Микроволновый пиролиз позволяет получать энергию и сырьё из использованной упаковки
Процесс пиролиза с применением нагрева волнами СВЧ, разработанный Enval, позволит собирать упаковку из многослойных материалов для вторичной переработки.
Многослойная упаковка
Многослойная упаковка состоит из нескольких слоев различных материалов (в том числе частого алюминия и пластика), объединенных в один лист, сочетающий лучшие характеристики каждого слоя. Для многих сфер применения такие материалы обеспечивают значительные преимущества по сравнению с традиционными, в том числе меньший размер и вес, улучшенные механические характеристики, дополнительную упругость и улучшенные барьерные свойства.
Многослойная упаковка имеет многочисленные экологические преимущества. Ее облегченный вес улучшает весовое соотношение продукта и упаковки, способствует сокращению транспортных расходов и сокращает количество утилизируемых материалов. Эти пакеты, мешочки и тюбики имеют легкий вес, относительно низкую стоимость и поэтому считаются непригодными для вторичной переработки.
Ввиду роста использования многослойных материалов британская Программа по работе с отходами и ресурсами (Waste and Resource Action Programme — WRAP) недавно заказала компании Oakdene Hollins Research Consulting, специализирующейся на проведении экологических исследований, изучение эффективности использования микроволнового пиролиза для вторичной переработки этих материалов.
Технология
Процесс был разработан британской компанией Enval в Кембридже (создана Отделом химической технологии Кембриджского университета) для вторичной переработки материалов, содержащих слои алюминия.
В целом, пиролиз — это процесс, при котором органический материал, например, бумага или пластик, нагревается в отсутствии кислорода, вызывая разрушение материала посредством сокращения его молекулярной массы. Процесс происходит без окисления и горения. В процессе, разработанном компанией Enval, углерод нагревается волнами СВЧ и используется как источник тепла для пиролиза пластиков, которые сами по себе не очень поддаются микроволновому нагреву.
Для испытаний в качестве сырья использовались тюбики от зубной пасты, пакеты от корма для животных, пакеты для напитков и пакеты для кофе.
Это обеспечивает эффективный теплообмен и вызывает разложение пластиков с образованием пиролизных масел, которые могут быть использованы для получения электроэнергии или в качестве сырья для специальных химикатов. Тонкая алюминиевая фольга остается неповрежденной после этого процесса, и алюминий получается в чистом виде, пригодном для повторного использования.
Потенциальное сырье
Для проведения оценки процесса компания Oakdene Hollins определила формат упаковки и степень ее загрязненности, так как материал для испытаний должен имитировать смешанные отходы использованной упаковки из многослойных материалов. Для этого исследователи наблюдали за сортировкой бытовых отходов. Полученные данные позволили имитировать смесь промышленных и бытовых отходов для проведения испытаний. Сырье измельчалось в стандартном шредере на кусочки размером 30 x 30 мм.
Испытания
Испытания проводились компанией Enval на ее опытном предприятии в Лутоне. Выход алюминия и углеводорода анализировался в Кембриджском университете. Каждое испытание начиналось с разогрева печи, которая содержала углерод для поглощения волн СВЧ, и ее очистки азотом. Печь разогревалась до необходимой температуры, после чего через нее пропускалось небольшое количество очищающего газа (N2).
Многослойное пластиковое сырье непрерывно подавалось в печь из двух бункеров. Каждая проба включала от 87 до 107 кг отходов. В ходе пиролиза пластик разлагался, а алюминий освобождался из многослойной структуры. Конденсированные продукты собирались в специальные бочки, а алюминий — в отдельную емкость для твердых материалов. Отбор проб газа для последующего анализа осуществлялся на выходе из системы конденсирования. После каждого испытания проводился анализ конденсированных и неконденсированных продуктов. Было проведено шесть испытаний.
Согласно отчету, испытания показали, что микроволновый пиролиз можно использовать для переработки упаковки из многослойных материалов. Средняя масса алюминия, полученного в ходе данного процесса, составила около 9,3% от общей массы сырья. Из общей массы сырья можно получить 18% конденсируемых продуктов (пиролизных масел) и 48% неконденсируемых горючих газов.
Экономика
В последние годы использование упаковки из многослойных материалов значительно стало достаточно распространенным явлением. По оценкам исследователей, ежегодно в Великобритании потребляется более 139 тыс. т подобной упаковки, содержащей в среднем от общей массы 9,7% алюминия. Темпы прироста рынка составляют приблизительно 10% в год. Разрабатывая экономическую модель, исследователи контактировали с организациями, занимающимися сбором мусора, и установили, что возможно получить доступ к одной третьей всей упаковки из многослойных материалов, утилизируемой домашними хозяйствами в смешанном сборе бытовых отходов.
В результате химического анализа исследователи определили теплотворную способность углеводородных продуктов (как конденсируемых, так и не конденсируемых). Средняя теплотворная способность обеих фракций составила 38,9 МДж/кг. Используя цену сырой нефти 80 долларов США за баррель, исследователи определили «стоимость энергии» в 1,28 центов/МДж. Эта цифра в сочетании с теплотворной способностью полученных продуктов дает цену 496 долларов США за одну тонну углеводородов.
Однако на практике данные показатели не могут быть осуществлены, потому что 70% углеводородов находятся в газообразной форме. В финансовом анализе средняя стоимость углеводородов, полученных в процессе пиролиза, принята за 50% от оцененной стоимости — 248 долларов США за тонну. На практике данное топливо лучше всего использовать для получения энергии нагрева или электроэнергии на предприятиях, занимающихся вторичной переработкой. Тем самым будет замещаться импортное горючее, стоимость которого составляет приблизительно 2,88 цента/МДж, при этом предполагаемая стоимость газов составит около 1120 долларов США за тонну. Кроме того, после контактов с представителями компании Alupro исследователи пришли к заключению о том, что стоимость алюминия, полученного в процессе пиролиза, составит порядка 1280 долларов США за тонну.
Используя данные оценки и принимая во внимание целый ряд других факторов, таких как производственные затраты, лицензионные выплаты, транспортные расходы и экономию на налоге на загрязнение земли, исследователи определили, что коммерческая промышленная переработка 2000 тонн в год сможет окупиться в течение примерно четырех лет.
Благодаря бесспорным техническим, финансовым и экологическим преимуществам использование многослойных пленок в упаковке продолжает увеличиваться. Поскольку многие страны в мире стремятся не только сократить количество отходов на свалках, но и переработать как можно больше отходов, увеличивая степень их переработки, возможность получать сырье и энергию из этого растущего потока мусора обладает огромным потенциалом.
Если, как утверждается в отчете, процесс пиролиза, разработанный компанией Enval, приносит финансовые и экологические выгоды, значит, пришло время технологии пиролиза с нагревом волнами СВЧ. Впрочем, как отмечает Клэр Шрусбери (Claire Shrewsbury), директор программы упаковки в организации WRAP, следующей сложной задачей станет определение эффективного способа сбора этих многослойных материалов в общем потоке твердых бытовых отходов.