تولید مکمل سوختی از ضایعات پلاستیک از طریق فرآیند پیرولیز

با توجه به اهمیت این طرح، بویژه در موضوع بازیافت، حفاظت از محیط زیست و....، صغری داوری فرد، کارشناس روابط عمومی، در گفت و گویی با دکتر مجید سعیدی، مجری این طرح، به بررسی اهمیت، کاربرد و مزایای رقابتی این دستاورد پرداخته است.

به عنوان اولین سوال، لطفا کمی درباره طرح پژوهشی، اهداف و نتایجی که این طرح داشته است توضیح بفرمائید.
در سال‌های اخیر روند رو به رشد جمعیت و سبک زندگی مدرن، سبب بکارگیری گسترده مواد پلاستیکی شده است. این امر تولید ضایعات پلاستیکی را به‌طور قابل توجهی تشدید کرده و سبب بروز نگرانی‌های زیست محیطی در جهان شده است. هم اکنون، سالانه حدود ۱ میلیون تن پلاستیک در ایران مصرف می‌شود و این میزان به طور مداوم در حال افزایش است. این حجم از مصرف پلاستیک‌ها در کشور موجب تولید حجم قابل توجهی ضایعات پلاستیکی شده که در حدود ۲۸ درصد از کل زباله‌های تولید شده در کشور را شامل می‌شود. مواد زائد پلاستیکی نیز همچون سوخت‌های مشتق شده از نفت، حاوی عناصر کربن و هیدروژن هستند با این تفاوت که زنجیره کربنی طولانی‌تری نسبت به سوخت‌های LPG ، بنزین و گازوئیل دارند. بنابراین، امکان تبدیل مواد زائد پلاستیکی به سوخت وجود دارد.
پیرولیز حرارتی / کاتالیستی به عنوان یک روش کارآمد برای تبدیل و مدیریت پسماندهای پلاستیکی به محصولات ارزشمند همچون سوخت مایع، چار (محصول جانبی -جامد) و گاز سنتز (محصول جانبی -گاز) در غیاب اکسیژن و در گستره دمای ۹۰۰–۳۰۰ درجه سانتیگراد است. بازده محصولات متعدد حاصل از پیرولیز، به نوع مواد اولیه، گستره دمای عملیاتی، سرعت گرمایش و نوع راکتور مورد استفاده بستگی دارد. پیرولیز حرارتی پلاستیک‌ها در دمای بالا انجام می‌پذیرد و طیف وسیعی از محصولات را تولید می‌کند. در حالی‌که پیرولیز کاتالیستی سبب کاهش دمای واکنش، ارتقا واکنش تجزیه و بهبود کیفیت محصولات می‌شود. لازم به ذکر است که کاتالیست، به‌عنوان بار اصلی هزینه بازیافت مواد زائد پلاستیکی از طریق فرآیند پیرولیز شناخته می‌شود و کاهش هزینه کاتالیزور در کشورهای در حال توسعه، به منظور بکارگیری در مقیاس کوچک، چالش بسیار جالبی محسوب می‌شود. در این میان، زئولیت‌های طبیعی که در بسیاری از نقاط جهان یافت می‌شود، می‌تواند به عنوان کاتالیزور تجاری در فرآیند پیرولیز کاتالیزوری پسماندهای پلاستیکی بکار گرفته شوند.

هدف اصلی این طرح تولید مکمل سوختی از طریق فرآیند پیرولیز بود. در طرح مذکور، پیرولیز پلی اتیلن (PE)، پلی پروپیلن (PP) و پلی استایرن (PS) در یک راکتور طراحی شده در مقیاس آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت. دمای کراکینگ برای PE و PP برابر با ۴۵۰ درجه سانتیگراد و برای PS پایین‌تر و برابر با ۳۲۰ درجه سانتیگراد است. شایان ذکر است که دمای واکنش بالا و سرعت گرمایش می‌تواند به طور قابل توجهی تولید هیدروکربن‌های سبک را افزایش دهد. علاوه بر این، مدت زمان ماند طولانی نیز منجر به تولید محصولات هیدروکربنی سبک می‌گردد.
همچنین، به منظور حذف اثرات نامطلوب ناشی از محتوای اکسیژن زیاد بر روی خصوصیات سوخت حاصل از فرآیند پیرولیز مانند پایداری حرارتی و شیمیایی، ویسکوزیته، خوردگی و اختلاط با سایر هیدروکربن‌ها ، تصفیه هیدروژنی (HDO) به عنوان یک روش کارآمد بکار گرفته شد. بنابراین، این پروژه سعی دارد با تبدیل پسماندهای پلاستیکی به سوخت مایع از طریق فرآیند پیرولیز و همچنین کاهش میزان آلودگی محیط زیست، در این زمینه گام بردارد.
زباله‌های پلاستیکی از جنس پلی اتیلن (PE) ، پلی پروپیلن (PP) پلی استایرن (PS) و پلی اتیلن ترفتالات (PET) به عنوان ماده اولیه در فرآیند پیرولیز پس از جمع آوری، به منظور ایجاد یک مخلوط همگن، به قطعات کوچک‌تر (در حدود ۲ سانتی متر) خرد شدند. پیرولیز کاتالیستی / غیرکاتالیستی هر یک از ضایعات پلاستیکی به صورت منفرد و همچنین مخلوطی این مواد در نسبت‌های مختلف انجام شد. زئولیت طبیعی پس از اصلاح حرارتی و اسیدی به عنوان کاتالیزور در فرآیند پیرولیز بکار گرفته شد. فعال سازی حرارتی زئولیت طبیعی در کوره‌ای با دمای ۵۵۰ درجه سانتیگراد به مدت ۵ ساعت و فعال سازی اسیدی با قرارگیری زئولیت طبیعی در محلولی از نیتریک اسید به مدت ۴۸ ساعت همراه با همزدن انجام گرفت. سرانجام پیرولیز ضایعات پلاستیکی در یک راکتور پیرولیز آزمایشگاهی در دمای ۴۵۰ درجه سانتیگراد و با نرخ حرارتی  10C/min و زمان واکنش ۷۵ دقیقه انجام شد. پس از اتمام هر آزمایش، بازده به دست آمده از هر محصول پیرولیز بر اساس وزن محاسبه گردید. خصوصیات روغن مایع تولید شده به منظور بررسی تأثیر ترکیب مواد اولیه بر کیفیت روغن مایع تولید شده در حضور زئولیت اصلاح شده انجام شد. شرایط بهینه فرآیند مانند دما و زمان واکنش از طریق آزمون وزن سنجی حرارتی (TGA) مورد بررسی قرار گرفت. پیرولیز در یک سیستم راکتوری پیوسته از جنس کوارتز و متشکل از مخزن گاز نیتروژن، رگولاتور گاز، MFC جهت کنترل دبی گاز، المنت حرارت دهی، راکتور کوارتز، مخزن جمع‌آوری روغن زیستی، مبرد و مخزن جمع‌آوری گاز انجام گردید. زئولیت اصلاح شده همراه با خوراک در داخل راکتور قرار گرفته و با افزایش دما، مواد زائد پلاستیکی (پلیمرهای آلی) به مونومرهایی تبدیل شده و در کندانسور روغن مایع متراکم شد.
از محصول مایع تولید شده می‌توان برای سوخت‌رسانی به موتورهای دیزلی به عنوان یک سوخت منفرد یا ترکیب با سوخت دیزل تجاری استفاده کرد. علاوه براین، محصول گازی نیز می‌تواند به عنوان منبع گرمایی برای راکتورها و یا اجاق گاز جهت پخت و پز و محصولات جامد نیز برای سوختن مشترک با زغال سنگ و زیست توده استفاده شوند.
 

از منظر کاربردی، نتایج این طرح پژوهشی چه استفاده‌هایی می‌تواند داشته باشد؟
فناوری پیشنهادی برای تبدیل زباله‌های پلاستیکی، نه تنها چالش‌های مدیریت پسماند را برطرف می‌کند بلکه منجر به تولید محصولات ارزشمندی همچون سوخت مایع، ماده جامد(char) و جریان گاز غیر متراکم می‌شود. همچنین اجزای اصلی گازهای تولید شده از پیرولیز انواع مختلف پلاستیک عبارتند از: متان، هیدروژن، پروپان، پروپن، اتان، اتن و بوتان که می‌توانند بعنوان خوراک فرآیند تولید پلاستیک در صنایع پتروشیمی به گاز سنتز تبدیل شوند. علاوه بر این، گازهای تولید شده می‌توانند به‌عنوان سوخت در بویلرها یا در توربین گازی به منظور تولید برق بدون هیچگونه تصفیه‌ای مورد استفاده قرار گیرند. لازم به ذکر است که بوتن و ایزوپرن می‌توانند پس از بازیابی در تولید لاستیک استفاده شوند؛ در حالی‌که، پروپن و اتان می‌توانند به عنوان مواد شیمیایی در تولید پلی الفین بکار گرفته شوند.

نتایج این طرح پژوهشی چه مشکلی یا نیازی را از بخش صنعت یا جامعه برطرف می‌کند؟
علاوه بر تولید مکمل‌های سوختی به‌عنوان یکی از نیازهای اساسی کشور با استفاده از تکنولوژی پیشنهاد شده، این طرح پژوهشی نقش مهمی در رفع آلودگی‌های زیست محیطی دارد. امروزه حجم پسماندهای پلاستیکی به دلیل کاربردهای گسترده انواع پلاستیک‌ها در سبک زندگی مدرن، بسیار قابل توجه است و به دلیل آثار زیان بار آن بر طبیعت، به یکی از چالش‌های زیست محیطی تبدیل شده است. از سوی دیگر، تولید گسترده محصولات پلیمری سبب کاهش منابع خام از جمله نفت و گاز گردیده است. از این رو به منظور ارائه راهکاری مناسب در مواجهه با معضل پسماندهای پلاستیکی، سعی شده است تا در این طرح پژوهشی با بهره‌گیری از فرآیند پیرولیز کاتالیستی / غیرکاتالیستی، به دو هدف کلی زدودن پسماندهای پلاستیکی از محیط‌زیست و همچنین تبدیل تهدید مذکور به یک فرصت جامه عمل پوشاند.
در این راستا، پیرولیز پرمصرف‌ترین پلاستیک‌ها در کشور شامل پلی‌اتیلن ((PE) سبک و سنگین)، پلی‌پروپیلن (PP) و پلی‌استایرن (PS) و همچنین ارتقا محصولات حاصل از پیرولیز تحت مطالعه و تجزیه و تحلیل قرار گرفت. فرآیند پیشنهادی با توجه به سادگی فرآیند، از جاذبه‌ی کافی اقتصادی جهت سرمایه‌گذاری برخوردار است و می‌تواند در راستای حفظ محیط‌زیست مورد بهره‌برداری قرار گیرد.

نتایج این طرح در سطح کلان‌تر، چه مزایایی می‌تواند برای کشور داشته باشد؟
در سال‌های اخیر، روند رو به رشد مصرف پلاستیک در جهان و عمر کوتاه استفاده از آنها منجر به تولید حجم زیادی از پسماندهای پلیمری شده است و دفع این پسماندها به دلیل حجم بالا و عدم تجزیه، به تهدیدی جدی برای محیط زیست تبدیل شده است. در این میان، ایران، علی رغم داشتن ۱٪ از جمعیت جهان، در حدود ۱.۱۵٪ از پسماندهای پلاستیکی جهان را به خود اختصاص داده است. در ایران بخشی از زباله‌های پلاستیکی همچنان در محل‌های دفن زباله انباشته می‌شوند و بدین ترتیب آسیب‌های مخربی به محیط زیست وارد می‌نمایند. از سوی دیگر استفاده از دستگاه زباله سوز نیز سبب ورود آلاینده‌های مضر به جو می‌گردد. بنابراین مدیریت کارآمد این دسته از پسماندها از نظر انرژی، زیست محیطی، اقتصادی و سیاسی کشورها حائز اهمیت است. با توجه به اهمیت این موضوع در کشور، ارائه رویکردی با مضمون حفظ محیط‌زیست، کاهش دفن پسماندهای پلاستیکی و همچنین کمک به چرخه بازیافت مواد اولیه امری ضروری است و لازم است گام‌های مؤثری در این زمینه برداشته شود.
در این میان، پیرولیز به عنوان یکی از راهکارهای مناسب و امیدوارکننده جهت بازیافت پسماندهای پلاستیکی و جلوگیری از دفن یا سوزاندن آنها، شناخته می‌شود. در این فرآیند، پسماندهای پلاستیکی در فضایی عاری از اکسیژن تحت تجزیه ترموشیمیایی قرار گرفته و به محصولاتی تبدیل می‌گردند که مجدداً فرآیندپذیر هستند. محصولات مایع و گاز تولید شده می‌توانند به عنوان سوخت یا منبع مواد شیمیایی بکار گرفته شوند. به عبارت دیگر پیرولیز سوختی با ارزش حرارتی بالا تولید می‌کند که می‌تواند در موتورهای گازسوز جهت تولید برق و گرما بکار گرفته شود. همچنین چار حاصل شده از فرآیند نیز به‌عنوان جاذب گازهای گلخانه‌ای مانند CO2 ،CO ،NOx و SOx و گاز سنتز تولید شده نیز به‌عنوان ماده اولیه فرآیندهای تولید پلاستیک در صنایع پتروشیمی استفاده می‌شود. همچنین این فرآیند سبب کاهش قابل توجه آلودگی محیط زیست (آب سطحی، زیرزمینی، خاک، هوا) و افزایش سطح سلامت جامعه می‌شود.
 

آیا این کار و نتایج پژوهشی شما نمونه‌های داخلی و خارجی مشابه هم دارد؟
امروزه روند رو به رشد جمعیت و سبک زندگی مدرن، سهم تولید زباله‌های پلاستیکی را نسبت به سایر پسماندها به مقدار قابل توجهی افزایش داده است. بنابراین، مدیریت صحیح پسماندهای پلاستیکی نقش مؤثری در حفظ محیط‌زیست ایفا می‌کند. در سال‌های اخیر محققان با توجه به حجم عظیمی پسماندهای پلاستیکی تولید شده و مخاطرات زیست محیطی حاصل از دفن این نوع از پسماندها در طبیعت به دلیل دوام و پایداری زیاد، به مطالعه روش‌های جایگزین آن پرداخته‌اند. در میان روش‌های متعدد مورد بررسی در بسیاری از مراکز تحقیقاتی دنیا، فرآیند پیرولیز مورد توجه بسیاری از محققین قرار گرفته است و طرفداران زیادی در بسیاری از کشورهای دنیا پیدا کرده است.
پیرولیز حرارتی و پیرولیز کاتالیزوری PS در یک راکتور بستر ثابت با استفاده از دو کاتالیزور زئولیت ZSM-5 و زئولیت- Y توسط ویلییامز و همکارش مورد بررسی قرار گرفته است و محصول اصلی حاصل از پیرولیز حرارتی پلی استایرن، روغنی متشکل از استایرن و سایر هیدروکربن‌های آروماتیک بود. در حالیکه پیرولیز کاتالیزوری منجر به افزایش بازده گاز و کاهش مقدار روغن تولیدی، شده بود.
به نقل از پایگاه اطلاع‌رسانی شرکت ملی نفت ایران، طرح بازیافت ضایعات هیدروکربنی منطقه ویژه اقتصادی انرژی پارس از طریق بازیابی ضایعات لاستیک، پلاستیک، زباله‌های شهری، تایر، هیدروکربورهای ضایعاتی پتروشیمی‌ها و پالایشگاه‌ها با استفاده از فرآیند نوین پیرولیز کاتالیستی انجام گرفته است. بر اساس این طرح، ضایعاتی همچون نایلون، پلاستیک، لاستیک موجود در زباله‌های شهری در مدت شش ساعت به سوخت تبدیل می‌شود.
 

مزایای رقابتی طرح شما نسبت به سایر طرح‌ها چیست؟
از مزایای طرح پژوهشی ارائه شده نسبت به طرح عنوان شده، می‌توان به کاهش زمان انجام پیرولیز و همچنین امکان بازیافت مواد به شکل مخلوط مواد اولیه و کاهش دفن پسماندها پس از پردازش زباله اشاره کرد. در این فرآیند، مواد با پایه کربنی در فضایی عاری از اکسیژن، تحت گرما تجزیه شده و محصولات مایع و گازی تولید شده می‌توانند به‌عنوان سوخت یا منبع مواد شیمیایی بکار گرفته شوند.

آینده طرح پژوهشی خودتان را چگونه ارزیابی می‌کنید؟
تولید گسترده محصولات پلاستیکی علاوه بر به تحلیل رفتن منابع خام، سبب آلودگی بیش از پیش محیط زیست گشته است. از این رو به منظور حفظ محیط‌زیست و ارائه راهکاری در مواجهه با معضل پسماندهای پلاستیکی، تلاش شده است تا با بهره‌گیری از فرآیند پیرولیز غیرکاتالیستی / کاتالیستی به اهداف مذکور دست یافت. علاوه بر این اجرای موفقیت‌آمیز این پژوهش در مقیاس آزمایشگاهی گامی بلند در راستای کاهش دفن پسماندهای پلاستیکی و همچنین کمک به چرخه بازیافت مواد اولیه خواهد بود.
همچنین، طرح پژوهشی پیشنهادی علاوه بر سادگی فرآیند و حجم پایین سرمایه‌گذاری، راه برون رفت از بسیاری معضلات زیست محیطی را ارائه می‌دهد و از جاذبه کافی به منظور جذب سرمایه‌گذار برخوردار است.