تبدیل ضایعات پلاستیک به متانول

طراحی و شبیه سازی فرایند ضایعات پلاستیک به متانول: بازدهی و اقتصاد

از آنجا که پیش سازه های پلیمری از مصرف کنندگان انرژی و مواد خام محسوب می شوند، تصفیه ضایعات پلاستیکی بخش کلیدی برای مدل های اقتصادی دورانی و همچنین برای انتقال انرژی از پلیمر است. این مقاله به بررسی صنعت هنری می پردازد و تلاش می کند تا اختلاف در ارزش گذاری شیمیایی زباله های پلاستیکی با کیفیت پایین و درصد بالای ناخالصی را رفع کند. هدف از این مسیر پیشنهادی تبدیل زباله های پلاستیکی به متانول ازطریق گازی سازی است. این فرایند با ترکیبی از خواص ترمودینامیکی مواد اولیه و مدل‌سازی جنبشی تیمارهای گاز سنتز توسعه داده شده و سنتز شده است. بارهای مختلفی از پلی استایرن در ترکیب پلی پروپیلن/پلی اتیلن به منظور آنالیز رفتار فرایند یک هیدروژن غنی تر استفاده می شوند. سپس عملکرد فرایند در هر ماده اولیه ارزیابی شده و به عنوان مبنایی برای بررسی هزینه‌های فناوری و همچنین ارزیابی ارزش خالص فعلی و نرخ بازدهی داخلی در کارخانجات استفاده می شود.

یکی از دغدغه های مهم اقتصاد دورانی تبدیل ضایعات به مواد با ارزش است. زباله های پلاستیکی در سراسر جهان بسیار مورد توجه قرار گرفته اند به طوری که تولید پلیمرهای پلاستیکی در سال 2021 به 368 میلیون تن در سال رسیده است و باوجود رکود رشد ناشی از بحران کووید 19 انتظار می رود در آینده افزایش یابد. نگرانی هایی از سطوح مختلف آلودگی در زنجیره تولید پلیمرها وجود دارد چون که این مواد پس از کودها، مهم ترین محصولات تولیدی هستند. صنعت شیمیایی بزرگترین مصرف کننده صنعتی نفت و گاز و همچنین بزرگترین مصرف کننده انرژی است که کربن زدایی آن به اندازه بخش حمل و نقل ضروری است. این بحران پلاستیک به مدیریت ضایعات پلاستیکی تولید شده تبدیل شده است. صنعت بسته بندی 36 درصد از کل پلاستیک تولید شده را شامل می شود اما 47 درصد از کل زباله های پلاستیکی عمر کوتاهی در محیط زیست دارند. با توجه به اینکه 90 درصد از محصولات پلاستیکی پس از یک بار مصرف دور انداخته می شوند، مدیریت ضایعات تولید شده توسط صنعت بسته بندی و تغییر محصولات یکبار مصرف به دغدغه جامعه علمی و سیاستگذاران در سراسر جهان تبدیل شده است.

درحال حاضر، چهار نوع روش بازیافت شناخته شده است:

1. یک جریان خالص از پلیمر در محصول جدید با خواص قابل قیاس اکسترود می شود.

2. ضایعات در مواد دارای خواص تخریب پذیری طبقه بندی، خرد و اکسترود می شوند.

3. ضایعات پلاستیکی قابلیت بازیافت مکانیکی ندارند و برای دستیابی به پیش سازه های پلیمری یا ترکیبات با ارزش کمتر به صورت شیمیایی تصفیه می شوند.

4. اگر ضایعات قابلیت بازیافت نداشته باشند، محتوای انرژی ازطریق پیرولیز یا احتراق بهبود می یابد.

این روش های بازیافت از دیدگاه اقتصادی و زیست محیطی به ترتیب کاربرد و مطلوبیت دسته بندی شده اند. روش های اولیه و ثانویه را می توان چندین مرتبه با فناوری های تجاری استفاده کرد اما تجزیه مکانیکی و آلودگی در طول زمان رخ می دهد و باتوجه به تصفیه و خلوص مواد منجر به ناسازگاری مواد بازیا درفت مکانیکی پس از حلقه 5/4 می شود. علاوه براین، این روش ها به شدت از آلودگی مواد رنج می برند و از طرفی، برای جریان های صنعتی با خلوص بالا مناسب هستند. روش سوم بازیافت اگرچه کاربرد گسترده ای دارد اما کمتر توسعه یافته است. تصفیه شیمیایی در جریان هایی با خلوص بالا و پایین کاربرد دارد. هدف از جریان خلوص بالا دپلیمریزاسیون مونومرها و پلیمریزاسیون مجدد به منظور بازیابی خواص پلیمر بکر است. این فرایندها با چشم انداز اقتصاد دورانی کاملا همسو هستند اما به اندازه کافی توسعه نیافته اند. جریان با خلوص پایین زباله مانند زباله های خانگی به طور معمول برای دستیابی به ترکیبات اساسی تر مانند هیدروژن، مونوکسید کربن، متان، الفین های سبک و روغن پیرولیز سنتز می شوند. مزیت این مرحله داشتن پیش سازه های پلیمری بالقوه و ترکیبات به کار رفته در تولید آنها است، حتی اگر ارزش افزوده بسیار کمتری داشته باشد. نقطه ضعف این روش مصرف انرژی در فرایندها، خوانش پایین فناوری و کاربرد آن در مقیاس بزرگ است.

روش چهارم بازیافت بازیابی ساده انرژی است؛ هم بازیابی مستقیم ازطریق احتراق و هم غیرمستقیم ازطریق پیرولیز، گازی سازی و احتراق. زباله های پلاستیکی از زنجیره طولانی هیدروکربن ها با ارزش حرارتی پایین تر ساخته شده اند و با این حال، برای احتراق مستقیم مناسب هستند. مزیت اصلی بازیابی با ارزش نسبی انرژی، کاهش حجم زباله و استریلیزه ضایعات است. انتشار گازهای گلخانه ای از پیامد منفی این روش به شمار می رود. در شکل زیر رویکردهای رایج در بازیافت زباله های پلاستیکی نشان داده شده شده است.

شکل 1:

با توجه به شکل بالا، امکان بازیافت بسته بندی ناهمگن مواد اولیه پلاستیکی ازطریق گازی سازی افزایش می یابد. کاربردهای صنعتی و پژوهشی درمورد گازی سازی زباله های پلاستیکی از هوا در شرایط جوی برای تولید گاز سنتز استفاده می کنند که پس از آن در توربین های گازی برای بازیابی انرژی استفاده می شود. دانش فنی بیشتری از گازی سازی زیست توده به دست آمده و از بسترهای سیال با ساپورت مواد مختلف برای آنالیز مهم ترین شاخص عملکرد کلیدی (KPI) استفاده می کند که ارزش حرارت پائین (LHV) همراه با تولید قطران در کیفیت مختلف مواد اولیه ترکیب شد. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، تقاضای پلی اتیلن (PE) و پلی پروپیلن (PP) در صنعت بسته بندی بالا است.

شکل 2:

نسبت بالای H/C و فراوانی پلیمرها برای اهداف سنتز شیمیایی بسیار مورد توجه هستند. باتوجه به یافته های آرنا و همکارانش، می توان گفت که نسبت H₂/CO و SN گازی سازی گاز سنتز با خوراک پلی اتیلن (PE) در حال حاضر برای بازیافت مواد شیمیایی مناسب باشد.

در اینجا به بحث و شبیه سازی درمورد طراحی زباله های پلاستیکی به فرایند سنتز متانول می پردازیم. عملکرد کلی این طرح با سه خوراک مختلف با محتوای PS گزارش شده است. این یافته ها به طور انتقادی برای شناسایی روندهای کلان ارزیابی می شوند که به هیدروژنه مواد اولیه و طرح های فرایند جایگزین وابسته است. این جریان های تخمینی که برای برآورد هزینه های عملیاتی استفاده می شود، اثبات کرد که محتوای بالای پلیمرهای غیرهیدروژنه منجر به تضعیف عملکرد اقتصادی خواهد شد. همچنین مشخص شد که این کار احتمالا به دلیل محتوای بالای CO₂ در گاز سنتز تولید شده است که به جذب کربن نیاز دارد. با افزایش مقدار کربن، این روند اقتصادی می تواند معکوس شده و اختلاف مواد اولیه به 2.66 درصد برسد. بنابراین نمی تواند عملکرد کلی طرح را تحت تاثیر قرار دهد. این روند به عنوان دلیلی بر انعطاف پذیری طرح در فرآوری مواد مختلف درنظر گرفته می شود که در سیستم مدیریت پسماند نقش مهمی ایفا می کند. علاوه براین، هزینه های سرمایه گذاری طرح به عنوان تابعی از ظرفیت ارزیابی می شوند که با افزایش آن سودآوری طرح نیز افزایش می یابد اما دسترسی و مشکلات احتمالی زنجیره تامین در تصفیه شیمیایی زباله های پلاستیکی در همچنان بررسی نشده و به تحقیق و بررسی گسترده نیاز دارد.