化工材料回收进行时:一些技术正走向大规模工业化应用

化学回收长久以来都被认为是成熟的原料工艺未竟的部分。但与此同时,一些技术正走向大规模工业化应用。本文对不同的工艺和供应商进行了概述。

欧盟(EU)每年产生 3000万吨塑料垃圾,其中约 2900万吨被再次收集。总的来说,收集的消费后塑料有32%被回收,但更多的最终被焚烧或填埋。通过《绿色协议》,欧盟推出了一项雄心勃勃的工业战略——欧盟将在2050年之前实现气候中和,它和其他战略一起为清洁循环经济的建立做好了准备。此外,欧盟市场上的所有包装都将换成可重复使用或可回收产品。到2030年,预计所有包装材料的回收率将达70%。实现这些新目标需要深远的措施和大量的投资。除了传统的机械回收,各种多样的化学回收技术也成为了关注的焦点(图1)。

化工材料回收进行时:一些技术正走向大规模工业化应用-CompositesPlus

图1 塑料垃圾化学回收的不同方法概述:所有方法都有不同的工艺(来源:nova-Institut;图:? Hanser)

收集和回收系统尚不具备成本效益,而且回收物的质量往往不足以大规模替代新塑料,因此现有的机械回收具有明显的局限性。化学回收技术是处理最终用途垃圾的一种替代方法。它们能够处理无法机械回收的废水流(图2),因此能够回收之前被送去能源回收或填埋的塑料垃圾。它适用于混合废水流以及重度污染材料和多层材料等。由于这些技术仍处于早期开发阶段,供应商必须能够证明其潜力。

等待启动信号

许多公司已经开发并小规模部分实施了化学回收技术。政治框架条件的改变以及聚合物和产品大型制造商的自愿承诺正在促进该技术更快的发展。多家公司近期宣布了建设大型工厂的计划,其中一些预计最早可在2021年投入运营。这些项目大部分是合作和合资形式,例如:塑料生产商和垃圾管理公司之间的合作,通过合作预计将带来技术和供应链的协同作用。虽然整个行业都充满巨大的创新动力和投资潜力,但由于法律法规的缺失,仍存在很大的不确定性。欧洲的化学回收行业正在等待明确的政治框架条件作为启动信号。这方面的下一个关键步骤将由政治家们决定,它们将显著增加回收行业的活力。因此,欧洲方面将更加明确地发放不同工艺的回收配额。根据布鲁塞尔目前的信息,他们将在生命周期评估的基础上做出相应的评估。与化石聚合物相比,温室气体减少量必须达到目前尚未明确的最小值。

现有技术

nova-Institute在一份市场报告中对目前正在开发的化学回收工艺及其进展情况进行了调查。它罗列了哪些公司正在研究哪种技术。目前开发的化学回收工艺主要基于三种不同的机制:溶剂溶解、解聚和转化。

01、溶解:热塑性塑料的选择性分离

溶解可以在不改变聚合物分子结构的情况下清除塑料中的污染物。因此,根据基本定义或分类系统判断这是一个化学、物理还是机械回收工艺是有争议的。该方法基于在合适的溶剂中选择性地溶解和分离塑料中的目标聚合物。随后,添加剂和着色物质等非溶解组分被去除,目标聚合物从溶剂中被淀析出来。溶解机制仅适用于热塑性塑料,可用于化石和生物基聚合物(表1)。nova-Institute已确定全球范围内的六家公司(表 2)可提供这种产能高达 8000吨/年的技术,并且预计未来将有更高的产能。例如:PureCycle Technologies 公司计划今年在美国俄亥俄州建立一座产能为48,000吨/年的生产工厂。该技术可用于加工聚丙烯(PP)废料,包括去污和除臭工艺。它们由Procter & Gamble Company公司开发并与 PureCycle合作进一步开发。

表1 现有回收技术及其原料一览:生物基聚合物以粗体表示,生物基插入式聚合物未高亮显示。它们可以按照与化石同类相同的方式进行处理。括号中的聚合物可能会受到某些工艺限制(来源:nova-Institut)

02、解聚:分解和再合成

与溶解相反,解聚需要将聚合物分解成各个结构单元,即:单体、二聚体或低聚体。分解之后,通常还需要将获得的结构单元与其他聚合物组分(如:添加剂、着色物质和其他非目标聚合物)分离,然后才能通过聚合反应合成新的聚合物。一般来说,解聚可通过热能引发,也就是“热解聚”,也可通过热能和化学品(溶剂分解)或酶(酶解)相组合引发。

溶剂分解可用于加工各种化石基和生物基聚合物(表1)。针对这一工艺,nova-Institute已确定全球范围内的14 家公司(表2)可提供这种产能高达10,800吨/年的技术。特别值得注意的是一家名为PUReSmart的欧洲财团,它由多个国际合作伙伴组成,包括Ayming、Covestro、Ecoinnovazione、比利时根特大学、KU Leuven、Recticel、Redwave、西班牙卡斯迪亚拉曼查大学(UCLM)和WeylChem InnoTec。该项目在寻找能够从聚氨酯(PU)产品的线性生命周期过渡到跨越整个PU再加工价值链的循环经济模型的方法。涉及化学溶解技术的部分还有科思创、KU Leuven 和UCLM参与其中。目前,该工艺已实现了聚醚多元醇98%的产率,纯度达97%。

与上述所有其他工艺相比,酶解仍处于早期发展阶段,因此能够提供相应技术的公司数量仍然很少(表2)。从理论上来说,一系列化石基和生物基聚合物都适用于该工艺。但是,对于聚酰胺、聚乙烯和聚苯乙烯等聚合物而言,它们在可行性方面可能会受到某些限制(表1)。法国Carbios公司目前正计划建设一座年产能为50,000-100,000吨的样板工厂。酶解的优点是反应条件(例如:气压、室温)相对温和并具备通过酶和代谢工程进行微调的潜力。

03、转化:塑料、化学品和燃料的原料

塑料垃圾通过热解和气化等热化学工艺进行转化。通过这些方法,聚合物被分解并转化为更简单的分子。所产生的分子在化学形式上不同于解聚产生的聚合物结构单元。得到的物质通常是液体或气体,可用作塑料、化学品和燃料生产的原料,但有可能需要更多的上游加工工序(提炼)。

热解适用于所有化石基和生物基聚合物(表1)。与溶剂型工艺相比,垃圾增加的异质性——包括生物垃圾造成的污染产生的问题较少。novaInstitute已确定全球范围内的44家公司(表2)可提供这种产能高达38,000吨/年的技术。在此过程中获得的裂解油需要更进一步的加工才能用于聚合物的生产。ChemCycling项目进行了尝试,通过该项目,巴斯夫和热解初创公司 Quantafuel 计划用化学回收塑料生产工业品。

与热解相比,气化可以处理范围更广的塑料垃圾,包括严重污染的生物垃圾(表1)。novaInstitute已确定全球范围内的八家公司(表2)可提供这种产能高达100,000吨/年的技术。除了合成气的生产,还有一些技术可将气化与气体发酵工艺结合起来,然后通过合成气合成乙醇或其他化学品。

仅靠机械回收和化学回收都无法建立循环经济。但是,这些方法组合有可能将包括垃圾管理在内的整个塑料行业变为全面循环经济。现有的技术具有处理所有废水流的无限可能。如果不引入更多的回收技术,《欧盟塑料战略》设定的目标就无法实现。因此,一个适应循环经济的现代可持续塑料行业不能缺少化学回收。

免责声明:本文转载自@荣格    ,不代表CompositesPlus的观点和立场。

热门搜索
Top