تولید سوخت مایع از ضایعات پلی استایرن: فرایند بهینه سازی و تعیین خواص پیرولیزات‌ها
پیرولیز ضایعات پلی استایرن با خاک رس طبیعی در یک پیرولایزر بومی از 340 تا 420 درجه سانتیگراد در اتمسفر نیتروژن انجام شد. دما و زمان بهینه شده و دمای 410 درجه و زمان 60 دقیقه به عنوان دما و زمان واکنش مناسب در حداکثر بازدهی 86.68 درصدی سوخت مایع ثبت شدند. پیرولیزات از جمع آوری و تحلیل GC/MS تشکیل شد. کسر گازی حاوی هیدروکربن‌های مختلفی از C1-C5 با اتن، اتان و بوتان به عنوان اجزای اصلی مشاهده شد درحالی‌که کسر مایع عمدتا حاوی ترکیبات آروماتیک، آلکان و آلکن بود. حضور برخی اجزای اکسیژنه در روغن ممکن است به افزودنی‌هایی نسبت داده شوند که در فرآوری پلی استایرن یا به دلیل آلودگی استفاده می‌شوند. خواص سوخت به دست آمده از کسر مایع با سوخت تجاری مقایسه شده و مشخص شد که شباهت خوبی با بنزین و گازوئیل دارد و بنابراین، از مزایای قابل توجهی برای مصارف صنعتی و خانگی برخوردار است.
دنیای پیشرفته مدرن بدون استفاده از پلاستیک به طور گسترده غیرقابل تصور است، به طوری که در همه جنبه‌های زندگی از آشپزخانه گرفته تا هواپیماها از پلاستیک استفاده می‌شود. این استفاده گسترده منجر به افزایش ضایعات جامد می‌شود که آن هم به شدت خاک، آب و هوا را تحت تاثیر قرار می‌دهد. برای مدیریت این مشکل، دفن زباله در زمین و سوزاندن آنها از روش‌های معمول به شمار می‌روند؛ با این حال، به دلیل اثرات نامطلوب زباله بر خاک، آب و هوا، امروزه بازیافت شیمیایی و ترموکاتالیزوری زباله پلاستیکی روبه افزایش است و بهترین انتخاب برای تجزیه پلاستیک تبدیل آن به محصولات با ارزش در صنعت پتروشیمی است. پیرولیز یک تکنیک تجزیه حرارتی است که تحت تاثیر عوامل مختلفی ازجمله دما، فشار، میزان گرمایش، رطوبت، زمان ماندگاری، اندازه ذرات و ترکیب پلاستیک قرار دارد. از کرکینگ ضایعات پلاستیکی نفت، گاز و پسماند تولید می‌شود. ماهیت و تولید این آنها تحت تاثیر پارامترهای مختلفی ازجمله دما، مقدار کاتالیزور و نوع آن است. برای دستیابی به نتایج بهتر، فرایند پیرولیز بایستی بتواند از منابع مختلف نفت تولید کند. علاوه براین، تجزیه کاتالیزوری در دمای تجزیه پایین دارای اثرات مثبتی است. دیگر مزیت کاتالیزور برای تجزیه پلیمر، بازدهی هیدروکربن سبک‌تر است که در اثر تجزیه پلیمر باعث افزایش کیفیت سوخت می‌شود. مشاهده شده است که بیشترین استفاده از کاتالیزورها در زئولیت اسیدی است. ازمیان آنها، HZSM-5 به دلیل دارا بودن سطح بزرگتر پرکاربردتر است. همچنین نسبت Si/Ai عامل مهم دیگری است زیرا بازدهی کاتالیزور اسیدی بیشتر از کاتالیزور کمتر اسیدی است. ازطرفی، اندازه منافذ و ساختار کاتالیزورها پارامترهای مهمی در تعیین خواص تجزیه کاتالیزور هستند.
همچنین مشاهده شد که تفاوت در فعالیت زئولیت و موردنیت ناشی از تفاوت در ساختار کاتالیزورها است. طول ترکیبات محصول معمولا با اندازه منافذ کاتالیزور مرتبط است. هندسه کاتالیزور نیز عملکرد کاتالیزور را برای واکنش کرکینگ تعیین می‌کند. علاوه براین، مشخص شد که فعالیت کاتالیزورهای دارای ساختار متخلخل در هیدروکراکینگ پلی استایرن بیشتر است. از توف طبیعی نیز به عنوان یک کاتالیزور کارآمد به منظور تجزیه پلی استایرن به سوخت استفاده شد. با این حال، خاک رس طبیعی به عنوان یک کاتالیزور به اندازه زئولیت‌ها مورد بررسی قرار نگرفته است، اگرچه مطالعات اندکی بر آن تمرکز کرده‌اند اما به بررسی این مورد نپرداخته‌اند. چو و همکارانش تجزیه کاتالیزوری پلی استایرن ضایعاتی در حضور خاک رس آلبیت و مونت موریلونیت را در محدوده دمایی 400-450 درجه سانتیگراد در راکتور نیمه دسته ای مورد بررسی قرار دادند. کاتالیزورهای طبیعی با هدف تحلیل ترکیبی و تعیین سطح مشخص شدند. کسر مایع جمع آوری شده از فرایند پیرولیز حاوی بنزن، تولوئن، اتیل بنزن و استایرن بود. لیو و همکارانش تاثیر خاک رس را بر تجزیه پلی اتیلن سنگین در راکتور دسته ای بستر ثابت مطالعه کردند. همچنین خاک رس را با دیگر کاتالیزورها مقایسه کردند. اثبات شد که خاک رس گزینه مناسبی برای تشکیل آلکان‌هایی است که به خواص بافتی خاک رس نسبت داده می‌شوند. مواد طبیعی مانند سنگ پا، سنگ آهک و خاک رس مدتهاست که به عنوان کاتالیزور استفاده می‌شوند. ازمیان آنها، خاک رس به دلیل دسترسی آسان، دوام، کارایی، مقرون به صرفه بودن و طبیعت غیرسمی پرکاربردترین است. خاک رس منبع غنی از آلومینا، سیلیس و اکسید آهن با ساختار متخلخل آمورف است که خواص سطحی خوبی از مجموعه‌های آمفوتریک دارد. این ویژگی‌های منحصر به فرد خاک رس را به یک کاتالیزور تبدیل کرده است. از آنجایی که خاک رس بسیار ارزان بوده و به راحتی در سراسر جهان در دسترس است، می‌توان از خاک رس طبیعی به عنوان کاتالیزور در واکنش‌های مختلف استفاده کرده و درنهایت، هزینه کل فرایند را کاهش داد. بنابراین، در این مطالعه تجزیه ترموکاتالیزوری پلی استایرن ضایعاتی در حضور خاک رس طبیعی که به‌وفور در پاکستان وجود دارد انجام شد. دو محصول مایع و گاز تولید شده درطی فرایند تجزیه ضایعات پلی استایرن جمع‌آوری و با روش‌های استانداردسازی مختلف مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. تاثیر پارامترهای مختلف همچون زمان، دما و کاتالیزور نیز در بازدهی پیرولیزات مورد بررسی قرار گرفتند.
تعیین مشخصات
در اینجا ترکیب پلی استایرن خوراکی با استفاده از یک آنالایزر عنصری تعیین شد. مواد اولیه پلی استایرن بیشتر کربن (85.080 درصد) و هیدروژن (9.987) با مقدار کمی اکسیژن (4.932 درصد) بود. نیتروژن و گوگرد در نمونه بسیار اندک بود. میزان بالای کربن و هیدروژن موجود در نمونه پلی استایرن خوراکی منبع خوبی از چگالش هیدروکربن‌ها است. همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، مورفولوژی خاک رس طبیعی توسط SEM تعیین شد.
شکل 1:
تصویر SEM نشان دهنده وجود برخی کانی‌های بزرگتر مانند کلسیت، کوارتز و پیریت شناور در خاک رس است. شکل بالا انباشت ساختار لایه‌ای را نشان می‌دهد که دارای ذرات بسیار ریزی است که با نتایج گزارش شده مطابقت دارد. در این مطالعه تحلیل ساختاری و ترکیبی XRD خاک رس طبیعی انجام شده و طیف‌های به دست آمده در شکل زیر ارائه شده‌اند.
شکل 2:
تعداد زیادی از پیک‌ها مشاهده شد که سه مورد از آنها پیک اصلی در درجات 4.4، 26.5 و 30.25 با شاخص‌های (100)، (211) و (220) بودند که به کوارتز نسبت داده می‌شوند. همچنین پیک‌های مشاهده شده در 8.9، 15.76، 19.33، 24.62، 27.92، 38.42، 42.67، 47.16، 49.91، 42.6، 54.16 و 56.16 درجه با شاخص (110)، (200)، (210)، (211)، (220)، (310)، (311)، (222)، (320)، (320)، (320) و (321) مشاهده شدند که ناشی از کائولینیت هستند.
جمع بندی
در این مطالعه تجزیه ترموکاتالیزوری ضایعات پلی استایرن با حضور خاک رس در دمای بین 340 تا 420 درجه سانتیگراد انجام شد. دما و زمان واکنش برای حداکثر بازدهی سوخت بهینه شده و مشاهده شد که دمای 410 درجه سانتیگراد و زمان واکنش 60 دقیقه شرایط بهینه ای برای حداکثر بازدهی سوخت (86.68 درصد) فراهم می‌کند. کسر نفت و گاز جمع آوری شده نیز ازطریق GC-MS بررسی شد. نفت پیرولیز تا حد زیادی حاوی مواد آروماتیک، آلکان و آلکن است. وجود برخی ترکیبات اکسیژنه در نفت ممکن است به مواد افزودنی مورد استفاده درطی فرآوری پلی استایرن یا آلودگی نسبت داده شوند. مشاهده شد که کسر گازی حاوی هیدروکربن‌هایی از C1 تا C5 است. خواص سوخت جمع آوری شده با استفاده از تکنیک‌های مختلف تعیین شد و همچنین خواص سوخت به دست آمده با مقادیر دیزل استاندارد، نفت سفید و بنزین مقایسه شدند که نشان دهنده شباهت خوب آن با بنزین و گازوئیل است. باتوجه به نتایج به دست آمده، از خاک رس طبیعی می‌توان به عنوان یک کاتالیزور موثر در افزایش کیفیت و کمیت سوخت حاصل از پیرولیز پلی استایرن ضایعاتی استفاده کرد. این مطالعه کاربردهای بالقوه‌ای در صنعت خواهد داشت.
