العمليات الكيميائية لإعادة تدوير البلاستيك

مع وصول نفايات البلاستيك العالمية إلى مستويات مذهلة - ما يقدر بنحو 380 مليون طن يتم إنتاجها سنويًا، مع إعادة تدوير 91 تيرابايت فقط من هذه النفايات - أصبحت الحاجة الملحة لإيجاد حلول فعالة لإعادة التدوير أكبر من أي وقت مضى. تبرز إعادة التدوير الكيميائي كنهج تحويلي يختلف عن الطرق الميكانيكية التقليدية، حيث يوفر إمكانية استعادة المواد الأولية القيمة من مجموعة متنوعة من البلاستيك. ستقدم هذه المقالة نظرة عامة شاملة على تكنولوجيات إعادة التدوير الكيميائية الرئيسية، بما في ذلك التحلل الحراري والتغويز، وتقييم متطلبات المواد الأولية لأنواع مختلفة من البلاستيك. وسوف نقيّم المنتجات الناتجة مثل المونومرات والوقود، ونناقش مستويات الجاهزية التكنولوجية الحالية وقابلية التوسع في هذه العمليات، ونحلل آثارها البيئية وجدواها الاقتصادية.

النقاط الرئيسية

• تختلف إعادة التدوير الكيميائي عن العمليات الميكانيكية بشكل كبير.
• قد يؤدي الانحلال الحراري إلى تحويل البلاستيك إلى وقود ومنتجات أخرى.
• التغويز يحول البلاستيك إلى غاز تخليقي للطاقة.
• تختلف متطلبات اللقيم باختلاف أنواع البلاستيك المعالج.
• وتشمل المنتجات الناتجة المونومرات والنافتا والوقود.
• يؤثر التأثير البيئي والعوامل الاقتصادية على الجدوى.

نظرة عامة على إعادة التدوير الكيميائي وتمييزها عن إعادة التدوير الميكانيكي

إن إعادة التدوير الكيميائي هو نهج تحويلي ينطوي على تكسير البلاستيك على المستوى الجزيئي لإعادة توليد مواد خام مناسبة لمختلف التطبيقات. وعلى عكس

تهدف عملية إعادة التدوير الميكانيكية، التي تعالج البلاستيك فيزيائياً إلى قطع أصغر دون تغيير بنيتها الكيميائية، إلى إعادة التدوير الكيميائي الذي يهدف إلى تفكيك البوليمرات وتحويلها مرة أخرى إلى مونومرات أو غيرها من لبنات البناء الكيميائية. وتسمح هذه العملية بإنتاج مواد معاد تدويرها عالية الجودة يمكن إعادة استخدامها لتصنيع منتجات جديدة ذات خصائص مماثلة للمواد البكر.

وعلى النقيض من ذلك، غالبًا ما تعاني إعادة التدوير الميكانيكية من قيود بسبب التلوث، والتعقيد في تركيبة المواد الخام، وتدهور خصائص المواد عند تكرار إعادة التدوير. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي العمليات الميكانيكية إلى فقدان بعض الخصائص الفيزيائية للبلاستيك، مما يؤدي عادةً إلى استخدامات أقل قيمة. ويمكن قياس ذلك من خلال الانخفاض الكبير في قوة الشد، الذي يتجاوز في بعض الأحيان 50% لبعض البوليمرات بعد دورتين فقط من إعادة التدوير الميكانيكي.

بشكل عام، يمكن تقسيم إعادة التدوير الكيميائي إلى طريقتين رئيسيتين:

• نزع البلمرة الذي يركز على إعادة البلاستيك إلى حالة المونومر
• الانحلال الحراري، الذي يحولها إلى وقود ومواد كيميائية. كل من الطريقة ملاءمتها الخاصة بها اعتمادًا على نوع البلاستيك الذي تتم معالجته.

على سبيل المثال، يمكن إزالة بلمرة البولي إيثيلين تيريفثاليت (البولي إيثيلين تيريفثاليت)، الذي يشيع استخدامه في زجاجات المشروبات، بشكل فعال لاستعادة المونومرات المكونة له، في حين يمكن معالجة البولي أوليفينات مثل البولي بروبيلين بكفاءة أكبر من خلال التحلل الحراري.

على الرغم من أن تنفيذ إعادة التدوير الكيميائي يواجه بعض التحديات، بما في ذلك الجاهزية التكنولوجية والعقبات التنظيمية. وقد أبلغت العديد من المشاريع التجريبية الجارية في جميع أنحاء أوروبا وأمريكا الشمالية عن عوائد تتراوح بين 80 و901 تيرابايت و9 أطنان من البلاستيك المحدد، مما يدل على الجدوى المحتملة. ومع تطور التكنولوجيات، سيلعب التمايز الواضح بين عمليات إعادة التدوير الكيميائية والميكانيكية دورًا مهمًا في تحديد مدى فعالية نظم إدارة النفايات وإعادة التدوير.

تكنولوجيات إعادة التدوير الكيميائية الرئيسية: التحلل الحراري، والتغويز، وإزالة البلمرة، والتكسير المائي

عملية الانحلال الحراري: وهو ينطوي على التحلل الحراري للمواد العضوية في غياب الأكسجين، وتحويل نفايات البلاستيك إلى هيدروكربونات قيمة. وتتراوح درجة حرارة التشغيل النموذجية بين 300 درجة مئوية و900 درجة مئوية، اعتماداً على نوع المادة الأولية والمنتجات النهائية المرغوبة. ويمكن استخدام زيت التحلل الحراري كوقود بديل أو ترقيته لإنتاج الديزل والمواد الخام للتخليق الكيميائي. ومن الأمثلة البارزة على ذلك تحويل البوليسترين إلى مونومر الستايرين، الذي له تطبيقات في إنتاج مختلف أنواع البلاستيك والراتنجات. وتشير مقاييس الإنتاج إلى أن التحلل الحراري يمكن أن يحقق معدل كفاءة يصل إلى 801 تيرابايت في 9 تيرابايت، مما يؤدي إلى استعادة كميات كبيرة من الطاقة من نفايات البلاستيك.

التغويز: وهي تعمل على مبدأ تحويل المواد الكربونية إلى غاز تخليقي (خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين وبعض ثاني أكسيد الكربون) عن طريق تفاعل المواد في درجات حرارة عالية (حوالي 700 درجة مئوية إلى 1600 درجة مئوية) مع كمية من الأكسجين و/أو البخار يمكن التحكم فيها. ويمكن استخدام الغاز التخليقي الناتج كمصدر وقود لتوليد الكهرباء أو كسلائف للمواد الكيميائية مثل الميثانول والأمونيا. ويقوم مرفق قائم في ألمانيا، تديره شركة BASF، بتغويز النفايات البلاستيكية المختلطة بكفاءة مع استرداد طاقة تبلغ حوالي 601 تيرابايت إلى 9 تيرابايت من محتوى الطاقة الأصلي.

نزع البلمرة: فهي تتطلب محفزات وظروف معينة لشق سلاسل البوليمر إلى مونومرات أو أوليغومرات. وتعد هذه الطريقة انتقائية لأنواع معينة من البلاستيك، مثل البولي إيثيلين تيرفثالات البولي إيثيلين والبولي أوليفينات. وقد أدت التطورات الحديثة إلى تحسين الإنتاجية وتقليل أوقات التفاعل، مما يجعل نزع البلمرة طريقة واعدة لاستعادة المواد الخام عالية الجودة. وقد نجح معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) في تطوير محفز جديد يمكنه زيادة معدل إزالة البلمرة للبولي إيثيلين تيرفثالات البولي إيثيلين تيرفثالات مما يعزز كفاءة الاسترداد بشكل كبير.

التكسير المائي: وهي تنطوي على استخدام الهيدروجين ومحفزات محددة لتحويل الهيدروكربونات الكبيرة إلى هيدروكربونات أصغر حجماً وأكثر قيمة، وعادةً ما يتم ذلك تحت ضغط عالٍ ودرجات حرارة معتدلة (حوالي 300 درجة مئوية إلى 400 درجة مئوية). وعادة ما يتم تطبيق هذه الطريقة على الزيوت الثقيلة ويمكن تسخيرها أيضاً لمعالجة النفايات البلاستيكية إلى وقود قابل للاستخدام. فعلى سبيل المثال، تستخدم العديد من عمليات التكرير في كوريا الجنوبية تقنيات التكسير المائي بشكل فعال، وتحقق عوائد تزيد عن 851 تيرابايت 9 تيرا بايت من الوقود السائل من المخلفات البلاستيكية. وهذا يقلل بشكل كبير من الاعتماد على مدافن النفايات مع تحويل النفايات إلى منتجات مجدية اقتصاديًا.

متطلبات المواد الأولية وملاءمتها لأنواع البلاستيك المختلفة

يعتمد اختيار المواد الوسيطة لعمليات إعادة التدوير الكيميائية على نوع البلاستيك الذي تتم معالجته. وتتميز المواد البلاستيكية المختلفة، المصنفة حسب رموز تعريف الراتنجات الخاصة بها، بخصائص مميزة تؤثر على ملاءمتها لمختلف طرق إعادة التدوير. على سبيل المثال، يعتبر البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET)، الذي يشيع استخدامه في زجاجات المشروبات، أكثر قابلية لعمليات مثل إزالة البلمرة، مما ينتج عنه مواد عالية الجودة تشبه المواد البكر. في المقابل، يمكن إعادة تدوير البولي أوليفينات مثل البولي إيثيلين (PE) والبولي بروبيلين (PP) بشكل فعال من خلال الانحلال الحراري، وتحويلها إلى مواد شبيهة بالزيت الخام.

يمثل البولي إيثيلين بكثافاته المختلفة (البولي إثيلين منخفض الكثافة والبولي إثيلين عالي الكثافة) تحديات متنوعة. فبينما يتميز البولي إثيلين منخفض الكثافة بنقطة انصهار أقل، مما يجعله أقل ثباتًا في العمليات الحرارية، فإن البولي إثيلين عالي الكثافة يتميز بقوة أعلى ويمكنه تحمل درجات حرارة أعلى، مما يعزز قابليته للتغويز. وتركز متطلبات اللقيم المثلى على حجم الجسيمات ومستويات الشوائب؛ ويجب فرز اللقيم لإزالة الملوثات، مما يضمن كفاءة تحويل عالية مع تقليل تدهور اللقيم أثناء المعالجة.