Термическая деполимеризация
Термическая деполимеризация ( ТДП ) — это процесс превращения полимера в мономер или смесь мономеров, [1] преимущественно термическим путем. Она может быть катализируемой или некатализируемой и отличается от других форм деполимеризации , которые могут основываться на использовании химических веществ или биологическом воздействии. Этот процесс связан с увеличением энтропии .
Для большинства полимеров термическая деполимеризация представляет собой хаотичный процесс, дающий смесь летучих соединений. Таким образом, материалы могут быть деполимеризованы во время утилизации отходов , при этом образующиеся летучие компоненты сжигаются в виде синтетического топлива в процессе преобразования отходов в энергию . Для других полимеров термическая деполимеризация представляет собой упорядоченный процесс, дающий один продукт или ограниченный набор продуктов; эти преобразования обычно более ценны и составляют основу некоторых технологий переработки пластика . [2]
Неупорядоченная деполимеризация
[ редактировать ]Для большинства полимерных материалов термическая деполимеризация протекает неупорядоченно, при этом случайный разрыв цепи приводит к образованию смеси летучих соединений. Результат во многом похож на пиролиз , хотя при более высоких температурах газификация происходит . Эти реакции можно наблюдать при утилизации отходов , когда продукты сжигаются в качестве синтетического топлива в процессе переработки отходов в энергию . По сравнению с простым сжиганием исходного полимера, деполимеризация дает материал с более высокой теплотой сгорания , который можно сжигать более эффективно, а также продавать. При сжигании также могут образовываться вредные диоксины и диоксиноподобные соединения , и для его безопасного проведения требуются специально разработанные реакторы и системы контроля выбросов. Поскольку стадия деполимеризации требует тепла, она энергозатратна; таким образом, конечный баланс энергоэффективности по сравнению с прямым сжиганием может быть очень жестким и был предметом критики. [3]
Биомасса
[ редактировать ]Многие отходы сельского хозяйства и животноводства могут быть переработаны, но зачастую они уже используются в качестве удобрений , корма для животных и, в некоторых случаях, в качестве сырья для бумажных фабрик или в качестве некачественного котельного топлива. Термическая деполимеризация может превратить их в более экономически ценные материалы. многочисленные технологии преобразования биомассы в жидкость Были разработаны . В целом биохимические вещества содержат атомы кислорода, которые сохраняются при пиролизе, образуя жидкие продукты, богатые фенолами и фуранами . [4] Их можно рассматривать как частично окисленные, из которых получают низкосортное топливо. Технологии гидротермального сжижения обезвоживают биомассу во время термической обработки для получения более богатого энергией потока продукта. [5] Аналогичным образом, в результате газификации производится водород, очень высокоэнергетическое топливо.
Пластмассы
[ редактировать ]Пластиковые отходы состоят в основном из товарного пластика и могут активно сортироваться из бытовых отходов . Пиролиз смешанных пластмасс может дать довольно широкую смесь химических продуктов (от 1 до 15 атомов углерода), включая газы и ароматические жидкости. [6] Катализаторы могут дать более четко определенный продукт с более высокой ценностью. [7] Аналогично, гидрокрекинг может быть использован для получения продуктов сжиженного нефтяного газа . Наличие ПВХ может быть проблематичным, так как при его термической деполимеризации образуется большое количество HCl , которая может разъедать оборудование и вызывать нежелательное хлорирование продуктов. Его необходимо либо исключить, либо компенсировать путем внедрения технологий дехлорирования. [8] Полиэтилен и полипропилен составляют чуть менее половины мирового производства пластмасс и, будучи чистыми углеводородами , имеют более высокий потенциал для переработки в топливо. [9] Технологии переработки пластика в топливо исторически пытались быть экономически жизнеспособными из-за затрат на сбор и сортировку пластика и относительно низкой стоимости производимого топлива. [9] Крупные заводы считаются более экономичными, чем мелкие. [10] [11] но требуют больше инвестиций для строительства.
Однако этот метод может привести к небольшому чистому снижению выбросов парниковых газов . [12] хотя другие исследования оспаривают это. Например, исследование 2020 года, опубликованное Renolds в рамках их собственной программы Hefty EnergyBag, показывает чистые выбросы парниковых газов. Исследование показало, что, если подсчитать все затраты на энергию от колыбели до могилы, сжигание в цементной печи было намного эффективнее. Топливо для цементных печей набрало -61,1 кг эквивалента CO 2 по сравнению с +905 кг эквивалента CO 2 . Кроме того, дела обстоят гораздо хуже с точки зрения сокращения количества свалок по сравнению с печным топливом. [13] Другие исследования подтвердили, что программы пиролиза пластмасс для производства топлива также являются более энергоемкими. [14] [15]
Для утилизации отходов шин пиролиз шин также возможен . Масло, полученное в результате пиролиза резины шин, содержит высокое содержание серы, что придает ему высокий потенциал загрязнения и требует гидрообессеривания перед использованием. [16] [17] Эта область сталкивается с законодательными, экономическими и маркетинговыми препятствиями. [18] В большинстве случаев шины просто сжигаются в качестве топлива, полученного из шин .
Муниципальные отходы
[ редактировать ]Термическая обработка бытовых отходов может включать деполимеризацию очень широкого спектра соединений, включая пластмассы и биомассу. Технологии могут включать простое сжигание, а также пиролиз, газификацию и плазменную газификацию . Все они способны перерабатывать смешанное и загрязненное сырье. Основным преимуществом является сокращение объема отходов, особенно в густонаселенных районах, где нет подходящих мест для новых свалок . Во многих странах сжигание с рекуперацией энергии остается наиболее распространенным методом, а более продвинутым технологиям мешают технические и финансовые препятствия. [19] [20]
Упорядоченная деполимеризация
[ редактировать ]Некоторые материалы термически разлагаются упорядоченным образом с образованием одного или ограниченного набора продуктов. Поскольку они являются чистыми материалами, они обычно более ценны, чем смеси, полученные путем неупорядоченной термической деполимеризации. Для пластмасс это обычно исходный мономер , и когда он перерабатывается обратно в свежий полимер, это называется переработкой сырья. На практике не все реакции деполимеризации полностью эффективны, и часто наблюдается некоторый конкурентный пиролиз.
Биомасса
[ редактировать ]Биоперерабатывающие заводы перерабатывают малоценные отходы сельского хозяйства и животноводства в полезные химикаты. Промышленное производство фурфурола путем кислотно-катализируемой термической обработки гемицеллюлозы существует уже более века. Лигнин был предметом серьезных исследований на предмет потенциального производства БТК и других ароматических соединений. [21] хотя такие процессы еще не были коммерциализированы с каким-либо устойчивым успехом. [22]
Пластмассы
[ редактировать ]Некоторые полимеры, такие как ПТФЭ , нейлон 6 , полистирол и ПММА. [23] подвергаются деполимеризации с образованием исходных мономеров . Их можно превратить обратно в новый пластик — процесс, называемый химической переработкой или переработкой сырья. [24] [25] [26] Теоретически это обеспечивает бесконечную переработку пластика, но оно также дороже и имеет более высокий углеродный след , чем другие формы переработки пластика; однако на практике это по-прежнему дает продукт худшего качества с более высокими затратами энергии, чем производство первичного полимера в реальном мире из-за загрязнения.
Связанные процессы
[ редактировать ]применяется редко, Хотя в настоящее время газификация угля исторически она осуществлялась в больших масштабах. Термическая деполимеризация аналогична другим процессам, в которых в качестве основной фазы производства топлива используется перегретая вода , например прямому гидротермальному сжижению . [27] Они отличаются от процессов, использующих сухие материалы для деполимеризации, таких как пиролиз . Термин термохимическая конверсия (ТХК) также использовался для преобразования биомассы в нефть с использованием перегретой воды, хотя чаще он применяется к производству топлива посредством пиролиза. [28] [29] Сообщается, что демонстрационная установка, которая должна быть запущена в Нидерландах, способна перерабатывать 64 тонны биомассы ( в сухом пересчете ) в день в нефть. [30] Термическая деполимеризация отличается тем, что включает в себя водный процесс, за которым следует безводный процесс крекинга/дистилляции.
Конденсационные полимеры, содержащие расщепляемые группы, такие как сложные эфиры и амиды, также могут быть полностью деполимеризованы путем гидролиза или сольволиза ; это может быть чисто химический процесс, но ему также могут способствовать ферменты. [31] Такие технологии менее развиты, чем технологии термической деполимеризации, но обладают потенциалом снижения затрат на энергию. До сих пор, [ на момент? ] полиэтилентерефталат был наиболее изученным полимером. [32] Было высказано предположение, что отходы пластика могут быть преобразованы в другие ценные химические вещества (не обязательно мономеры) под действием микробов. [33] [34] но такая технология все еще находится в зачаточном состоянии.
См. также
[ редактировать ]
| Биотопливо | |
|---|---|
| Энергия из продовольствие | |
| Непродовольственные товары энергетические культуры | |
| Технология | |
| Концепции | |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Деполимеризация ». два : 10.1351/goldbook.D01600
- ^ Тиунн, Тимми; Смит, Ретт К. (15 мая 2020 г.). «Достижения и подходы к химической переработке пластиковых отходов» . Журнал полимерной науки . 58 (10): 1347–1364. дои : 10.1002/pol.20190261 .
- ^ Роллинсон, Эндрю Нил; Оладехо, Джумоке Мохисола (февраль 2019 г.). « Запатентованные ошибки», осведомленность об эффективности и заявления о самообеспеченности в секторе получения энергии пиролиза из отходов». Ресурсы, сохранение и переработка . 141 : 233–242. дои : 10.1016/j.resconrec.2018.10.038 . S2CID 115296275 .
- ^ Коллар, Франсуа-Ксавье; Блин, Жоэль (октябрь 2014 г.). «Обзор пиролиза компонентов биомассы: механизмы и состав продуктов, полученных конверсией целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 38 : 594–608. дои : 10.1016/j.rser.2014.06.013 .
- ^ Кумар, Маянк; Оладжире Оедун, адетойский; Кумар, Амит (январь 2018 г.). «Обзор текущего состояния различных гидротермальных технологий на основе биомассы». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 81 : 1742–1770. дои : 10.1016/j.rser.2017.05.270 .
- ^ Каминский, В.; Шлессельманн, Б.; Саймон, CM (август 1996 г.). «Термическое разложение смешанных пластиковых отходов до ароматических веществ и газа». Деградация и стабильность полимеров . 53 (2): 189–197. дои : 10.1016/0141-3910(96)00087-0 .
- ^ Агуадо, Дж.; Серрано, ДП; Эскола, Дж. М. (5 ноября 2008 г.). «Топливо из пластиковых отходов с помощью термических и каталитических процессов: обзор». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 47 (21): 7982–7992. дои : 10.1021/ie800393w .
- ^ Фукусима, Бэйли; Хидетоши; Сугияма, Эйити; Китагава, Киёхико; Шимура, Оно, Эйити (июнь 2010 г.). Пластиковые бытовые отходы, содержащие поливинилхлорид и полиэтилентерефталат». Журнал «Материальные циклы и управление отходами » . 12 (2): 108–122. doi : 10.1007/s10163-010-0279-8 . S2CID 94190060 .
- ^ Jump up to: а б Батлер, Э.; Девлин, Г.; Макдоннелл, К. (1 августа 2011 г.). «Отходы полиолефинов в жидкое топливо посредством пиролиза: обзор современных коммерческих и недавних лабораторных исследований». Валоризация отходов и биомассы . 2 (3): 227–255. дои : 10.1007/s12649-011-9067-5 . hdl : 10197/6103 . S2CID 98550187 .
- ^ Фивга, Анцела; Димитриу, Иоанна (15 апреля 2018 г.). «Пиролиз пластиковых отходов для производства заменителя тяжелого топлива: Технико-экономическая оценка» (PDF) . Энергия . 149 : 865–874. дои : 10.1016/j.energy.2018.02.094 .
- ^ Ридевальд, Франк; Патель, Юнус; Уилсон, Эдвард; Сантос, Сильвия; Соуза-Галлахер, Мария (февраль 2021 г.). «Экономическая оценка установки пиролиза смешанных пластиковых отходов производительностью 40 000 тонн в год с использованием прямой термической обработки расплавленным металлом: пример завода, расположенного в Бельгии». Управление отходами . 120 : 698–707. дои : 10.1016/j.wasman.2020.10.039 . hdl : 10468/12445 . ПМИД 33191052 . S2CID 226972785 .
- ^ Бенавидес, Пахола Татиана; Вс, Пинпин; Хан, Чону; Данн, Дженнифер Б.; Ван, Майкл (сентябрь 2017 г.). «Анализ жизненного цикла топлива из непереработанного пластика, использованного после использования» . Топливо . 203 : 11–22. дои : 10.1016/j.fuel.2017.04.070 . ОСТИ 1353191 .
- ^ Устойчивые решения. «Оценка жизненного цикла программы Hefty® EnergyBag®» (PDF) . hefty.com . Рейнольдс/Устойчивые решения . Проверено 21 июня 2022 г.
- ^ Брок, Джо; ВОЛКОВИЧИ, ВАЛЕРИЯ; Гедди, Джон. «Миф о вторичной переработке» . Рейтер . Проверено 21 июня 2022 г.
- ^ «Переработка пластика не работает и никогда не будет работать» . Атлантика . 30 мая 2022 г.
- ^ Цой, Г.-Г.; Юнг, С.-Х.; О, С.-Ж.; Ким, Ж.-С. (2014). «Полное использование отходов резины шин путем пиролиза для получения масел и активации CO 2 пиролизного угля». Технология переработки топлива . 123 : 57–64. дои : 10.1016/j.fuproc.2014.02.007 .
- ^ Рингер, М.; Путче, В.; Скахилл, Дж. (2006) Крупномасштабное производство пиролизной нефти: оценка технологии и экономический анализ. Архивировано 30 декабря 2016 г. в Wayback Machine ; НРЕЛ/ТП-510-37779; Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL), Голден, Колорадо.
- ^ Мартинес, Хуан Даниэль; Пюи, Неус; Мурильо, Рамон; Гарсиа, Томас; Наварро, Мария Виктория; Мастрал, Ана Мария (2013). «Пиролиз отработанных шин - обзор, возобновляемые источники энергии и устойчивое развитие». Энергетические обзоры . 23 : 179–213. дои : 10.1016/j.rser.2013.02.038 .
- ^ Мукерджи, К.; Денни, Дж.; Мбонимпа, Э.Г.; Слэгли, Дж.; Бхоумик, Р. (1 марта 2020 г.). «Обзор тенденций использования твердых бытовых отходов в производстве энергии в США» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 119 : 109512. doi : 10.1016/j.rser.2019.109512 . S2CID 209798113 .
- ^ Фернандес-Гонсалес, Х.М.; Гриндли, Алабама; Серрано-Бернардо, Ф.; Родригес-Рохас, Мичиган; Саморано, М. (сентябрь 2017 г.). «Экономический и экологический анализ систем преобразования отходов в энергию для управления твердыми бытовыми отходами в средних и малых муниципалитетах». Управление отходами . 67 : 360–374. дои : 10.1016/j.wasman.2017.05.003 . ПМИД 28501263 .
- ^ Лок, СМ; Ван Доорн, Дж.; Аранда Альманса, Г. (октябрь 2019 г.). «Продвигаемые катализаторы ZSM-5 для производства биоароматики, обзор». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 113 : 109248. doi : 10.1016/j.rser.2019.109248 . S2CID 198328225 .
- ^ Вонг, Си Шинг; Шу, Риянг; Чжан, Цзягуан; Лю, Хайчао; Ян, Нин (2020). «Последующая переработка лигнинового сырья в конечную продукцию» . Обзоры химического общества . 49 (15): 5510–5560. дои : 10.1039/D0CS00134A . ПМИД 32639496 . S2CID 220405457 .
- ^ Каминский, В; Предель, М; Садики, А. (сентябрь 2004 г.). «Переработка сырья полимеров пиролизом в псевдоожиженном слое». Деградация и стабильность полимеров . 85 (3): 1045–1050. doi : 10.1016/j.polymdegradstab.2003.05.002 .
- ^ Кумагай, Сёго; Ёсиока, Тошиаки (1 ноября 2016 г.). «Переработка сырья посредством пиролиза пластиковых отходов» . Журнал Японского института нефти . 59 (6): 243–253. дои : 10.1627/jpi.59.243 .
- ^ Рахими, АлиРеза; Гарсиа, Жаннетт М. (июнь 2017 г.). «Химическая переработка отходов пластмасс для производства новых материалов». Обзоры природы Химия . 1 (6): 0046. doi : 10.1038/s41570-017-0046 .
- ^ Коутс, Джеффри В.; Гетцлер, Ютан ДИЛ (июль 2020 г.). «Химическая переработка в мономер для идеальной экономики замкнутого цикла полимеров». Материалы обзоров природы . 5 (7): 501–516. Бибкод : 2020NatRM...5..501C . дои : 10.1038/s41578-020-0190-4 . S2CID 215760966 .
- ^ «Программа по биомассе, прямое гидротермальное сжижение» . Министерство энергетики США. Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии. 13 октября 2005 г. Архивировано из оригинала 12 марта 2007 г. Проверено 12 января 2008 г.
- ^ Демирба, Айхан (07 октября 2005 г.). «Термохимическое преобразование биомассы в жидкие продукты в водной среде». Источники энергии . 27 (13). Тейлор Фрэнсис: 1235–1243. дои : 10.1080/009083190519357 . S2CID 95519993 .
- ^ Чжан, Юаньхуэй; Джеральд Рисковски; Тед Фанк (1999). «Термохимическая переработка свиного навоза для производства топлива и сокращения отходов» . Университет Иллинойса. Архивировано из оригинала 15 мая 2008 г. Проверено 5 февраля 2008 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Гудриан, Франс; Набер, Яап; ван ден Берг, Эд. «Преобразование остатков биомассы в транспортное топливо с помощью процесса HTU» . Архивировано из оригинала 16 июня 2020 г. Проверено 12 января 2008 г.
- ^ Вэй, Рен; Циммерманн, Вольфганг (ноябрь 2017 г.). «Микробные ферменты для переработки неподатливых пластмасс на основе нефти: как далеко мы продвинулись?» . Микробная биотехнология . 10 (6): 1308–1322. дои : 10.1111/1751-7915.12710 . ПМЦ 5658625 . ПМИД 28371373 .
- ^ Гейер, Б.; Лоренц, Г.; Кандельбауэр, А. (2016). «Переработка поли(этилентерефталата) - обзор химических методов» . Экспресс-полимерные письма . 10 (7): 559–586. doi : 10.3144/expresspolymlett.2016.53 .
- ^ Ру, Цзякан; Хо, Исинь; Ян, Ю (21 апреля 2020 г.). «Микробная деградация и повышение ценности пластиковых отходов» . Границы микробиологии . 11 : 442. дои : 10.3389/fmicb.2020.00442 . ПМК 7186362 . ПМИД 32373075 .
- ^ Виркс, Ник; Прието, М. Ауксилиадора; Помпозиелло, Пабло; Лоренцо, Виктор; О'Коннор, Кевин; Бланк, Ларс М. (ноябрь 2015 г.). «Пластиковые отходы как новый субстрат для промышленной биотехнологии» . Микробная биотехнология . 8 (6): 900–903. дои : 10.1111/1751-7915.12312 . ПМЦ 4621443 . ПМИД 26482561 .