Кіріспе

Термиялық деполимерлеу (ТДП) – полимерді негізінен жылу арқылы мономерге немесе мономерлер қоспасына айналдыру процесі. Ол катализделген немесе катализделмеген болуы мүмкін және химиялық заттар немесе биологиялық әрекеттерді пайдалануға негізделген басқа деполимерлендіру түрлерінен өзгеше. Бұл процесс энтропияның ұлғаюымен байланысты. Көптеген полимерлер үшін термиялық деполимерлеу – хаотикалық процесс, нәтижесінде ұшқыш қосылыстардың қоспасы пайда болады. Материалдар қалдықтарды басқару барысында осылай деполимерлендірілуі мүмкін, ал түзілген ұшқыш компоненттер қалдықтан энергия алу процесінде синтетикалық отын ретінде өртелуі мүмкін. Ал кейбір полимерлер үшін термиялық деполимерлеу – реттелген процесс болып табылады, бір ғана өнім немесе өнімдердің шектеулі диапазонына әкеледі. Бұл түрлендірулер көбінесе құнды болып табылады және кейбір пластиктерді қайта өңдеу технологияларының негізін құрайды.

Ретсіз деполимерлендіру

Көптеген полимерлік материалдар үшін термиялық деполимерлеу ретсіз жүреді, тізбектердің кездейсоқ үзілуі нәтижесінде ұшқыш қосылыстардың қоспасы пайда болады. Бұл пиролизға ұқсас, бірақ температура жоғары болғанда газдану процесі жүзеге асады. Мұндай реакцияларды қалдықтарды басқару кезінде байқауға болады, мұнда түзілген өнімдер қалдықтан энергия алу процесінде синтетикалық отын ретінде жағылады. Бастапқы полимерді жай ғана өртеуге қарағанда, деполимерлеу арқылы жоғары калориялы материал алынады, оны тиімдірек жағып, тіпті сатуға да болады. Өртеу кезінде зиянды диоксиндер мен диоксинге ұқсас қосылыстар да түзілуі мүмкін, сондықтан қауіпсіздікті қамтамасыз ету үшін арнайы реакторлар мен газдарды бақылау жүйелері қажет. Деполимерлеу кезегіне жылу энергиясы қажет болғандықтан, ол энергияны көп қажет етеді, сондықтан тікелей өртеумен салыстырғандағы энергия тиімділігінің арақаты өте тар болуы мүмкін және бұл жайт сынға түседі.

Биомасса

Көптеген ауыл шаруашылығы және мал шаруашылығы қалдықтарын өңдеуге болады, бірақ олар көбінесе тыңайтқыш, мал азығы ретінде және кейде қағаз фабрикалары үшін шикізат ретінде немесе сапасы төмен қазандық отыны ретінде пайдаланылады. Термиялық деполимерлеу оларды экономикалық тұрғыдан құнды материалдарға айналдыра алады. Биомассаны сұйық отынға айналдырудың көптеген технологиялары әзірленген. Жалпы алғанда, биохимиялық заттарда оттегі атомдары бар, олар пиролиз кезінде сақталады, нәтижесінде фенолдар мен фурандарға бай сұйық өнімдер пайда болады. Бұлар тотығудың жартылай түрі деп қарастырылады және төмен сапалы отынға жарамды. Гидротермиялық сұйыту технологиялары биомассаны термиялық өңдеу кезінде құрғатып, энергияға толы өнім ағынын қамтамасыз етеді. Сол сияқты, газдандыру сутегін өндіреді, ол өте қуатты отын болып табылады.

Пластмасса

Пластикалық қалдықтар негізінен тауарлық пластмассадан тұрады және оларды коммуналдық қалдықтардан белсенді түрде сұрыптауға болады. Аралас пластиктерді пиролизден газдар мен хош иісті сұйықтықтарды қоса алғанда, химиялық өнімдердің (шамамен 1 мен 15 көміртек атомы аралығында) кең спектрін алуға болады. Катализаторлар жоғары құнды, жақсы анықталған өнім беруге мүмкіндік береді. Сондай-ақ, гидрокрекингті СЖҚ (сұйық мұнай газы) өнімдерін алу үшін қолдануға болады. ПВХ-тың болуы мәселелі болуы мүмкін, себебі оның термиялық деполимерленуі үлкен мөлшерде HCl шығарады, бұл жабдықты коррозияға ұшыратып, өнімдердің хлорлануына әкелуі мүмкін. Оны шығарып тастау керек немесе хлордан тазарту технологиясын орнату арқылы толықтыру қажет. Полиэтилен мен полипропилен әлемдік пластик өндірісінің жартысына жуығын құрайды және таза көмірсутектер болғандықтан, отынға айналу әлеуеті жоғары. Пластмассадан отынға айналу технологиялары пластикті жинау мен сұрыптау құны және өндірілген отынның салыстырмалы түрде төмен құнына байланысты экономикалық тұрғыдан тиімді болу үшін күресіп келді, бірақ оларды енгізуге қосымша инвестициялар қажет. Дегенмен, бұл әдіс парниктік газдар эмиссиясын азайтуға әкелуі мүмкін, бірақ басқа зерттеулер бұл тұжырымға қарсы тұрады. Мысалы, Renolds компаниясының 2020 жылы жариялаған зерттеуі, олардың Hefty EnergyBag бағдарламасы бойынша парниктік газдардың таза эмиссиясын көрсетті. Зерттеу көрсеткендей, энергияның барлық шығындары ескерілгенде, цемент пешінде өртеу әлдеқайда тиімді болды. Цемент пешіндегі отын 61,1 кг эквивалентін көрсетті, ал баламалы әдіс +905 кг эквивалентін құрады. Қоқыс полигондарын азайту көрсеткіштері бойынша да пеш отыны жақсы нәтижелер берді. Басқа зерттеулер де пластик пиролизінен отын алу бағдарламаларының энергияны көп қажет ететінін растады. Тире қалдықтарын басқару үшін тире пиролизі де қолданылуы мүмкін. Тире каучугінің пиролизінен алынған майдың күкірт құрамы жоғары, бұл оны ластаушы зат ретінде пайдалануға әлеуетті етеді және қолдану алдында гидродесульфуризациядан өтуді қажет етеді. Бұл сала заңнамалық, экономикалық және маркетингтік кедергілерге тап болып отыр. Көбінесе тирелер тире туынды отын ретінде жағылады.

Муниципальді қалдықтар

Коммуналдық қалдықтарды жылумен өңдеу пластик және биомассаны қоса алғанда, өте кең ауқымдағы қосылыстардың деполимеризациялануын қамтиды. Технологияларға қарапайым жағу, сондай-ақ пиролиз, газдандыру және плазмалық газдандыру кіруі мүмкін. Бұл технологиялардың барлығы аралас және ластанған шикізатты қабылдауға қабілетті. Басты артықшылығы – қалдықтардың көлемін қысқарту, әсіресе жаңа полигонға орналастыруға жарамды жерлер жетіспейтін, тығыз қоныстанған аймақтарда. Көптеген елдерде энергияны қайтарумен қатар жағу әдісі ең көп қолданылатыны болып табылады, ал одан да жетілдірілген технологиялар техникалық және экономикалық қиындықтарға байланысты кеңінен таралмайды.

Бұйырылған деполимерлеу

Кейбір материалдар белгілі бір ретпен қыздырылғанда, бір немесе шектеулі түрдегі өнімдерге ыдырайды. Олар таза материалдар болғандықтан, әдетте ретсіз жылулық деполимерлендіруден түзілген қоспалардан құндырақ болады. Пластмасса үшін бұл әдетте бастапқы мономер болып табылады, және ол қайтадан жаңа полимерге өңделгенде, шикізатты қайта өңдеу деп аталады. Бірақ, іс жүзінде деполимерлендіру реакцияларының барлығы толық тиімді болмайды, және кейде бәсекелес пиролиз процесі байқалады.

Биомасса

Биохимиялық зауыттар төмен құнды ауыл шаруашылығы және мал шаруашылығы қалдықтарын пайдалы химиялық заттарға түрлендіреді. Гемоцеллюлозаның қышқыл катализделген термиялық өңдеуі арқылы фурфуралдың өнеркәсіптік өндірісі бір ғасырдан бері жүріп келеді. Лигнин BTX және басқа да ароматты қосылыстарды өндіру әлеуеті бойынша маңызды зерттеулердің нысаны болды, алайда мұндай процестер әзірге тұрақты табысқа жетпеген.

Пластмасса

PTFE, Найлон 6, полистирол және PMMA сияқты кейбір полимерлер бастапқы мономерлерін алу үшін деполимерленеді. Оларды қайтадан жаңа пластикке айналдыруға болады, бұл химиялық немесе шикізаттық қайта өңдеу деп аталады. Теориялық тұрғыдан алғанда, бұл шексіз қайта өңдеу мүмкіндігін ұсынады, бірақ ол басқа пластик қайта өңдеу түрлеріне қарағанда қымбатқа түседі және көміртегі іздері жоғары. Дегенмен, практикада ластану салдарынан алынған өнімнің сапасы жаңа полимер өндірісінен төмен болып шығады және энергия шығындары да жоғарырақ.

Қатысушы процестер

Қазіргі кезде көмірді газдандыру сирек қолданылса да, тарихта кең ауқымда жүзеге асырылған. Термиялық деполимерлеу отын өндіру үшін ыстық суды маңызды фаза ретінде пайдаланатын басқа процестерге ұқсас, мысалы, тікелей гидротермиялық сұйыту. Бұл процестер пиролиз сияқты құрғақ материалдарды деполимерлеу үшін пайдаланатын процестерден өзгеше. Биомассаны майға айналдыру үшін термохимиялық конверсия (ТХК) термині де қолданылады, бірақ көбінесе пиролиз арқылы отын өндірісіне қатысты қолданылады. Нидерландыда іске қосылатын демонстрациялық қондырғы күніне 64 тонна биомассаны (құрғақ негізде) майға өңдеуге қабілетті. Термиялық деполимерлеудің ерекшелігі – ол сулы процесспен басталып, одан кейін сусыз крекинг/дистилляция процесімен жалғасады. Эстерлер мен амидтер сияқты ыдырауға жататын топтары жоқ конденсациялық полимерлер гидролиз немесе сольволиз арқылы толық деполимерленуі мүмкін, бұл таза химиялық процесс болуы мүмкін, бірақ ферменттердің әсерінен де жүзеге асырылуы мүмкін. Мұндай технологиялар термиялық деполимерлеуге қарағанда нашар дамыған, бірақ энергия шығындарын төмендету әлеуетіне ие. Бүгінгі күнге дейін полиэтилен терефталат ең көп зерттелген полимер болып табылады. Пластик қалдықтарын микробиологиялық әрекет арқылы басқа да құнды химиялық заттарға (қажетті түрде мономерлер емес) айналдыруға болатыны айтылды, алайда мұндай технология әлі де даму сатысында.