ خودکار یا دستی، شستشو، خرد کردن، اکستروژن و دانه بندی می شود.

شکل 1:

از اکستروژن مذاب برای استخراج پلیمر PET از ضایعات و پردازش مجدد آن به گرانول استفاده می شود. این کار مستلزم سورتینگ و جداسازی زباله، کاهش اندازه، فیلتر مذاب و اصلاح مواد پلاستیکی است. محصولات پلیمری PET مورد استفاده با استفاده از این روش به محصولات نهایی مختلف تبدیل می شوند.

اکستروژن مجدد الیاف PET

آلتون و همکارانش فرایند اکستروژن مجدد را با استفاده از یک اکسترودر ساخته شده برای بازیافت ضایعات پساصنعتی الیاف PET از نساجی را کشف کردند. ابتدا ضایعات الیاف PET با استفاده از دستگاه برش چرخشی بریده شدند؛ این مرحله برای جلوگیری از انسداد در اکسترودر و یا سیم پیچ ضروری است. پس از برش، ضایعات به مدت 60 دقیقه در دمای 120 درجه سانتیگراد خشک شدند تا رطوبت آنها ازبین برود؛ این مرحله برای کیفیت محصول بازیافتی و عملکرد مرحله بعد بسیار مهم است. هسته فرایند بازیافت همان اکستروژن مجدد و دانه بندی ضایعات PET خشک شده است. باتوجه به شکل زیر، ضایعات PET خشک شده در یک اکسترودر با طراحی خاص پردازش شدند.

شکل 2:

در این مرحله، ضایعات PET ذوب شده و به شکل گرانول در آمدند که به عنوان مواد پایه در تولید محصولات بازیافتی PET عمل می کنند. برای اطمینان از کیفیت مواد بازیافتی، این فرایند شامل کنترل کیفیت و تحلیل دقیق می شود. در این مطالعه از چندین آزمایش مانند آنالیز حرارتی دیفرانسیل (DTA)، کالریمتری اسکن تفاضلی (DSC) و اندازه گیری ویسکوزیته برای ارزیابی سطوح تجزیه و کیفیت کلی الیاف بازیافتی PET استفاده شد. این تحلیل‌ها برای نظارت بر وضعیت مواد بازیافتی و اطمینان از مطابقت با استانداردها ضرورت دارند. نتایج حاصل از مقایسه بین ضایعات بکر و مجدد ذوب شده PET در جدول زیر نشان داده شده است.

جدول 1:

باتوجه به شکل بالا، افزایش در گروه های انتهایی ACOOH بین ضایعات بکر و مجدد ذوب شده PET به طور کلی تجزیه را در اثر اکسیداسیون حرارتی نشان می دهد درحالی که کاهش ویسکوزیته نشان دهنده تجزیه پلیمری در مرحله اکستروژن است. رنگ PET بازیافتی 60 درصد بیشتر از زباله های بکر (3.93) است که نشان دهنده تجزیه حرارتی است. علاوه براین، تفاوت چشمگیری بین نقطه ذوب دو نمونه مشاهده نشد. افزایش دی اتیلن گلیکول (DEG) نیز در ضایعات بازیافتی مشاهده شد که نشان دهنده تجزیه هیدرولیتیک پلیمر است.

امکان سنجی فنی (کارایی فرایند، بلوغ فناوری، مقیاس پذیری و اثرات زیست محیطی)

این فرایند بازیافت شامل مراحلی همچون برش، خشک کردن، اکستروژن مجدد و دانه بندی است. این رویه‌های استاندارد در عملیات بازیافت هستند و نشان می‌دهند که می تواند تاثیر محیطی تکنیک‌های بازیافت را به حداقل برساند. توسعه تجهیزات تخصصی متناسب با الزامات بازیافت ضایعات الیاف PET از امکان سنجی فنی پشتیبانی می کند. با این حال، فرایند اکستروژن مجدد باعث می شود که الیاف PET تحت تجزیه حرارتی، تجزیه ترمو-اکسیداتیو، هیدرولیز و تجزیه مکانیکی قرار بگیرند که منجر به تغییرات قابل توجهی در خواص فیزیکی، کاهش کیفیت، تاثیر بصری و مکانیکی، و چالش‌های تولید زباله‌های بازیافتی PET خواهد شد. بنابراین، این روش بازیافت چندان مناسب نیست؛ این روش بازیافت ازنظر فنی با برخی ملاحظات و چالش ها عملی است.

یافته های حاصل از این مطالعه

بازیافت زباله های بسته بندی پلی اتیلن ترفتالات (PET) به دلیل نرخ بالای مصرف و همچنین انباشت روزافزون ضایعات PET در محل های دفن زباله بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله روش های مختلف بازیافت مکانیکی و شیمیایی مانند اکستروژن مجدد، اکستروژن، گسترش زنجیره (فرآوری واکنشی)، هیدرولیز، گلیکولیز و آمینولیز نیز مورد بحث هستند. از تحلیل تکنواقتصادی نیز برای ارزیابی روش بازیافت ضایعات PET استفاده شد. آینده بازیافت ضایعات PET با پیشرفت های قابل توجهی در حوزه فناوری های بازیافت شیمیایی همراه است. هدف از این فناوری ها تبدیل ضایعات، به ویژه ضایعات PET، پس از مصرف به محصولاتی با کیفیت بکر است؛ این فرایند از مقیاس آزمایشگاهی تا تاسیسات تولیدی بزرگتر به سرعت روبه افزایش است. کلید این انتقال آرام حمایت از قوانین بازیافت موثر و افزایش مشارکت مصرف کنندگان در فرایند بازیافت خواهد بود. یک استراتژی مهم برای آینده رویکرد "طراحی برای بازیافت" است که بر تولید محصولات PET متمرکز است که جمع‌آوری، دسته‌بندی و بازیافت آنها آسان‌تر است. این رویکرد کارایی و بازدهی PET بازیافتی را بهبود می بخشد. نوآوری های تکنولوژیکی نیز برای اکسترودرهای کارآمدتر درحال توسعه برای بازیافت مکانیکی و راکتورها بسیار ضروری هستند و ازطرفی، ترکیب پیشرفته فناوری هایی مانند مایکروویو و انرژی اولتراسوند گام هایی درجهت بهبود فرایند بازیافت PET محسوب می شوند. بهینه سازی پلیمریزاسیون شیمیایی PET یکی دیگر از زمینه های مهم با تمرکز بر متغیرهای واکنش مانند زمان، دما و استفاده از کاتالیزور است. محققان درحال کار بر روی استراتژی های مختلف باهدف دستیابی به بازدهی مونومر بهینه و توسعه پایدار فرایند بازیافت ازنظر فنی اقتصادی هستند. به طور خلاصه، آینده بازیافت PET مستلزم پیشرفت های تکنولوژیکی، حمایت قانونی، مشارکت مصرف کننده، طراحی نوآورانه و استراتژی های پردازش است که همگی باهدف افزایش کارایی و پایداری بازیافت PET عمل می کنند.