CC BY
20
УДК 665.642.3
Рогачева А.А., Хачатуров-Тавризян А.Е.
КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КРЕКИНГ ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ КАК СПОСОБ ВНЕДРЕНИЯ ЦИРКУЛЯРНОЙ ЭКОНОМИКИ
Рогачева Анна Александровна - магистр 2-го года обучения кафедры ЮНЕСКО «Зелёная химия для устойчивого развития»; [email protected].
Хачатуров-Тавризян Александр Евгеньевич - кандидат экономических наук, профессор кафедры ЮНЕСКО «Зелёная химия для устойчивого развития»; [email protected]
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В данной статье предложена оптимальная технология и экономическая модель переработки полимерных отходов. В качестве основной технологии переработки предлагается каталитический крекинг полимеров, растворенных в вакуумном дистилляте. По результатам эксперимента показаны выходы основных газовых и жидких продуктов и сделаны выводы о возможности внедрения данной переработки.
Ключевые слова: каталитический крекинг; полимерные отходы; круговая экономика; химическая переработка; нефтехимическое сырьё.
CATALYTIC CRACKING OF POLYMER WASTE AS A WAY TO IMPLEMENT A CIRCULAR ECONOMY
Rogacheva A.A., Khachaturov-Tavrizyan A.E.
1 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
This article proposes the optimal technology and economic model for the processing of polymer waste. As the main processing technology, catalytic cracking of polymers dissolved in vacuum distillate is proposed. Based on the results of the experiment, the yields of the main gas and liquid products are shown, and conclusions are drawn about the possibility of introducing this processing.
Key words: catalytic cracking; polymer waste; circular economy; chemical recycling; petrochemical raw materials.
Введение
Наблюдаемые темпы экономического роста являются неустойчивыми без использования альтернативных или возобновляемых источников энергии и переработки отходов производства и потребления. В современных условиях главной задачей для человечества становится грамотный выбор стратегии управления, что является важным аспектом устойчивого развития.
В современном мире пластмассы становятся одним из наиболее распространённых материалов в жизни человека. Благодаря своим свойствам (легкий вес, механическая прочность) они незаменимы, как и в промышленности, так и повседневной жизни [1].Увеличение объёмов пластиковых отходов вызывает потребность в их переработке [2]. Переработка полимеров с получением нефтехимического сырья и топливных фракций представляет большой интерес. Однако стоит учитывать, что необходима такая технология и экономическая модель, при которых, с одной стороны, будет обеспечиваться потребительские запросы населения, а с другой, оказывать минимальное воздействие на окружающую среду.
На сегодняшний день существует множество способов переработки пластиков. Среди них выделяют первичные, вторичные и третичные способы переработки полимерного сырья. Первичной называется прямая переработка полимера в новые изделия и включает в себя повторное использование низкосортных отходов или обрезков
пластика непосредственно в местах их производства. Однако стоит учитывать тот факт, что данный способ переработки применим не для всех видов пластиков.
Вторичная переработка заключается в сжигании полимеров. Сжигание не требует предварительной сортировки и потому является экономически выгодным. В то же время, сжигание неразделённого потока отходов является чрезвычайно опасным. Существенным недостатками данного метода являются выбросы ядовитых газов, образующихся при горении пластиков, и сжигание кислорода, что негативно сказывается на экологической обстановке. Поэтому необходимо отказаться от такого способа ликвидации полимерных отходов [3].
Механическая переработка - это переработка использованного пластика в полимерное сырьё для повторного изготовления новых аналогичных продуктов. Это разновидность первичной и вторичной переработки пластмасс, где сохраняется максимальное количество ценных продуктов при переработке. Однако осуществление механической переработки возможно только для термопластичных полимеров. Такой метод является сложным по осуществлению, но рациональным. Преимущества заключаются в том, что можно не только добиться ресурсосберегающего эффекта, но и значительно сократить нагрузки на окружающую среду и её компоненты. Однако в России система обращения с отходами на текущий момент серьёзно отстает от Европы по уровням переработки. На данный момент
большая часть ТКО закапывается на полигонах, а перерабатывается только 5 - 7% пластика [4].
При третичной переработке или химическом рециклинге достигается полная конверсия полимеров, в результате которой получаются ценные продукты нефтехимии и топлива, которые будут использоваться до перехода человечества на «зелёную» энергетику. Такой способ даёт возможность использовать принципиально новый подход к решению экологических проблем -зелёную химию. Данный подход зааключается в использовании чистых и менее загрязняющих окружающую среду промышленных процессов и гарантирует, что производители берут на себя ответственность за производимые продукты и их последующую переработку.
Стоит также упомянуть, что третичная переработка может стать временным решением для практической реализации концепции - RRR (Reduce - Reuse - Recycle): предотвращение (сокращение) образования отходов; повторное использование; рецикл (переработка и использование). Циркулярная экономика (экономика замкнутого цикла) - именно это понятие определило принцип RRR. Такой способ даст возможность комплексно переработать полимерные отходы с применением химических наук и промышленности и полностью использовать получаемые в результате продукты [5]. Для достижения повторного использования пластмасс одноразового использования в промышленных количествах, значимых для снижения их воздействия на окружающую среду, необходимы более надежные процессы. Усовершенствованные процессы должны создать «экономику замкнутого цикла», при которой отработанные отходы пластика эффективно перерабатываются обратно в качестве исходных материалов для полимеров и ценных побочных продуктов. И тогда такая экономическая модель может помочь создать оборот веществ, при котором не будут истощаться природные ресурсы.
Во время ускоренного истощения природных ресурсов пластиковые отходы можно считать дешёвым источником нефтехимического сырья. Поэтому химическая переработка полимеров с получением нефтехимического сырья и топливных фракций представляет большой интерес, в частности, каталитический крекинг предварительно
растворённых в вакуумном дистилляте пластиковых отходов. Создание процесса каталитического крекинга было вызвано необходимостью смягчить условия крекинга нефтяных продуктов (по-низить температуру и давление), повысить выход бензина и улучшить его качество. Кроме того, данный процесс позволяет соблюдать девятый принцип зелёной химии, который говорит нам, что каталитические процессы предпочтительнее по сравнению со стехиометрическими реакциями.
Экспериментальная часть
В представленной работе изучалась альтернативная переработка полимерных отходов, с
применение вакуумного дистиллята в качестве растворителя. В работе использовали две партии отходов, представляющие собой дробленые отходы полиэтилена низкого давления и полипропилена. В качестве растворителя в работе использовался гидроочищенный вакуумный дистиллят, полученный из смеси Западно-Сибирских нефтей.
Для приготовления раствора полимера брали навеску вакуумного дистиллята (90 - 100 г), относительно которой вычислялась необходимая масса полимера. Вакуумный дистиллят заливали в стакан с подогревом, включали механическую мешалку, разогревали систему до необходимой температуры эксперимента, после чего загружали навеску полимеров.
Далее в рамках работы на лабораторной установке проведен каталитический крекинг полимеров полипропилена и полиэтилена, растворенных в вакуумном дистилляте (продукте многостадийного разделения нефти), с различными массовыми долями полимерного материала 1%, 3% и 5%. Дальнейшее увеличение концентрации полимера в растворе существенно сказывается на вязкости данных систем.
На рисунке 1 при крекинге растворов полиэтилена низкого давления можно отметить практически равномерное увеличение выхода газа при увеличении концентрации полимера. Молекулы полиэтилена, по всей видимости, лучше вступают в реакции каталитического крекинга из-за меньших пространственных затруднений, чем молекулы полипропилена, что некоторым образом увеличивает выход пропилена. Согласно полученным данным, введение полипропилена в сырьё вызывает увеличение выхода газа, однако дальнейшее изменение концентрации не оказывает влияние на выход продуктов крекинга. Это может быть связано с тем, что макроструктура полимера ухудшает массоперенос вещества к активным центрам катализатора.
Выход топливных фракций (бензин, легкий газойль) на рисунке 2 снижается при увеличении доли растворённого полиэтилена низкого давления, а выход остатка (фракции >350°С) образован преимущественно непрореагировавшим полимером. При добавлении полипропилена происходит обратная зависимость, с ростом доли растворённого полимера возрастает выход жидкого продукта. Такая зависимость обусловлена взаимосвязью с выходами газовых компонентов.
По результатам представленной работы сделан вывод, что существует возможность полной переработки растворов полипропилена и полиэтилена различными способами в низшие олефины - ценное нефтехимическое сырье (рис. 1) и жидкие продукты, в т.ч. высокооктановый бензин (рис. 2).
Рис. 1. Выход основных газовых продуктов
J5.0 JQ.0
12.5
11,3
11,6
25,0
1S,0
5,0 0,0
1»р-рпэвд 3*р-рПЭ9Д 5*р-рПЗИ вг [общее] Ир-рПП, ЗЧр-рППе 5"4ррППа
ввг ввг ввг вг ег вг
■ Бензин ■ Легкий газойль ■ остаток
Рис. 2. Выход основных жидких продуктов
Заключение
Каталитический крекинг полимерных растворов предотвращает образование отходов при переработке полимеров. Полученные в ходе эксперимента моторные топлива и сырьё для нефтехимии могут повторно использоваться, а также возможно их дальнейшее возвращение в рецикл. Такая переработка позволяет заменить часть вакуумного дистиллята, что одновременно повышает эффективность нефтепереработки и является частичным решением экологических проблем, связанных с утилизацией полимеров.
Список литературы
1. H. E. Mogens Lykketoft. The new plastics economy rethinking the future of plastic//The new plastic economy. - 2016. - P.117
2. B. Mlynkova, M. Bajus, E. Hajekova, G. Kostrab, D. Mravec, Fuels obtained by thermal cracking of individual and mixed polymers, Chem. Pap. 64 (2010) 15-24. https://doi.org/10.2478/s11696-009-0102-y.
3. G. De La Puente, U. Sedran, Recycling polystyrene into fuels by means of FCC: Performance of various acidic catalysts, Appl. Catal. B Environ. 19 (1998) 305-311. https://doi.org/10.1016/S0926-3373(98)00084-8.
4. Коробков Н.Л. Итоговый отчёт. Отходы в России: мусор или ценный ресурс// Коробков Н.Л.-М.: Международная финансовая корпорацией IFC, Группа Всемирного банка, 2014. - 76с.
4. Хачатуров А.Е. «Зелёная» экономика и современный менеджмент: учеб. пособие. М. РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2022. - 121 с.
