Výroba nafty a paliv z plastového odpadu: Inovativní řešení pro udržitelnou budoucnost

Plastový odpad představuje velký problém, který se v poslední době medializuje zejména v souvislosti se znečištěním oceánů. Jiným problémem jsou ale i snižující se zásoby ropy, které sice neubývají tak rychle, jak mnozí už desítky let předpokládají, ale jejich úbytek je skutečností, které bude třeba v budoucnu čelit. Vědci se proto rozhodli rozlousknout oba dva problémy jedním společným řešením: najít způsob, jak z plastů vytvořit produkty, které by se mohly dát použít jako palivo.

Co je plast a jak se vyrábí?

Plast je syntetický nebo polosyntetický materiál vyrobený primárně z polymerů, dlouhých řetězců opakujících se molekulárních jednotek zvaných monomery. To, co způsobuje, že plast je jedinečným, je jeho schopnost roztavit, formovat a ztuhnout do téměř jakéhokoli tvaru. Tato vlastnost, nazývaná plasticita, je to, co dává plastu jeho jméno.

Plast je primárně vyroben ze tří hlavních typů surovin: ropa, zemní plyn a celulóza. Tyto zdroje poskytují molekulární stavební bloky, známé jako monomery, které jsou polymerovány do různých plastů používaných napříč průmyslovými odvětvími.

• Ropa je nejběžnějším zdrojem plastu. Prostřednictvím rafinace a frakční destilace produkuje ropa naftu, která se poté praskne do monomerů, jako je ethylen a propylen. Plasty na bázi ropy jsou všestranné a levné, široce používané v balení, automobilových dílech a spotřebním zboží.
• Zemní plyn, zejména etan a propan, se používá k výrobě monomerů, jako je ethylen a propylen pomocí praskání páry.
• Celulóza je obnovitelná, rostlinná surovina. Moderní plasty na bázi celulózy se používají v balení, filmech a jednotkách.

Výroba syntetického plastu z ropy zahrnuje řadu chemických a mechanických kroků. Produkce syntetického plastu začíná extrakcí ropy, fosilním palivem, které se nachází hluboko pod zemí nebo pod dnem oceánu. Jakmile je dosaženo, silná čerpadla přinášejí olej na povrch. Extrahovaná ropa je poté dočasně skladována a transportována do nedalekých rafinérií. V rafinérii podléhá surový olej frakční destilaci, což je proces, který odděluje jeho komplexní směs uhlovodíků na základě jejich varu. Surový olej se nejprve zahřívá v peci na teploty kolem 350-400 stupňů, což z něj mění páru. Tato pára je přiváděna do vysoké destilační věže, která má teplotní gradient (teplejší dole, chladič nahoře).

Po praskání páry musí být výsledná uhlovodíková směs pečlivě oddělena a čištěna. To se provádí prostřednictvím řady rafinérských kroků, z nichž každý se zaměřuje na konkrétní monomer založený na molekulové hmotnosti a bodu varu. Výstupem tohoto kroku jsou monomery s vysokou čistotou, jako je ethylen a propylen, které jsou uloženy a připraveny jako surovina pro polymeraci.

Čtěte také: Proč jsou dřevěné hračky stále oblíbené?

Proces polymerace a typy plastů

V kroku polymerace jsou purifikované monomery chemicky vázány do dlouhých molekulárních řetězců nazývaných polymery. Polymerace je chemická reakce, kde jsou malé molekuly (monomery) spojeny do dlouhých molekulárních řetězců zvaných polymery. Tento krok transformuje jednoduché uhlovodíky na všestranné materiály s odlišnými mechanickými, chemickými a tepelnými vlastnostmi.

• Polymerace adice (také nazývaná polymerace řetězového růstu) zahrnuje propojení identických nenasycených monomerů, obvykle obsahujících dvojité vazby, bez ztráty jakýchkoli malých molekul. Klíčovou charakteristikou této metody je to, že se vytvářejí žádné vedlejší produkty; celý monomer se stává součástí polymerního řetězce. Příkladem je polyethylen (PE), který se nachází v plastových sáčcích, smršťovacích obalech, stisknutí lahví a potrubí, polypropylen (PP) a PVC.
• Kondenzační polymerace (nebo polymerace s krokem růstu) zahrnuje reakci mezi dvěma různými monomery, obvykle s funkčními skupinami jako -OH (hydroxyl), -COOH (kyselina karboxylová) nebo -NH₂ (amin). Příkladem je PET (polyethylentereftalát), který je silný, lehký a průhledný, široce používaný v nápojových lahvích, nádobách na potraviny a textilních vláknech. Dále pak nylon a polykarbonát.

Jakmile jsou vytvořeny základní polymery, výrobci se mísí v aditivech pro zvýšení vlastností, jako je síla, barva, flexibilita nebo odpor UV. Po polymeraci je plast ochlazen, ztuhnut a nasekán na jednotné pelety nebo granule pro snadný přenos a manipulaci.

Plasty dělíme na:

• Termoplasty: Tyto plasty mohou být roztaveny, přetvořeny a opakovaně chlazeny, aniž by změnily jejich chemickou strukturu.
• Termosety: Na rozdíl od termoplastů se termosety trvale ztvrdlé po formování. Po nastavení je nelze roztavit nebo přetvořit. Příkladem jsou Fenolické pryskyřice.

Aplikace LDPE Mw 4000 Mn 1700 se technicky již nejedná o klasický konstrukční plast, ale o polyethylenový vosk (PE vosk). Běžné LDPE pro fólie má Mw v řádech statisíců.

Přeměna plastového odpadu na palivo: Pyrolýza a moderní metody

Pyrolýza plastu na naftu je chemický recyklační proces. Přeměňuje plastový odpad na použitelné palivo podobné naftě prostřednictvím tepelného rozkladu za bezkyslíkových podmínek.

Čtěte také: Návod na výrobu dřevěné kozy pro řezání palivového dřeva

Předúprava plastového odpadu

Předúprava je klíčová pro odstranění kontaminantů a neplastických materiálů, zejména polyvinylchloridu (PVC) a polyethylentereftalátu (PET). Ne všechny plasty lze přeměnit na vysoce kvalitní topný olej.

• Třídění: Toto je zásadní krok.
• Skartování: Rozdělení velkých plastových kusů na menší kousky.
• Mytí: Odstraňuje nečistoty, jako je písek, olej a štítky, z plastového povrchu.

PVC (polyvinylchlorid) uvolňuje kyselinu chlorovodíkovou (HCl), která je vysoce korozivní a toxická. PVC také kontaminuje olej chlorem, čímž se palivo bez rozsáhlého a nákladného čištění stane nepoužitelným.

Proces pyrolýzy

Předupravený plast se přivádí do vysokoteplotního zařízení na pyrolýzu plastů přes uzavřený systém podávání (šnekový podavač). V nepřítomnosti kyslíku dochází k náhodnému štěpení molekulárních řetězců plastu (pyrolýze). Polymery s dlouhým řetězcem se rozkládají na menší molekuly a přecházejí z pevného do plynného stavu. Výsledná vysokoteplotní směs ropy a plynu vstupuje z reaktoru do kondenzačního systému (obvykle vícestupňového kondenzátoru). Kondenzovatelné plyny jsou chlazeny chladivem (obvykle vodou) a kondenzovány na kapalnou ropu. Ropa získaná kondenzací je tmavě hnědá směs s ostrým zápachem. Její složení je složité a stabilita nízká, takže je nevhodná pro přímé použití jako motorová nafta. Vyžaduje další zpracování.

Doporučené složení pyrolýzního oleje pro výrobu paliv

Pyrolýzní olej je komplexní směs obsahující řadu složek, od benzínu přes naftu až po těžký olej. Nejprve se pyrolýzní olej rozdělí na lehké frakce (jako je benzín), střední frakce (nafta) a těžké frakce (těžký olej) pomocí destilační zařízení, na základě rozdílů v bodech varu těchto frakcí.

Frakce motorové nafty získaná po počáteční separaci stále obsahuje nečistoty, jako jsou heteroatomové sloučeniny, jako je síra, dusík a kyslík, a také neúplně krakované velké uhlovodíky. Kyselé promývání, obvykle za použití zředěných roztoků kyseliny sírové nebo kyseliny fosforečné, odstraňuje z motorové nafty zásadité sloučeniny dusíku a některé sulfidy. Alkalické promývání za použití roztoku hydroxidu sodného neutralizuje kyselé nečistoty. Tyto plyny se obvykle regenerují a slouží jako palivo pro ohřev pyrolýzního reaktoru. Pevný zbytek po reakci je primárně saze spolu s některými anorganickými nečistotami.

Čtěte také: Krok za krokem: Dřevěné srdce

Superkritická voda pro polypropylen

Vědci z Purdue Univerzity našli způsob, jak z plastů vytvořit produkty, které by se mohly dát použít jako palivo, konkrétně jde o zpracování polypropylenu, který tvoří téměř čtvrtinu všeho plastového odpadu na Zemi (konkrétně 23 %). Aby bylo možné polypropylen přetvořit na kapalinu, která by se dala použít jako základ umělého paliva, je nutno použít tzv. superkritickou vodu (teplota přes 374°C a tlak nad 22,1 MPa). V tomto případě ji vědci zahřívají na teplotu 380 až 500 °C při extrémně vysokém tlaku více než 2300krát větším, než je ten atmosférický (23 MPa). V takovém případě dostává voda velmi překvapivé vlastnosti podobné jejímu kapalnému i plynnému stavu. Když je do ní vložen polypropylenový plast, během několika hodin se změní na ony kapalné produkty pro výrobu paliv a další výstupní produkty (až 6 hodin). Podle vědců by takto mělo být možné konvertovat zhruba 91 % propylenu na palivo. Výsledkem reakce jsou především různé olefiny, parafíny, cyklické a aromatické uhlovodíky.

Depolymerizace pomocí Lewisových kyselin a iontových kapalin

Depolymerizace LDPE pomocí Lewisových kyselin (nejčastěji bezvodého chloridu hlinitého) je proces, který umožňuje rozklad plastu na kapalné uhlovodíky při překvapivě nízkých teplotách (často již pod 100 °C), což je mnohem méně než u běžné termické pyrolýzy.

Iontové kapaliny (IL) v procesu depolymerace plastů fungují jako fascinující „tekutý reaktor“. Nejčastěji se používají tzv. chlorohlinitanové iontové kapaliny, které vznikají smícháním AlCl₃ s organickou solí. Tyto kapaliny nabízí několik výhod:

• Míšení s plastem: I když IL polymer úplně nerozpustí, vytvoří s ním stabilní emulzi. Vzniklé uhlovodíky (benzín) nejsou v iontové kapalině rozpustné, což usnadňuje separaci produktů.
• Stabilizace karbokationtů: Iontové prostředí velmi efektivně stabilizuje vzniklé karbokationty na řetězci plastu.
• Kontrola délky řetězce: Díky specifickému elektrostatickému prostředí kapaliny lze „naprogramovat“, kdy má produkt z kapaliny „vyskočit“. Jakmile se řetězec zkrátí na určitou mez, například na benzin, opustí iontovou kapalinu.
• Katalyzátor: V iontové kapalině je katalyzátor součástí struktury kapaliny, což umožňuje kontinuální provoz.

Nejčastěji se pro tyto účely používají soli na bázi imidazolia nebo pyridinia, například [BMIM]Cl (1-butyl-3-methylimidazolium chlorid) pro laboratorní výzkum a [BPC] (1-butylpyridinium chlorid) pro průmyslové aplikace.

Jedním z hlavních problémů je, že nečistoty z plastů (barviva, plniva, zbytky jídla nebo aditiva) představují pro iontovou kapalinu velký problém, protože ji postupně „otravují“ a spotřebovávají. Řešením je extrakce rozpouštědlem: Organické nečistoty, které by se v kapalině mohly hromadit (tzv. „konjunktní polymery“ neboli těžké oleje), se z IL kontinuálně vymývají pomocí nepolárního rozpouštědla.

Výhody Lewisových kyselin

• Nízká teplota: Zatímco běžný plast se "taví" a použitelně rychle rozkládá nad 400 °C, systémy s Lewisovými kyselinami pracují již pod 100 °C.
• Selektivita: Na rozdíl od náhodného tepelného štěpení poskytuje tato metoda vysoký výtěžek vysoce větvených alkanů (isoalkanů), které mají vynikající palivové vlastnosti.
• Termodynamická kompenzace: Energie potřebná k rozbití vazeb polymeru je částečně hrazena energií uvolněnou při následných alkylačních reakcích produktů.

Tento proces se zkoumá jako efektivní metoda chemické recyklace (upcyclingu).

Praktické aplikace a výzvy

V Oak Ridge National Laboratory vyvinuli metodu, která převádí běžně vyhazovaný uhlovodíkový polymer (polyethylen) na paliva podobná benzínu a naftě. Používají chlorid hlinitý obsahující tavené soli, které slouží jako rozpouštědlo i katalyzátor. Tento proces nevyžaduje katalyzátory z drahých kovů, organická rozpouštědla ani externí vodík, a probíhá při teplotách pod 200 °C, což je srovnatelné s běžnou kuchyňskou troubou.

Česká firma Plastoil Europe vyvinula přístroj Optimus, který dokáže zpracovat denně tunu nadrceného plastového odpadu (kromě PVC a PET) a vyrobit až tisíc litrů oleje. V Amsterdamu se staví nová továrna Bin2Barrel, která má zpracovat 35 000 tun plastového odpadu ročně a vyrobit 30 milionů litrů paliva pro dieselové nákladní lodě. Tato technologie slibuje roční snížení emisí CO2 o 57 000 tun a o 80 % méně CO2 při výrobě dieselu oproti tradiční naftě.

Hongkongská firma Echotech přišla s prototypem stroje, který z umělohmotného odpadu umí vyrobit naftu. Zpracovaný plast se vrátí do téměř původní podoby, paliva podobného dieselu, ale obsahujícího také benzin a vosk. Firma by si mohla dovolit prodávat palivo za 60 procent ceny dieselu a stále na tom vydělat.

Problémy a budoucí výhled

Přes veškeré pokroky existují stále překážky pro masové rozšíření těchto technologií:

• Znečištění plastového odpadu: Voda v plastu reaguje s AlCl₃ okamžitě a explozivně za vzniku HCl + Al₂O₃, což ničí katalyzátor a způsobuje korozi. Aditiva v plastech (stabilizátory, plniva) se na Lewisovy kyseliny nevratně vážou a vyřazují je z provozu.
• Obtížná separace: Je velmi těžké dokonale oddělit těkavý chlorid hlinitý od výsledného kapalného benzínu.
• Vysoké náklady: Práce se systémy na bázi AlCl₃ vyžaduje speciální a velmi drahé materiály (hastelloy, monel, sklem vyložené reaktory).
• Viskozita taveniny: Plast se musí nejdříve roztavit, aby se s katalyzátorem promísil. Tavenina LDPE je extrémně viskózní.
• Ekonomická konkurenceschopnost: Dokud je výroba benzínu z ropy levná, investice do složitých chemických reaktorů na recyklaci plastů se nemusí vyplatit.

Přestože se výzkum neustále posouvá vpřed, je důležité si uvědomit, že ne všechny metody jsou stoprocentně ekologické. Spalování polyethylenového odpadu ve spalovnách může být v některých případech ekologičtější, zejména pro menší množství, kvůli nákladům na převážení a separaci. Pro moderní dieselové nebo benzinové motory je často nutná další úprava paliv vyrobených z plastů.

Výzkum se nyní zaměřuje na iontové kapaliny (tekuté soli), které dokáží efektivně depolymerizovat plasty a zároveň usnadňují separaci produktů a recyklaci katalyzátoru. Molten salt chemistry představuje slibnou cestu k přeměně polymerního odpadu na paliva a chemikálie s vysokou přidanou hodnotou.

tags: #vyroba #nafty #z #pvc #informace

Oblíbené příspěvky:

• Výběr ideálního podkladu pro vaši podlahu
• Dveře Sapeli na bazaru
• Nabídka a bazar cihlových pecí na pizzu
• Rozměry a specifikace překližky Agados
• Truhlářské potřeby online