Введение
Термическая деполимеризация (ТДП) – это процесс превращения полимера в мономер или смесь мономеров преимущественно за счет теплового воздействия. Он может быть каталитическим или некаталитическим и отличается от других видов деполимеризации, которые могут использовать химические вещества или биологическое воздействие. Этот процесс сопровождается увеличением энтропии. Для большинства полимеров термическая деполимеризация представляет собой хаотичный процесс, приводящий к образованию смеси летучих соединений. Материалы могут подвергаться деполимеризации таким образом в процессе управления отходами, при этом образующиеся летучие компоненты сжигаются в качестве синтетического топлива в процессе переработки отходов в энергию. Для некоторых других полимеров термическая деполимеризация является упорядоченным процессом, дающим один продукт или ограниченный спектр продуктов. Эти превращения обычно более ценны и лежат в основе некоторых технологий переработки пластмасс.
Расстройство деполимеризации
Для большинства полимерных материалов термическая деполимеризация протекает неупорядоченно, приводя к случайному разрыву цепей и образованию смеси летучих соединений. Результат в значительной степени схож с пиролизом, хотя при более высоких температурах происходит газификация. Эти реакции наблюдаются при переработке отходов, где продукты сжигаются как синтетическое топливо в процессе утилизации отходов с получением энергии. По сравнению с простым сжиганием исходного полимера, деполимеризация дает материал с более высокой теплотворной способностью, который можно сжигать более эффективно и который также можно продавать. Сжигание также может приводить к образованию вредных диоксинов и диоксиноподобных соединений и требует специально разработанных реакторов и систем контроля выбросов для безопасного проведения. Поскольку этап деполимеризации требует нагрева, он энергозатратен, поэтому итоговый баланс энергоэффективности по сравнению с прямым сжиганием может быть незначительным и вызывает критику.
Биомасса
Многие сельскохозяйственные и животноводческие отходы могут быть переработаны, но зачастую они уже используются в качестве удобрений, кормов для животных, а в некоторых случаях – в качестве сырья для бумажных фабрик или низкосортного топлива для котлов. Термическая деполимеризация способна превратить их в более экономически ценные материалы. Разработано множество технологий преобразования биомассы в жидкое топливо. В общем случае, биохимические вещества содержат атомы кислорода, которые сохраняются в процессе пиролиза, образуя жидкие продукты, богатые фенолами и фуранами. Эти вещества можно рассматривать как частично окисленные и, следовательно, представляющие собой топливо низкого качества. Технологии гидротермального сжижения обезвоживают биомассу в ходе термической обработки, получая поток продуктов с более высокой энергетической ценностью. Аналогично, газификация производит водород – высокоэнергетическое топливо.
Пластмассы
Пластиковые отходы состоят в основном из товарных пластмасс и могут активно сортироваться из коммунальных отходов. Пиролиз смешанных пластмасс может давать довольно широкий спектр химических продуктов (от 1 до 15 атомов углерода), включая газы и ароматические жидкости. Катализаторы позволяют получить более четко определенный продукт с более высокой добавленной стоимостью. Аналогично, гидрокрекинг может использоваться для получения продуктов, подобных сжиженному нефтяному газу (LPG). Наличие ПВХ может быть проблематичным, поскольку его термическая деполимеризация выделяет большое количество HCl, который может вызывать коррозию оборудования и нежелательное хлорирование продуктов. Его необходимо либо исключать, либо компенсировать установкой технологий дехлорирования. На полиэтилен и полипропилен приходится чуть менее половины мирового производства пластмасс, и, будучи чистыми углеводородами, они обладают более высоким потенциалом для переработки в топливо. Технологии переработки пластика в топливо исторически испытывали трудности с экономической целесообразностью из-за затрат на сбор и сортировку пластика, а также относительно низкой стоимости получаемого топлива, но требуют дополнительных инвестиций для строительства. Однако этот метод может привести к небольшому чистому сокращению выбросов парниковых газов, хотя другие исследования опровергают это. Например, исследование 2020 года, опубликованное компанией Renolds по их собственной программе Hefty EnergyBag, показало чистые выбросы парниковых газов. Исследование показало, что при учете всех затрат энергии на протяжении всего жизненного цикла, сжигание в цементной печи значительно эффективнее. Использование топлива в цементных печах дало результат в 61,1 кг эквивалента по сравнению с +905 кг эквивалента. Также наблюдалась значительно худшая эффективность с точки зрения сокращения объемов захоронения по сравнению с использованием топлива для печей. Другие исследования подтвердили, что программы пиролиза пластика для производства топлива также более энергоемки. Для переработки отходов шин пиролиз шин также является одним из вариантов. Масло, полученное в результате пиролиза резиновых шин, содержит высокое содержание серы, что делает его потенциально опасным загрязнителем и требует гидродесульфуризации перед использованием. В этой области существуют законодательные, экономические и маркетинговые препятствия. В большинстве случаев шины просто сжигаются в качестве топлива, получаемого из шин.
Муниципальные отходы
Термическая обработка твердых коммунальных отходов может включать деполимеризацию широчайшего спектра соединений, включая пластик и биомассу. К технологиям относятся как простое сжигание, так и пиролиз, газификация и плазменная газификация. Все они способны перерабатывать смешанные и загрязненные отходы. Главное преимущество – значительное уменьшение объема отходов, особенно в густонаселенных районах с недостатком подходящих площадок для новых полигонов. Во многих странах наиболее распространенным методом остается сжигание с возвратом энергии, в то время как внедрение более современных технологий сдерживается техническими и экономическими трудностями.
Заказанная деполимеризация
Некоторые материалы термически разлагаются упорядоченно, образуя один или ограниченное число продуктов. Благодаря своей чистоте они обычно более ценны, чем смеси, образующиеся при неупорядоченной термической деполимеризации. Для пластиков это, как правило, исходный мономер, и когда он возвращается в цикл для производства нового полимера, этот процесс называется рециклингом сырья. На практике не все реакции деполимеризации протекают с полной эффективностью, и часто наблюдается конкурирующий пиролиз.
Биомасса
Биоперерабатывающие заводы преобразуют малоценные сельскохозяйственные и животноводческие отходы в полезные химические вещества. Промышленное производство фурфурола посредством кислотно-каталитической термической обработки гемицеллюлозы осуществляется уже более века. Лигнин является объектом значительных исследований в отношении потенциального получения БТХ и других ароматических соединений, однако эти процессы пока не были коммерциализированы с устойчивым успехом.
Пластмассы
Некоторые полимеры, такие как PTFE, нейлон 6, полистирол и ПММА, подвергаются деполимеризации с образованием исходных мономеров. Эти мономеры могут быть преобразованы обратно в новый пластик, что является процессом, известным как химическая переработка или переработка сырья. Теоретически это обеспечивает неограниченную перерабатываемость, однако этот метод дороже и имеет больший углеродный след, чем другие виды переработки пластика. На практике же, из-за загрязнений, полученный продукт оказывается хуже по качеству и требует больших энергозатрат, чем производство первичного полимера.
Связанные процессы
Хотя в настоящее время это применяется редко, газификация угля исторически осуществлялась в крупных масштабах. Термическая деполимеризация аналогична другим процессам, использующим перегретую воду в качестве основной фазы для производства топлива, таким как прямая гидротермальная конверсия. Они отличаются от процессов, использующих сухие материалы для деполимеризации, например, пиролиз. Термин "термохимическое преобразование" (ТХП) также используется для преобразования биомассы в масла с использованием перегретой воды, хотя чаще он применяется к производству топлива посредством пиролиза. В Нидерландах планируется запуск демонстрационной установки, которая, как утверждается, сможет перерабатывать 64 тонны биомассы (в пересчете на сухое вещество) в сутки в нефть. Термическая деполимеризация отличается тем, что включает в себя гидротермический процесс, за которым следует безводный крекинг/дистилляция. Конденсационные полимеры, не содержащие расщепляемых групп, таких как сложные эфиры и амиды, также могут быть полностью деполимеризованы путем гидролиза или сольволиза; это может быть чисто химический процесс, но также может катализироваться ферментами. Такие технологии менее развиты, чем технологии термической деполимеризации, но обладают потенциалом для снижения энергозатрат. На сегодняшний день наиболее изученным полимером является полиэтилентерефталат. Предполагается, что отходы пластмасс можно превратить в другие ценные химические вещества (не обязательно мономеры) с помощью микробиологического воздействия, однако эта технология все еще находится на ранней стадии развития.