Recykling chemiczny tworzyw sztucznych: aktualne trendy patentowe
Zużyte tworzywa sztuczne można obecnie odzyskiwać w procesach recyklingu i odzysku energetycznego. Technologia recyklingu odpadowych tworzyw sztucznych (OTS) obejmuje procesy takie jak recykling mechaniczny, procesy rozpuszczalnikowe i recykling chemiczny. Interesującym rozwiązaniem związanym z zagospodarowaniem OTS jest zastosowanie tzw. recyklingu chemicznego zwanego również recyklingiem surowcowym.
Recykling chemiczny jest znaną od lat metodą rozkładu odpadowych tworzyw sztucznych. W ostatnim czasie głównie ze względu na upowszechnienie się idei gospodarki o obiegu zamkniętym (GOZ) obserwuje się intensywny rozwój technologii z wykorzystaniem recyklingu chemicznego. Recykling chemiczny polega na rozkładzie polimerów (depolimeryzacji łańcuchów polimerowych) w określonych warunkach procesowych na monomery lub prostsze substancje chemiczne, z których następnie można wyprodukować nowe tworzywa lub inne surowce/produkty chemiczne. W związku z tym recykling chemiczny jest istotną częścią kompleksowego rozwiązania problemu OTS i jednocześnie uzupełnieniem recyklingu mechanicznego gdyż może być zastosowany w przypadku niejednorodnych i zanieczyszczonych strumieni OTS.
W recyklingu chemicznym w zależności od rodzaju odpadów wykorzystuje się wiele znanych metod i technologii, opartych m.in. na pirolizie, krakingu katalitycznym, zgazowaniu, chemolizie oraz depolimeryzacji. Recykling chemiczny prowadzi do redukcji emisji CO2 w porównaniu do procesów spalania.
Strategia Europy
W Europie najczęstszym sposobem utylizacji odpadów z tworzyw sztucznych jest odzyskiwanie energii, a następnie składowanie odpadów. Ponad 30% wszystkich wytworzonych odpadów z tworzyw sztucznych jest zbieranych w celu recyklingu, z czego połowę wywozi się do krajów spoza UE z uwagi na brak zdolności i technologii potrzebnych do przetwarzania OTS. Niski poziom recyklingu tworzyw sztucznych w UE oznacza duże straty gospodarcze i środowiskowe. W 2020 r prawie 10,2 milionów ton pokonsumenckich odpadów z tworzyw sztucznych zostało zebranych i wysłanych do zakładów recyklingu, głównie poza Europę. Głównym problemem recyklingu OTS jest jakość i cena produktu pochodzącego z recyklingu w porównaniu do jego pierwotnego odpowiednika. W związku z tym posłowie do PE poparli europejską strategię w dziedzinie tworzyw sztucznych, zgodnie z którą do 2030r. wszystkie odpady opakowaniowe z tworzyw sztucznych powinny nadawać się do recyklingu. Dla przemysłu oznacza to istotną potrzebę zmian już na etapie projektowym tworzyw sztucznych, które uwzględnią wymogi recyklingu.
Z inicjatywy PlasticsEurope Stowarzyszenia Producentów Tworzyw Sztucznych w marcu 2019 roku została założona Europejska Koalicja na rzecz Recyklingu Chemicznego, w której skład weszło 39 organizacji branżowych zainteresowanych rozwojem i wdrożeniem recyclingu chemicznego. Koalicja wniesie wkład w prace EU Circular Plastics Alliance, którego celem jest zapewnienie, że 10 milionów ton tworzyw sztucznych pochodzących z recyklingu trafi do nowych europejskich produktów do 2025 roku.
Co więcej 11 marca 2020 r. Komisja Europejska przedstawiła komunikat pt. „Nowy plan działania UE dotyczący gospodarki o obiegu zamkniętym na rzecz czystszej i bardziej konkurencyjnej Europy”. Plan ten jest jednym z kluczowych elementów europejskiego zielonego ładu i jest bezpośrednio związany ze strategią przemysłową dla Europy. Określa kompleksowe ramy działań, których celem jest przyspieszenie przejścia na „model regeneracyjnego wzrostu”, który ma być ważnym elementem osiągnięcia neutralności klimatycznej do 2050 r.
Plan działania UE dotyczący gospodarki o obiegu zamkniętym przewiduje około 35 punktów, w których jednym z istotnych elementów są inicjatywy dotyczące projektowania procesów produkcyjnych dla produktów takich jak elektronika i ICT, baterie, opakowania, tworzywa sztuczne, wyroby włókiennicze, budownictwo i budynki oraz żywność w obiegu zamkniętym. Ponadto przewiduje się zmianę przepisów dotyczących odpadów.
Społeczne zaangażowanie
Nie tylko regulacje prawne, ale także zmiany upodobań konsumentów i ich świadomość dotycząca recyklingu opakowań będą miały istotny wpływ na lepszy recykling tworzy sztucznych. Otóż recykling opakowań w szczególności po kosmetykach, środkach codziennego użytku rozpoczyna się już w domu każdego konsumenta w momencie odpowiedniej segregacji odpadów.
Nowe trendy związane z rozwojem technologii recyklingu OTS, które z powodzeniem mogą zastąpić tradycyjne metody, widać w dużej liczbie zgłoszeń wynalazków. Poszukiwanie dokumentów patentowych dotyczących recyklingu wykazało, że na przestrzeni ostatnich 10 lat odnotowano 237 rodziny patentowe obejmujące 783 zgłoszeń wynalazków z tej dziedziny. Krajami, w których dokonuje się największej liczby zgłoszeń patentowych takich wynalazków są Chiny, Stany Zjednoczone, Korea Południowa i Japonia. Zgłaszający chętnie dokonywali zgłoszeń międzynarodowych, których zasięgiem może potencjalnie zostać objętych 157 krajów i regionów. Wiodącymi firmami w tej dziedzinie są Eastman Chem. Co., Lotte Chemical Corp. i Sion Tech Co. Ltd. Analizując trendy patentowe w ujęciu geograficznym można zauważyć, że liderem światowym są Chiny i Stany Zjednoczone, natomiast na obszarze Europy temat recyklingu chemicznego nie cieszy się aż tak dużym zainteresowaniem. Patrząc pod kątem liczby zgłoszeń wśród krajów europejskich liderami są Niemcy i Polska, choć ilościowo łączna liczba zgłoszeń pochodząca z tych krajów jest sześciokrotnie mniejsza niż np. w Chinach. Biorąc pod uwagę liczby zgłoszeń wynalazków na przestrzeni lat można natomiast zaobserwować, że największy przyrost nowych zgłoszeń patentowych odnotowano w latach 2020-2022.
Ciekawe rozwiązania
Wśród ostatnio opublikowanych wynalazków warto zwrócić uwagę na zgłoszenie patentowe nr EP4133028A1 należące do TotalEnergies OneTech Belgium, które opisuje ulepszony sposób wytwarzania olefin takich jak etylen i propylen poprzez kraking katalityczny frakcji olefinowej i frakcji parafinowej ze strumienia węglowodorów zawierający pirolityczny olej z tworzyw sztucznych. Według twórców wynalazku część ulepszonego strumienia zawierającego parafiny można dalej wykorzystywać w procesie krakingu parowego do wytwarzania olefin i związków aromatycznych, które służą do wytwarzania kolejnych tworzyw sztucznych. Z kolei w zgłoszeniach patentowych nr EP4081614A1 i EP4139420A1 należących do Chevron USA Inc., twórcy proponują ciągły proces przekształcania odpadowego tworzywa sztucznego w recyklingu chemicznym do ponownej polimeryzacji polipropylenu/etylenu zapewniając jednocześnie gospodarkę o obiegu zamkniętym dla zakładów produkujących tworzywa sztuczne. Według wynalazku EP4081614A1 proces obejmuje selekcję odpadowych tworzyw sztucznych zawierających polietylen i/lub polipropylen, a następnie przepuszczanie odpadów tworzyw sztucznych przez reaktor do pirolizy w celu termicznego krakingu co najmniej części odpadów poliolefinowych i wytworzenia odcieku poddanego pirolizie, który jest następnie rozdzielany na gaz odlotowy, olej pirolityczny zawierający benzynę/olej napędowy/frakcję ciężką i karbonizat. Natomiast w zgłoszeniu EP4081614A1 olej pirolityczny kierowany jest do kolumny destylacyjnej, z której odzyskuje się frakcję benzyny ciężkiej lub propan-butan, która jest następnie kierowana do krakera parowego w celu produkcji etylenu. Dodatkowo ciekawe rozwiązanie ujawnione w zgłoszeniu o numerze publikacji EP4139420A1 potwierdza że zastosowanie dokładnej filtracji, po której następuje obróbka tlenkiem metalu jest skutecznym procesem oczyszczania dla ulepszenia produktów pirolizy w celu ich bezpiecznego przetwarzania w jednostkach rafineryjnych.
Przyszłość w naszych rękach
Rozwój nowych technologii i innowacji w procesach degradacji chemicznej prowadzący do gospodarki o obiegu zamkniętym może w znacznym stopniu przyczynić się do oczekiwanej w krajach Unii Europejskiej neutralności klimatycznej w ramach Europejskiego Zielonego Ładu. Należy jednak mieć na uwadze, że ze względu na pogłębiający się globalny problem związany z nadmierną produkcją plastiku i ogromną skalą zanieczyszczeń, w tym obecność mikroplastiku w wodzie i żywności, stałe ulepszanie i opracowywanie nowych metod recyklingu produktów z tworzyw sztucznych powinno być jednym z celów każdej gospodarki, nie tylko europejskiej. Warto dodać, że nowe technologie recyklingu chemicznego pozwalają otrzymać w tradycyjnych instalacjach tworzywo takiej samej jakości jak polimer pierwotny, także do kontaktu z żywnością.
Artykuł dla Magazynu Polska Chemia 3/2023, opracowały: dr Urszula Gągała i dr inż. Agnieszka Pazik
