بهینه سازی پیرولیز ضایعات پلاستیکی پلی پروپیلن و پلی اتیلن تبدیل به عنوان سوخت نفتی جایگزین با استفاده از کاتالیزور بنتونیت
این تبدیل با پیرولیز کردن ضایعات کیسه های پلاستیکی در دماهای نسبتا پایین، حدود 225-50 درجه سانتیگراد، و با استفاده ازکاتالیزور بنتونیت انجام شده است. این چهار محصول سوخت های جایگزین حاوی بنزین، نفت سفید، گازوئیل و گاز غیرقابل تراکم هستند. روش پیرولیز به این صورت است که:
(الف) 3 کیلوگرم زباله پلاستیکی خرد شده با کسر جرمی کاتالیزور بنتونیت که حدود 0.035-0.0125 وزن ضایعات پلاستیکی است مخلوط شده و سپس داخل پرولیزاتور قرار می گیرد؛
(ب) پیرولیزاتور با 1.5 کیلوگرم گاز مایع (LPG) به مدت 2-3 ساعت در دمای 225-50 درجه سانتیگراد حرارت داده می شود؛
(پ) مواد حاصل از پیرولیز به طور جداگانه در 3 مخزن بنزین، نفت سفید و گازوئیل ذخیره می شوند؛
(ج) درنهایت، برای شفاف سازی مواد حاصل از پیرولیز از فیلتر شنی استفاده می شود.
متغیرهای مورد مطالعه نوع مواد پلاستیکی پلی پروپیلن (PP) و پلی اتیلن (PE) و تاثیر کسر جرمی کاتالیزور بنتونیت از 0.035 تا 0.125 متفاوت است. نتایج نسبتا خوب به دست آمده از این مطالعه نشان می دهند که پیرولیز 3 کیلوگرم ضایعات پلاستیکی با کسر جرمی 0.100 کاتالیزور توانست 44.00 درصد بنزین جایگزین، 10.76 درصد نفت سفید جایگزین و 21.07 درصد گازوئیل تولید کند و مابقی گازهای غیرقابل تراکم بودند. نقاط فلاش (ASTM D7094) در بنزین، نفت سفید و گازوئیل جایگزین به ترتیب 84، 68 و 100 درجه سانتیگراد هستند. ارزش حرارتی هر فرآورده سوختی نیز برای بنزین، نفت سفید و گازوئیل به ترتیب 10970، 10965 و 10816 کالری بر گرم است. علاوه براین، پیرولیز ضایعات پلاستیکی پلی اتیلن با کسر جرمی 0.100 کاتالیزور توانست 27.65 درصد بنزین، 17.11 درصد نفت سفید، 43.79 درصد گازوئیل جایگزین تولید کند؛ مابقی گازهای غیرقابل تراکم بودند. این نقاط فلش (ASTM D7094) در بنزین، نفت سفید و گازوئیل جایگزین به ترتیب 84، 70 و 98 درجه سانتیگراد هستند. همچنین مقدار کالری بنزین، نفت سفید و گازوئیل به ترتیب 10979، 11008 و 11.027 کالری بر گرم ثبت شدند.
امروزه، زباله یک مشکل جدی در اندونزی است که همچنان راه حل مطلوبی برای آن یافت نشده است. افزایش جمعیت باعث افزایش میزان ضایعات انباشته شده در اثر فعالیت های انسانی می شود. کل جمعیت اندونزی در سال 2016 روزانه 189000 تن زباله پلاستیکی؛ به ازای هر نفر 0.8 کیلوگرم، تولید کردند که از این مقدار 15 درصد برابر با 28.400 تن ضایعات پلاستیکی بودند. انتظار می رفت تولید زباله اندونزی در سال 2022 به 69.2 میلیون تن در سال برسد. درهمین راستا، رشد اقتصادی در سورابایا همچنان ادامه دارد و درحال حاضر به 4.85 درصد رسیده است. این رشد اقتصادی سورابایا را به یکی از پنج شهرهای اندونزی با بیشترین تولید زباله در این کشور تبدیل کرده است. تولید زباله سورابایا در سال 2018 برابر با 2.164.4 تن روز بود. داده های سیستم اطلاعات ملی مدیریت پسماند 1.477 تن در روز زباله در سایت دفع نهایی بِنوو ثبت کرد که از این مقدار، 54.31 درصد ضایعات مواد غذایی، 19.44 درصد پلاستیک (کیسه برنج، بطری های آب، نی های پلاستیکی)، 14.63 درصد کاغذ و 1.47 درصد منسوجات بودند. این زباله های پلاستیکی انواع مختلف دارند ازجمله پلی پروپیلن (PP) که نوعی پلاستیک است و اغلب در بسته بندی مواد غذایی خشک، تنقلات و نی های پلاستیکی استفاده می شود؛ و پلی اتیلن (PE) که نوعی پلاستیک است و معمولا برای بسته بندی نوشیدنی هایی مانند تکه های یخ، شربت و کیسه برنج استفاده می شود. همچنین نوعی پلی اتیلن سنگین (HDPE) وجود دارد که یک پلاستیکی سفید و تمیز است و به دلیل انعطاف پذیری و استحکام بالا در تولید کیسه های دستمال کاغذی، بطری های مواد شوینده، روغن پخت و پز، لوله های پلاستیکی و کیسه های خرید استفاده می شود. از پلی اتیلن سبک (LDPE) نیز برای آستر قوطی، پلاستیکِ بسته بندی مواد غذایی و بسته بندی نان استفاده می شود.
در سال 1907، برای اولین بار استفاده از پلاستیک کشف شد و استفاده از اقلام پلاستیکی همچنان روبه افزایش بود. با افزایش استفاده از پلاستیک توسعه جمعیت، فناوری و صنعت تحت تاثیر قرار می گیرند. نمی توان پلاستیک را از زندگی روزمره جدا کرد زیرا از پلاستیک های مختلف و یا محصولاتی که از مواد پلاستیکی تشکیل شده اند استفاده می کنیم. به طور کلی، ضایعات پلاستیکی دور ریخته یا سوزانده می شوند؛ حتی در زمین دفن شده و برخی نیز بازیافت می شوند. سوزاندن زباله یک درمان بی اثر است و با انتشار گازهای خطرناک اثرات منفی به همراه دارد. این مشکل نیاز به روش های جایگزینی برای تبدیل زباله‌های پلاستیکی به محصولی مفیدتر و با ارزش فروش بالاتر، ازجمله نفت کوره دارد. فناوری تبدیل ضایعات پلاستیکی به نفت کوره یک فرایند کرکینگ حرارتی یا همان فرایند شکست زنجیره های هیدروکربنی از ترکیبات زنجیره بلند به هیدروکربن های زنجیره کوچکتر با کمک حرارت است. هدف از فرایند کرکینگ حرارتی دست یافتن به کسرهای نفتی با محدوده جوش کمتر از خوراک است. در این فرایند گاز، بنزین (نفتا)، دیزل، پسماند یا کک تولید می شود. در واکنش کرکینگ حرارتی، بریدگی پیوند C-C، هیدروژن زدایی، ایزومریزاسیون و پلیمریزاسیون رخ خواهد داد. پلاستیک یک ترکیب هیدروکربنی حاوی زنجیره طولانی است که از پلیمریزاسیون پلی اتیلن (PE)، پلی پروپیلن (PP)، پلی استایرن (PS) و پلی اتیلن ترفتالات (PET) حاصل می شود. پلی اتیلن دارای وزن مولکولی در حدود 200-500 هزار است درحالی که وزن مولکولی پلی پروپیلن حدود 10-12 هزار است. کرکینگ حرارتی همچنین به عنوان فرایند پیرولیز شناخته می شود که فرایند تجزیه حرارتی مواد آلی بدون دخالت اکسیژن در آن است. این فرایند موجب شکستن زنجیره ترکیبات شیمیایی و درنتیجه، تولید ترکیبات جدید می شود که زنجیره های پیوند کوتاه تری دارند. پلاستیک، به عنوان شکلی از پلیمر با اصلی مونومر در قالب یک زنجیره هیدروکربنی، فرصت پردازش توسط پیرولیز را به این امید فراهم می کند که بتوان ترکیبات هیدروکربنی با زنجیره کوتاه‌تر تولید کرد. باتوجه به مشکل ضایعات پلاستیکی که اکثر آنها هنوز به خوبی مدیریت نمی شوند، نویسندگان قصد دارند با پیرولیز ضایعات پلاستیکی و با کمک کاتالیزور بنتونیت به تولید سوخت جایگزین دست یافته و بر این مشکل غلبه کنند. زباله‌های پلاستیکی به شکل پلاستیک از مایحتاج زندگی ازجمله گونی برنج، ظروف برنج (جعبه های پلاستیکی)، بطری های آب معدنی، فنجان های آب معدنی و نوشابه تولید می شوند. هدف از این تحقیق مطالعه فرایند تبدیل پلی اتیلن (PE) و پلی پروپیلن (PP) به نفت کوره جایگزین با استفاده از فرایند پیرولیز و بررسی و تحلیل اثرات جرمی بنتونیت به عنوان یک کاتالیزور است.
جمع بندی و سخن پایانی
در اینجا، پیرولیز ضایعات پلاستیکی از پلی پروپیلن (PP) و پلی اتیلن (PE) تحت شرایط کنترل شده، به طور خاص با استفاده از کسر وزنی 0.1 کاتالیزور بنتونیت و محدوده دمایی پیرولیز بین 50 تا 225 درجه سانتیگراد انجام شد. در ضایعات پلاستیکی PP، این فرایند باعث تولید بنزین، نفت سفید و محصولات دیزلی جایگزین به ترتیب با نرخ قابل توجه 44.00، 10.76 و 21.07 درصد شد. نقاط فلش این محصولات به ترتیب در 84، 68 و 100 درجه سانتیگراد بود و همچنین مقادیر گرمایش آنها نیز به ترتیب 10970، 10965 و 10.816 کالری بر گرم، با مقادیر عدد اکتان تحقیقاتی (RON) بیش از 97 برای بنزین و نفت سفید جایگزین ثبت شد. با این حال، درمورد ضایعات پلاستیکی پلی اتیلن، شرایط بهینه منجر به بازدهی 27.65، 17.11 و 43.79 درصدی به ترتیب برای بنزین، نفت سفید و گازوئیل جایگزین شد. همچنین مقادیر نقاط فلش در این سوخت های جایگزین نیز به ترتیب 84، 70 و 98 درجه سانتیگراد بود و مقادیر گرمایشی نیز به ترتیب 10979، 11008 و 11027 کالری در گرم با مقادیر فراتر از 98 برای کسرهای بنزین و نفت سفید ثبت شد. نکته قابل توجه اینکه روغن های سوخت جایگزین مطابق با استانداردهای تجاری نفت کوره هستند که توسط اداره کل نفت و گاز، وزارت انرژی و منابع معدنی، جمهوری اندونزی مبنی بر میزان چگالی، ویسکوزیته و مقادیر گرمایشی در محدوده مشخص تعیین شدند. این امر بر استحکام آنها به عنوان گزینه های سازگار با محیط زیست باهدف ارزش گذاری ضایعات پلاستیکی و تولید پایدار منابع سوختی تاکید می کند.
