پیرولیز زباله های پلاستیکی برای تولید سوخت گازوئیل

تجزیه در اثر حرارت کاتالیزوری زباله های پلاستیکی برای تولید سوخت مایع برای موتورها:

به عنوان یک قاعده کلی، هرچه دمای پیرولیز بیشتر باشد، بازده محصولات گازی غیر قابل تراکم بیشتر و سوخت‌های مایع مانند دیزل کمتر است. محدوده دمایی بهینه برای تولید محصولات دیزلی از ضایعات پلاستیکی 390-425 درجه سانتیگراد است.

خلاصه
تجزیه در اثر حرارت کاتالیزوری پلاستیک های ضایعاتی با استفاده از خاک رس بنتونیتی پلت شده بدون چسب کم هزینه برای تولید روغن های پیرولیز به عنوان جایگزینی برای سوخت های مایع تجاری مانند گازوئیل گرفته است. و پلی اتیلن با چگالی بالا، در مقیاس  (1 کیلوگرم در هر دسته) برای تولید محصولات سوخت مفید به دست آمد. نکته مهم، افزودن گلوله‌های رسی بنتونیتی بدون بایندر با موفقیت سوخت‌های مبتنی بر مایع با افزایش ارزش حرارتی و ویسکوزیته پایین‌تر برای تمام زباله‌های پلاستیکی به دست آمد. این مطالعه پیرولیز در مقیاس بزرگتر نشان داد که استفاده از یک کاتالیزور به شکل پودر می تواند منجر به افت فشار قابل توجهی در ستون کاتالیزور شود و در نتیجه روند را کاهش دهد (بیش از 1 ساعت). نکته مهم این است که استفاده از گلوله های کاتالیست افت فشار را از بین می برد و زمان پردازش پیرولیز را به تنها 10 دقیقه برای 1 کیلوگرم زباله پلاستیکی کاهش می دهد. ترکیب روغن پیرولیز از پلی استایرن از 95٪ هیدروکربن های معطر تشکیل شده است، در حالی که در مقابل، آنهایی که از پلی پروپیلن، پلی اتیلن با چگالی کم و پلی اتیلن با چگالی بالا هستند، توسط هیدروکربن های آلیفاتیک تحت سلطه بودند، همانطور که توسط GC-MS تأیید شد. تجزیه و تحلیل FTIR نشان داد که پلی اتیلن با چگالی کم و روغن های پلی اتیلن چگالی بالا دارای گروه های عملکردی هستند که با دیزل تجاری سازگار هستند (تطابق 96٪). در مقابل، روغن‌های پیرولیز از پلی استایرن خواص شیمیایی و فیزیکی مشابه گازئیل نشان دادند. در هر دو مورد، هنگام استفاده از گلوله‌های رسی بنتونیت به عنوان کاتالیزور در فرآیند پیرولیز، تشکیل موم مشاهده نشد، که به اسیدیته بالا نسبت داده شد. کاتالیزور بنتونیت (SiO2 کم [فضای نازک (1/6-em)]: [فضای نازک (1/6-em)] نسبت Al2O3)، بنابراین در مقایسه با کاتالیزورهای ناهمگن کمتر اسیدی گزارش شده در موم های ترک فعال تر می شود. روغن پیرولیز حاصل از عملیات کاتالیزوری پلی استایرن در مقایسه با روغن های کاتالیز نشده و سوخت تجاری در موتورهای بنزینی منجر به قدرت موتور بیشتر، دمای موتور قابل مقایسه، و انتشار کمتر مونوکسید کربن (CO) و دی اکسید کربن (CO2) می شود. روغن‌های پیرولیز از تمام پلیمرهای دیگر عملکرد مشابهی را با دیزل در آزمایش‌های قدرت موتور نشان دادند. استفاده از خاک رس بنتونیتی ارزان و به طور گسترده ای در دسترس در تجزیه در اثر حرارت می تواند به طور قابل توجهی به تغییر کاربری زباله های پلاستیکی کمک کند.

معرفی
مصرف پلاستیک در سراسر جهان رو به افزایش است و بنابراین زباله های پلاستیکی در حال حاضر یکی از اجزای اصلی زباله های جامد شهری هستند. چالش مقابله با زباله های پلاستیکی با تعدادی از روش های مختلف بسته به مقررات محلی و آنچه از نظر اجتماعی قابل قبول است مدیریت شده است، از جمله بازیافت، استفاده مجدد، دفع در محل دفن زباله و تبدیل به انرژی توسط تجزیه در اثر حرارت پیرولیز مدیریت پایدار زباله های پلاستیکی است. همراه با تولید نفت مایع به عنوان منبع انرژی و زغال سنگ جامد و گازها به عنوان محصولات با ارزش افزوده این فرآیند شامل تخریب حرارتی مولکول‌های پیچیده یا هیدروکربن‌های زنجیره بزرگ به مولکول‌های کوچکتر یا هیدروکربن‌های زنجیره کوتاه‌تر است. کاتالیزورها به طور گسترده در فرآیند پیرولیز برای بهینه سازی توزیع محصول و افزایش گزینش پذیری محصول استفاده می شوند. کاتالیزورها همچنین در ارتقاء محصولات پیرولیز برای بهبود توزیع هیدروکربن و ایجاد خواص مشابه با سوخت‌های معمولی مانند گازوئیل و بنزین استفاده شده‌اند.
در طول دو دهه گذشته، تعداد زیادی از نتایج در مورد فرآیند پیرولیز کاتالیزوری برای پلاستیک گزارش شده است. زئولیت -Al2O3،4 ZSM-5، کائولن 6-8، گل قرمز 9،10، 8،11 CuCO3،12 و FCC، 13،14 استفاده شده است. مطالعه حاضر تلاش می کند تا از خاک رس بنتونیت به عنوان یک ماده ارزان قیمت و به طور گسترده به عنوان یک کاتالیزور در پیرولیز پلاستیک زباله استفاده کند. بنتونیت در تعداد محدودی از مطالعات برای تجزیه در اثر حرارت پلاستیک از جمله تجزیه در حرارت HDPE، 15 PP، 16 LLDPE16 و ضایعات پلاستیکی مخلوط استفاده شده است. پلاستیک ها. [16،18،19 ]معمولاً چنین کاتالیست هایی به شکل پودر استفاده می شوند که منجر به افت فشار در ستون کاتالیزور و مشکلات بیشتر در فرآیند می شود.

اکثریت قریب به اتفاق این مطالعات فقط پلاستیک های پیرولیز را در مقیاس آزمایشگاهی (200-5 گرم) بررسی کرده اند. به عنوان مثال،  اثر انواع زباله های پلاستیکی، PS، PE، PP و PET را با استفاده از 1 کیلوگرم نمونه در راکتور پیرولیز بررسی کنید. تجزیه حرارتی و کاتالیزوری ضایعات پلاستیکی 1 کیلوگرمی PS را با استفاده از یک راکتور پیرولیز در مقیاس آزمایشی کوچک مطالعه کرد. چنین مطالعاتی برای درک تعیین اینکه چه پارامترهایی برای افزایش مقیاس مهم هستند، کلیدی هستند.

در اینجا، این کار با هدف بررسی پیرولیز حرارتی و کاتالیزوری ضایعات پلاستیکی، PS، PP، LDPE و HDPE در راکتور در مقیاس (حداکثر ظرفیت 5 کیلوگرم) با استفاده از کاتالیست‌های بنتونیت و مقایسه خواص روغن‌های حاصل با سوخت‌های تجاری، گازوئیل و گازوئیل انجام شده است.  این مطالعه فعلی از یک راکتور در مقیاس  (1 کیلوگرم در هر دسته) استفاده می‌کند و مهمتر از همه، اطلاعات جمع‌آوری‌شده قابل انتقال به یک وضعیت مقیاس واقعی تولید است و می‌تواند برای افزایش مقیاس بیشتر استفاده شود. نکته مهم، این مطالعه کنونی نشان می‌دهد که استفاده از گلوله‌های کاتالیست فشرده بدون چسب در مقیاس می‌تواند افت فشار را که معمولاً در ستون‌های کاتالیست رخ می‌دهد، حذف کند. از گاز پروپان مایع (LPG) استفاده می شود که به جای برق، سوختی برای گرمایش سیستم دارد و در نتیجه قیمت تمام شده محصولات را کاهش می دهد. روغن های دریافتی نیز با موتورهای واقعی، پمپ دیزل و براش برش بنزین که از پرکاربردترین موتورها در زندگی روزمره هستند، آزمایش شدند. معمولاً مطالعات قبلی در مورد تجزیه در اثر حرارت پلاستیک ها بر خصوصیات محصولات آنها متمرکز شده است. جامد، مایع و گاز، اما نمونه های ادبی کمی محصول مایع حاصل را با موتورهای واقعی آزمایش کرده اند. 

جزئیات تجربی
ضایعات پلاستیکی مورد استفاده در این مطالعه شامل مواد غذایی و نوشیدنی، آب آشامیدنی، صابون مایع و مواد بسته بندی شامپو بود. این زباله های شهری از سازمان حفاظت از محیط زیست در Khon Kaen، تایلند جمع آوری شد. پلاستیک های زائد بر اساس پلیمر (PS، PP، LDPE و HDPE) جدا شده، با آب شیر شسته شده، در آفتاب خشک شده و به قطعات 1 سانتی متر مربع بریده شدند.
تجزیه و تحلیل حرارتی نمونه های زباله پلاستیکی با شیمادزو TGA-50 انجام شد.  آزمایش‌های تجزیه حرارتی از دمای اتاق تا 700 درجه سانتی‌گراد با نرخ گرمایش 10 درجه سانتی‌گراد در دقیقه انجام شد. سیستم به طور مداوم با 10 میلی لیتر در دقیقه N2 پاکسازی می شد تا از شرایط پیرولیز در داخل کوره TGA اطمینان حاصل شود. برای هر آزمایش، داده های کاهش وزن (درصد) و دما (درجه سانتی گراد) ثبت شد.

نمونه خاک رس با استفاده از ایزوترم های جذب-واجذبی N2 در 77 K در تجهیزات ASAP 2020 Micromeritics مشخص شد. قبل از اندازه گیری جذب، نمونه ابتدا در دمای 110 درجه سانتیگراد تحت خلاء تا فشار کمتر از 50 میلی متر جیوه برای حذف رطوبت، گاز زدایی شد. برای اندازه گیری سطح از روش Brunauer-Emmet-Teller (BET) استفاده شد. حجم کل منافذ از حجم جذب شده نیتروژن در P/P0 در حدود 0.99 ارزیابی شد. حجم ریز منافذ با روش دوبینین-رادوشکویچ (DR) محاسبه شد. میانگین اندازه منافذ با استفاده از روش Barrett-Joyner-Halenda (BJH) استنباط شد. سپس خاک رس پودر شده توسط پرس هیدرولیک در فشار 50 بار فشرده شد تا گلوله های کاتالیزوری به قطر 1 سانتی متر و طول 1.5 سانتی متر تولید شود.

یک راکتور ناپیوسته فولاد ضد زنگ با بستر ثابت در مقیاس (قطر 35 سانتی متر، طول 60 سانتی متر، حداکثر ظرفیت 5 کیلوگرم) برای تولید روغن از زباله های بسته بندی پلاستیکی استفاده شد (شکل 1). برای هر واکنش پیرولیز، 1 کیلوگرم زباله پلاستیکی در راکتور بارگذاری شد. راکتور از خارج توسط گاز پروپان مایع تا دمای عملیاتی مورد نیاز با نرخ گرمایش 10، 15، 20 و 25 درجه سانتیگراد در دقیقه گرم شد. واکنش در دمای 500 درجه سانتیگراد به مدت 10 دقیقه تحت جریان گاز پاکسازی نیتروژن انجام شد. گاز پیرولیز از ستون کاتالیزور با نسبت 0.05، 0.1، 0.15 و 0.2 وزن کاتالیزور به پلاستیک عبور داده شد. ستون کاتالیزور از شیشه (قطر 5 سانتی متر، طول 100) ساخته شده و با کاتالیزور به صورت گلوله بارگیری می شود. گلوله ها از فشرده سازی پودر کاتالیزور با پرس هیدرولیک در فشار 50 بار تشکیل می شوند که قطر گلوله حاصل 1 سانتی متر و طول 1.5 سانتی متر است. در تشکیل گلوله ها از چسب استفاده نشده است. شکل S1 در ESI خاک رس بنتونیت، دستگاه پرس هیدرولیک، بلوک پالت سازی و کاتالیزور را به شکل گلوله نشان می دهد. محصولات گازی حاصل از طریق کندانسور آب خنک جمع آوری شد. بازده روغن بر اساس جرم اولیه ضایعات پلاستیکی تعیین شد. یک آزمایش کنترل بدون کاتالیزور نیز برای مقایسه انجام شد. توجه به این نکته حائز اهمیت است که کاتالیزور را نمی توان به صورت پودر در هنگام کار در مقیاس نیمکت به دلیل ایجاد افت فشار قابل توجه در ستون کاتالیزور استفاده کرد. از این رو، نمونه‌های ادبیات معمولی که از کاتالیزورها به شکل پودر استفاده می‌کنند، نیازمند زمان‌های پردازش طولانی (بیش از 1 ساعت) برای عبور گاز محصول از ستون کاتالیزور و وارد کندانسور برای تشکیل محصول مایع هستند. با استفاده از کاتالیزور در قالب گلوله، زمان فرآیند برای تجزیه در اثر حرارت 1 کیلوگرم زباله پلاستیکی تنها به 10 دقیقه کاهش یافته است.

شکل 1 نمودار شماتیک واحد پیرولیز مقیاس رویی:

خواص سوخت روغن‌های پیرولیز حاصل با روش‌های استاندارد، از جمله ارزش حرارتی با کالری‌سنج بمب، چگالی با ASTM D1298، ویسکوزیته سینماتیکی در دمای 40 درجه سانتی‌گراد توسط ASTM D93، نقطه اشتعال توسط ASTM D93 و نقطه ریزش با ASTM D79 مورد آزمایش قرار گرفت. گروه‌های عاملی نفت با طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (Bruker, Tensor 27) مشخص شدند و کسر مایع توسط طیف‌سنجی جرمی کروماتوگرافی گازی (PerkinElmer، TurboMatrix HS) آنالیز شد. طیف FTIR روغن های حاصل با استفاده از نرم افزار Bruker با سوخت های تجاری مشابه بود.

روغن‌های پیرولیز با و بدون استفاده از کاتالیزور برای کارکرد موتورهای دیزلی و بنزینی استفاده می‌شوند. یک موتور چهار زمانه، پمپ دیزل تک پیستونی (HINOTA، ELP503) با حداکثر سرعت 3000 دور در دقیقه، قدرت 2.2 کیلو وات و حداکثر سرعت جریان 40 متر مکعب در ساعت برای آزمایش موتور دیزل استفاده شد. برس برش موتور چهار زمانه بنزینی (Kanto, KT-NBC-4STK) با سرعت 6000 دور در دقیقه، قدرت 2.6 کیلو وات و جابجایی 40 سانتی متر مکعب به عنوان موتور بنزینی مدل استفاده شد. ترکیب گازهای خروجی با یک آنالایزر گاز EMS 5002 تجزیه و تحلیل شد. دمای موتور نیز توسط دماسنج مادون قرمز GM700 اندازه گیری شد. جریان موتور توسط مولتی متر MX 655 اندازه گیری شد و سپس به برق تبدیل شد.

نتایج و بحث
یک راکتور ناپیوسته پیرولیز بستر ثابت در مقیاس نیمکتی برای تولید روغن از ضایعات بسته بندی پلاستیکی استفاده شد. شکل 1 نمودار شماتیک تنظیم پیرولیز پلاستیک را نشان می دهد. نکته مهم این است که این سیستم در ترکیب با استفاده از کاتالیزورهای رس بنتونیتی به طور گسترده در دسترس و مقرون به صرفه، منجر به تشکیل هیچ محصول جامد یا باقیمانده زغال سنگ در راکتور در پایان چرخه پیرولیز نمی شود.

مشخصات مواد خام و کاتالیزور
منحنی های TG هر ضایعات پلاستیکی رفتار مشابهی را نشان دادند اما در دماهای تجزیه حرارتی متفاوت، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. ساختار چند حلقه ای PS بین 250 تا 480 درجه سانتیگراد تخریب شد، در حالی که آن پلاستیک ها دارای ساختار پلی الفین (PP و PE) هستند. به ترتیب در دماهای بالاتر 280-520 درجه سانتی گراد و 280-580 درجه سانتی گراد تخریب می شود. این نتایج با مطالعات قبلی  مطابقت دارد. 20،26 PS نیز در دماهای پایین تر از PP، LDPE و HDPE تجزیه می شود. این بدان معناست که دمای پیرولیز 500 درجه سانتیگراد مورد استفاده در این مطالعه مناسب بود.

شکل 2 منحنی‌های TGA پلاستیک‌های زائد که تحت نیتروژن 

ترکیب شیمیایی خاک رس بنتونیت از مشخصات محصول شرکت تایلندی Nippon Chemical Industry Co., Ltd، SiO2 46 wt، Al2O3 17 wt، Fe2O3 6 wt، Na2O 1.5 wt، CaO 2.5 wt درصد و TiO2 0.2 wt مشخص شد. ٪. خاک رس بنتونیت دارای ترکیبی مشابه با کاتالیزور SiO2 و Al2O است که قبلاً به عنوان کاتالیزورهای پیرولیز بررسی شده بود. بنتونیت همچنین دارای شباهت هایی با کائولین و گل قرمز بود. ترکیبات شیمیایی کائولین عبارتند از نسبت کم SiO2/Al2O3 اسیدیته کاتالیزور را نشان می دهد، بنابراین ماهیت اسیدی احتمالی کاتالیزور بنتونیت را برجسته می کند.

شکل 3 ایزوترم های جذب-واجذب N2 کاتالیزور را نشان می دهد. طبق طبقه بندی IUPAC، شکل ایزوترم از نوع IV است که با افزایش فشار نسبی، تراکم مویرگی رخ می دهد. حلقه هیسترزیس ممکن است به ساختار مزوپور نسبت داده شود. علاوه بر این، جهش تند مشاهده شده در فشار نسبی بالا (> 0.9) نشان دهنده وجود منافذ درشت است. حجم ریز منافذ 0.02 سانتی متر مکعب در گرم 1 یا 15 درصد از حجم کل منافذ است. اندازه متوسط منافذ ماده 10.9 نانومتر بود و بنابراین کاتالیزور بسیار مزوپور بود.

شکل 3 ایزوترم های جذب-واجذب N2 در 77 K خاک رس بنتونیتی:

تأثیر شرایط پیرولیز بر خواص روغن:
برای بررسی اثر سرعت گرمایش بازده نفت در اثر حرارت مایع، زباله‌های پلاستیکی بدون کاتالیزور در دمای 10 تا 25 درجه سانتی‌گراد در دقیقه-1 تحت پیرولیز قرار گرفتند. شکل 4 نشان می دهد که بازده روغن در اثر حرارت با افزایش نرخ گرمایش کاهش می یابد. این امر نشان می‌دهد که نرخ‌های گرمایش پایین منجر به واکنش‌های ثانویه محصولات جامد و مایع می‌شود که در درجه اول به دلیل زمان ماندگاری طولانی‌تر است. این منجر به افزایش بازده گاز قابل تراکم و در نهایت بازده بالاتر محصول مایع می شود. نرخ گرمایش بهینه برای تجزیه در اثر حرارت این ضایعات پلاستیکی 10 درجه سانتیگراد در دقیقه تعیین شد. نتایج برای همه پلاستیک ها روند یکسانی را نشان داد. این نتایج با کار Cahyono و Styana مطابقت دارد که نشان دادند بازده مایع حاصل از تجزیه در اثر حرارت ضایعات کیسه‌های پلاستیکی LDPE با افزایش نرخ گرمایش از 5 به 15 درجه سانتی‌گراد در دقیقه -1.27 کاهش می‌یابد.

تجزیه در اثر حرارت ضایعات پلاستیکی بدون کاتالیزور منجر به یک روغن قهوه ای رنگ برای PS و زرد برای PP، LDPE و HDPE شد. تجزیه کاتالیستی ضایعات پلاستیکی تأثیر کمی بر رنگ روغن داشت. تحقیقات شرکت آروین آدلی فیدار  مشخص شد که رنگ روغن به دست آمده در تجزیه حرارتی کاتالیزوری PP با استفاده از سیلیس، آلومینا و کائولن زرد است.

جدول 1 مقایسه عملکرد روغن با و بدون کاتالیزور را در نسبت های مختلف کاتالیزور نشان می دهد. وجود کاتالیزور کمی بازده روغن را در مقایسه با نسبت کاتالیزور بدون کاتالیزور افزایش داد. استفاده از یک کاتالیزور توانایی تجزیه یا شکستن پلیمر را افزایش داد و در نتیجه بازده گاز قابل تراکم و در نهایت محصول مایع بیشتر را افزایش داد. این امر به ماهیت اسیدی کاتالیزور بنتونیت نسبت داده می شود که باعث تجزیه یا ترک خوردن موم ها به محصولات سبک تر می شود. در مقابل،  از CaCO3 به عنوان کاتالیزور برای پیرولیز HDPE استفاده کرد و دریافت که تشکیل موم رخ داده است. Mastral et al. همچنین دریافت که موم در هنگام پیرولیز HDPE با زئولیت HZSM-5 به عنوان یک کاتالیزور اسیدی تشکیل می شود. برای خاک رس بنتونیت، نسبت SiO2 [فضای نازک (1/6-em)]: [فضای نازک (1/6-em)] Al2O3 0.94 بود، در حالی که زئولیت HZSM-5  استفاده شد. نسبت Si [فضای نازک (1/6-em)]: [فضای نازک (1/6-em)]] Al 35 بود. در جدول 2 نشان داده شده است.

جدول 1 اثر کاتالیزور بر عملکرد و خواص سوخت روغن:

 

پس از اعمال کاتالیزور، بازده مایع بیش از 87 درصد به دست آمد. ز ZSM-5 و گل قرمز به عنوان کاتالیزور برای تجزیه در اثر حرارت ضایعات پلاستیکی مخلوط استفاده کرد و دریافت که حداکثر بازده مایع به ترتیب 9/56 و 2/76 درصد وزنی بود.همچنین دریافت که بازده محصول مایع در محدوده 62 تا 79 درصد در هنگام استفاده از ZnO، MgO، CaC2، SiO2، Al2O3 و SiO2-Al2O3 به عنوان کاتالیزور در پیرولیز LDPE است. مقدار کاتالیزور (نسبت کاتالیزور به زباله پلاستیکی 0.05) و در زمان واکنش کوتاه (10 دقیقه). به عنوان مثال، شرایط بهینه برای پیرولیز HDPE با CaCO3 نسبت کاتالیزور 0.2 و زمان واکنش 1.5 ساعت است. با پیرولیز PP با کائولین. 9 نسبت کاتالیست 0.2-0.4 و زمان تجزیه در اثر حرارت 1-3 ساعت نیز با ZnO، MgO، CaC2، SiO2، Al2O3 و SiO2-Al2O3 به عنوان کاتالیزور برای تجزیه در اثر حرارت LDPE4 استفاده شد.

کاتالیزور ارزش حرارتی روغن پیرولیز را به سطوحی افزایش داد که با سوخت های تجاری، گازوئیل و بنزین 91 قابل مقایسه بود. مخلوطی از 90٪ بنزین و 10٪ اتانول، که دارای ارزش 46 [فضای نازک (1/6-em) بود. )]951 و 45 [فضای نازک (1/6-em)] 940 کیلوژول کیلوگرم-1، به ترتیب. مقادیر ادبیات، ارزش حرارتی دیزل را بین 43 [فضای نازک (1/6-em)] 800-48 [فضای نازک (1/6-em)] 610 کیلوژول کیلوگرم-1.10،21 گزارش کردند.این مقادیربا نتایج به‌دست‌آمده در این کار مطابقت خوبی دارند، که مقادیر حرارتی 44 [فضای نازک (1/6-em)] 896 کیلوژول کیلوگرم-1 برای PP با یک کاتالیزور [فضای نازک (1/6- را نشان می‌دهد. em)]: [فضای نازک (1/6-em)] نسبت پلاستیک 0.2 (بر حسب وزن). ارزش حرارتی استاندارد بنزین تجاری به صورت 45 [فضای نازک (1/6-em)] 600 کیلوژول کیلوگرم در 1 گزارش شده است، این رقم با ارزش حرارتی بنزین  استفاده شده در این مطالعه فعلی یکسان است.ارزش حرارتی روغن حاصل از تجزیه در اثر حرارت پلاستیک در این کار با سایر مطالعات قابل مقایسه بود.  از سیلیس آلومینا و کائولن به عنوان کاتالیزور برای تجزیه در اثر حرارت PP استفاده کردند، دریافتند که روغن دریافتی دارای ارزش حرارتی 47 [فضای نازک (1/6-em)] 120 و 47 [فضای نازک (1/6-em) است. )] 590کیلوژول کیلوگرم-1، به ترتیب نشان داد که پس از استفاده از ZnO، MgO، CaC2، SiO2، Al2O3 و SiO2-Al2O3 به عنوان کاتالیزورهای پیرولیز برای LDPE، ارزش حرارتی روغن ها در محدوده 40 [فضای نازک (1/6-em)] 500-45 [نازک] بود. فضا (1/6-em)]500 کیلوژول کیلوگرم-1.4 این مقدار در هنگام استفاده از بنتونیت (44 [فضای نازک (1/6-em)] 121-44 [فضای نازک (1/6-em)] 436 کیلوژول کیلوگرم-1) قابل مقایسه است.که از کائولن به عنوان کاتالیزور برای تجزیه در حرارت HDPE استفاده کرد، نشان داد که روغن حاصل دارای ارزش حرارتی 40 [فضای نازک (1/6-em)] 170 کیلوژول بر کیلوگرم است، که کمتر از مقادیر بدست آمده در هنگام استفاده از بنتونیت است. خاک رس، همانطور که در این کار نشان داده شده است (44 [فضای نازک (1/6-em)] 191-44 [فضای نازک (1/6-em)] 750 کیلوژول کیلوگرم-1).10 بنابراین، ارزش حرارتی بالا روغن ها در این مطالعه با استفاده از کاتالیزور پتانسیل خود را به عنوان جایگزینی برای سوخت تجاری نشان دادند.استفاده از کاتالیزور بنتونیت تأثیر چندانی بر چگالی روغن پیرولیز نداشت. چگالی روغن حاصل از PP، LDPE و HDPE بیشتر از PS بود که نزدیک به چگالی گازوئیل  است.   چگالی گازوئیل 0.848 گرم در سانتی متر مربع و نزدیک به مقادیر روغن‌های پیرولیز گزارش‌شده در این کار فعلی (0.875 گرم در سانتی‌متر در 3). در مقابل، با سایر مطالعاتی که چگالی روغن‌های پیرولیز را از HDPE تا 1.12 گرم در سانتی‌متر -3 گزارش کرده‌اند، نتایج این مطالعه کنونی امیدوارکننده است. برای استفاده در کاربردهای سوخت مایع (0.898-0.906 g cm-3)

ویسکوزیته 1.8 cP برای روغن پیرولیز برای PS هنگام استفاده از کاتالیزور مشاهده شد، به طور دلگرم کننده ای این ویسکوزیته نزدیک به gasohol (1.5 cP) است. ویسکوزیته PP، LDPE و HDPE 2.0 cP و نزدیک به دیزل (2.5 cP) بود (جدول 1). ویسکوزیته دیزل تجاری همانطور که در مقالات گزارش شده است در محدوده 2.0-4.5 cP است. برخلاف کاربرد خاک رس بنتونیت به عنوان کاتالیزور در این کار. ویسکوزیته روغن حاصل از تجزیه حرارتی HDPE را بررسی شد و ویسکوزیته 2.96 cP را گزارش کرد.مطالعات قبلی در مورد تجزیه در اثر حرارت کاتالیزوری PP با سیلیس آلومینا و کائولن روغن‌های پیرولیز با ویسکوزیته‌های 2.21 و 2.27. گزارش داد که روغن حاصل از کاتالیزور کائولن HDPE دارای ویسکوزیته 2.1 cP است.نقطه اشتعال روغن پیرولیز (محصولات مایع) هنگام پردازش در حضور کاتالیزور خاک رس افزایش یافت. روغن‌های پیرولیز تولید شده از LDPE و HDPE در حضور خاک رس بنتونیت دارای نقطه اشتعال نزدیک به دیزل تجاری بودند. در مقابل، روغن‌های پیرولیز PS و PP نیز که با کاتالیزورهای بنتونیت تولید می‌شوند، نقطه اشتعال نزدیک به گازوئل  را نشان می‌دهند. مقادیر استاندارد نقطه اشتعال برای گازوئیل و بنزین به ترتیب 55 تا 60 و 37.8 تا 38 درجه سانتی‌گراد است، که در توافق با این تحقیق. بنابراین بنتونیت یک کاتالیزور موثر برای تولید یک جایگزین دیزل از زباله های LDPE و HDPE است.  نقطه اشتعال روغن های کاتالیزوری را هنگام استفاده از کاتالیزورهای ZnO، MgO، CaC2، SiO2، Al2O3 و SiO2-Al2O3 در محدوده 30-62 درجه سانتیگراد گزارش کرد.  استفاده از CaCO3 را در تجزیه حرارتی کاتالیزوری HDPE نشان داد و روغنی با نقطه اشتعال 50 درجه سانتیگراد بدست آورد.

مقایسه نقطه ریزش روغن های حاصل و سوخت های تجاری در جدول 1 ارائه شده است. نقطه ریزش گازوئیل در این کار به دلیل فرار بالای نمونه اندازه گیری نشد. این با سایر تحقیقاتی که نقطه ریزش بنزین را اندازه گیری نکردند، مطابقت دارد. گزارش کرد که هیچ مقدار استاندارد نقطه ریزش برای گازوئیل و بنزین وجود ندارد. روغنهای پیرولیتیک حاصل از ضایعات پلاستیکی نقطه ریزش بالاتری نسبت به دیزل داشتند. برای تمام ضایعات پلاستیکی مورد بررسی، استفاده از کاتالیزور بنتونیت تأثیر قابل توجهی بر نقطه ریزش روغن حاصل نداشت. با این حال، برای PS و LDPE کاهش کمی در مقادیر نقطه ریزش در استفاده از کاتالیزورهای خاک رس بنتونیت مشاهده شد. نقطه ریزش به عنوان دمایی شناخته می شود که در آن سیال جریان متوقف می شود. به طور کلی، افزایش ویسکوزیته ممکن است باعث شود که سیال ویژگی جریان خود را از دست بدهد. این با نتایج PS و LDPE مطابقت دارد.

در پیرولیز بدون کاتالیزور، روغن‌های تجزیه در اثر حرارت بسیار فعال تولید می‌شود که می‌توانند برای تشکیل مواد جامد تحت پلیمریزاسیون قرار گیرند. برخلاف پیرولیز در غیاب کاتالیزور، فرآورده‌های نفتی پیرولیز تحت شرایط کاتالیزوری، مایعات با ویسکوز کم بودند، که نشان‌دهنده افزایش تجزیه و ترک خوردن زباله‌های پلاستیکی به هیدروکربن‌های مایع با وزن مولکولی کم است. این نتایج توسط داده‌های GC-MS روغن‌ها (جدول 2) پشتیبانی می‌شود، که نشان می‌دهد نسبت‌های بیشتری از کسرهای هیدروکربنی با وزن مولکولی پایین‌تر، C5-C9 (ترکیبات آلیفاتیک و معطر) با استفاده از کاتالیزورها تولید شده‌اند، در حالی که فراکسیون‌های هیدروکربنی با وزن مولکولی بالاتر، [دو برابر باند splayed سمت چپ]C13، کاهش یافته است. در نتیجه، افزایش مقدار کاتالیزور بر عملکرد و خواص سوخت تاثیری نداشت. بنابراین، استفاده از بارهای بالای کاتالیزور غیرضروری است که منجر به نسبت بهینه کاتالیزور به زباله پلاستیکی 0.05 می شود.

روغن پیرولیز (محصولات مایع حاصل از تجزیه در اثر حرارت) از ضایعات پلاستیکی توسط GC-MS آنالیز شد (جدول 2). ترکیبات شناسایی شده با توجه به طول زنجیره کربنی آنها طبقه بندی شدند: C5-C9، C10-C13 و [پیوند دوگانه به سمت چپ] C13. مولکول‌هایی با طول زنجیره C5-C9 قابل مقایسه با ترکیب بنزین، در حالی که [پیوند دوگانه در سمت چپ] C13 روغن‌های سنگین هستند. مشاهده شد که تجزیه در اثر حرارت کاتالیزوری و غیر کاتالیزوری PS عمدتاً هیدروکربن‌های آروماتیک با عدد کربن C5-C9 حدود 60٪ و [پیوند دوگانه در سمت چپ پخش شده] C13 حدود 30٪ تولید می‌کند. این ترکیبات شبیه به ترکیبات موجود در گازوئیل  بیشتر هستند. گزارش شده است که یکی از مکانیسم های تشکیل آروماتیک در طی پیرولیز از طریق واکنش های دیلز-آلدر و هیدروژن زدایی متعاقب آن برای تشکیل حلقه های معطر است و احتمالاً به ترکیب خاص نمونه پیرولیز شده مربوط می شود. ، این ماده اولیه بسیار معطر است و به همین دلیل احتمالاً در طی پیرولیز کاتالیزوری نیز محصولات معطر تولید می کند. برای PP، LDPE و HDPE، روغن های حاصل عمدتاً هیدروکربن های آلیفاتیک (آلکان ها و آلکن ها) با تعداد کربن بیشتر از C13 هستند. این نتایج با نتایج FTIR مطابقت داشت.

پنج ترکیب فراوان موجود در روغن‌های پیرولیز در جدول 3 خلاصه شده‌اند. پیرولیز PS حاصل شد، استایرن (20.12%)، اتیل بنزن (15.07%)، بنزن، 1،1′-(1،3-propanediyl)bis – (11.17%)، α-متیل استایرن (10.38%) و تولوئن (7.93%). در استفاده از کاتالیزور در طی پیرولیز، ترکیبات عمدتاً یکسان باقی ماندند، با این حال، نسبت مربوط به این اجزا متفاوت بود. پیرولیز PP روغنی حاوی 2،4-دی متیل-1-هپتن (15.08%)، 1-تریکوزن (14.98%)، 3-octadecene، (E)- (7.78%)، 1-pentadecene (7.76%) و 1-دسن، 2،4-دی متیل- (4.33٪). برخی از ترکیبات مانند 1-nonadecene (7.38%)، 1-hexadecene (7.27%) و 3-eicosene، (E)- (7.11%) با استفاده از کاتالیزور بنتونیت ظاهر می شوند. برای LDPE و HDPE، نشان داده شد که روغن‌های پیرولیز با و بدون کاتالیزور دارای ترکیباتی شبیه به دیزل هستند.

نتیجه گیری :

استفاده از خاک رس بنتونیت به عنوان کاتالیزور پلت شده در پیرولیز ضایعات پلاستیکی، PS، PP، LDPE و HDPE با موفقیت به دست آمده است. پس از پیرولیز با بنتونیت، ارزش حرارتی روغن های مایع بالاتر از آزمایش های حرارتی است. نتایج GC-MS و FTIR نشان داد که روغن‌های PS عمدتاً دارای هیدروکربن‌های معطر در محدوده بنزین (C5-C9) بودند، در حالی که PP، LDPE و HDPE دارای هیدروکربن‌های آلیفاتیک طولانی‌تری بودند که آنها را برای استفاده در موتورهای دیزلی مناسب می‌کرد. نکته مهم این است که استفاده از گلوله های کاتالیست افت فشار را از بین می برد و زمان پردازش پیرولیز را  کاهش می دهد. هنگام استفاده از گلوله های خاک رس بنتونیت به عنوان کاتالیزور در فرآیند پیرولیز، هیچ تشکیل مومی مشاهده نشد، این به اسیدیته بالای کاتالیزور نسبت داده شد (SiO2 کم [فضای نازک (1/6-em)]: [فضای نازک (1/ 6-em)] نسبت Al2O3) بنتونیت، بنابراین آن را در موم های ترک در مقایسه با کاتالیزورهای ناهمگن کمتر اسیدی که قبلاً در مقالات گزارش شده بود، فعال تر می کند. انتشار و ویژگی‌های عملکرد موتورهای دیزلی و بنزینی با روغن‌های پیرولیز نیز مورد بررسی قرار گرفت. از نظر انتشار گازهای گلخانه ای، استفاده از بنتونیت به عنوان کاتالیزور برای تجزیه در اثر حرارت PS منجر به کاهش مونوکسید کربن (CO) و دی اکسید کربن (CO2) برای موتور بنزینی شد. روغن کاتالیزوری تولید شده از PS منجر به قدرت موتور بنزینی بالاتری شد، در حالی که روغن های کاتالیزوری از PP، LDPE و HDPE مقادیر مشابهی را در مقایسه با سوخت های تجاری نشان دادند. برای هر دو سیستم دمای موتور به طور قابل توجهی با سوخت های تجاری در هنگام استفاده از روغن های پیرولیز کاتالیزوری متفاوت نیست. بر اساس این نتایج، می‌توان نتیجه گرفت که بنتونیت می‌تواند کاتالیزور مؤثری به شکل گلوله‌ای برای تجزیه در اثر حرارت پلاستیک باشد و ممکن است درهایی را برای تولید سوخت مایع از زباله‌ها باز کند.

 

با تشکر از دکتر بهنام مددی 

………..