إعادة التدوير الكيميائي للنفايات البلاستيكية إلى منتجات جديدة
إذا أردنا الحديث عن المادة ذات الألف استخدام فإننا بتأكيد نقصد البلاستيك الذي يلبي جميع الاحتياجات من قطاع الملابس ومجال السيارات إلى تصنيع التجهيزات الطبية والإلكترونية. واقتراناً بهذا الاستخدام، يتزايد إنتاج النفايات البلاستيكية الصلبة عبر العالم يوميا، ليصل اليوم إلى حوالي 150 مليون طن في السنة!!
ومع أن المواد المدورة قد تشترك في الخصائص نفسها مع المواد المصنعة من البلاستيك البكر، إلا أن العائدات المالية المدخرة منها محدودة، كما أن خصائص أغلب أنواع البلاستيك تتأثر تأثراً بالغاً بعد عدة عمليات معالجة في التدوير.
يعدّ التدوير الكيميائي بديلاً لعملية معالجة النفايات البلاستيكية الصلبة...
ويتوقف نجاح التدوير الكيميائي على القدرة على تحمل تكاليف المعالجة وكفاءة المحفزات. وفي هذا العرض، سوف نتكلم عن التقنيات المتاحة في عمليتي فرز وإعادة تدوير النفايات البلاستيكية الصلبة إلى مواد خام،
كما سنتناول أفضل التقنيات في عملية التدوير الكيميائي للبلاستيك التجاري. وسيعقب هذه التقييمات مسح بأحدث التطورات في تصميم أنواع البوليمر المعاد تدويره ذات الكفاءة العالية.
البلاستيك والبوليمرات شائعة في حياتنا...
إنها تدخل في تفاصيل مجتمعنا كاملة لكونها لا غنى عنها، فمثلاً نجدها في تعليب الأطعمة، والتجهيزات الطبية والإلكترونية ذات الاستخدام الواحد.
في كل سنة، يتجمع من البلاستيك ما يقارب 30 طناً من MSW النفايات البلدية الصلبة في الولايات المتحدة الأمريكية، لا يعاد تدوير سوى 10% منها.
ورغم أن سوء التزام المستهلك بالممارسات الصحيحة لعملية التدوير الناجحة تساهم في انخفاض هذه النسبة المتواضعة، إلا أن أكبر عائق يواجه تدوير البلاستيك يتمثل في القيود التقنية!!
فمن أجل عملية تدوير البلاستيك يتم تطبيق أربع تقنيات:
أولاً (الحلقة المغلقة)
ثانياً (التدوير الآلي)
ثالثاً (التدوير الكيميائي)
رابعاً (استرجاع الطاقة) (الحرق)
1- تعتمد المعالجة في التدوير في الوقت الراهن اعتماداً كبيراً على النوع الأول من التدوير، الذي يتطلب مدخلات شبه نقية في صورة بلاستيك مستخدم استخداما وحيدا وغير ملوث.
إضافة إلى ذلك، فإن البوليمرات المعاد معالجتها عن طريق الصهر وإعادة القولبة تتسم مقارنة بالمواد البكر، بكتلة جزيئية أقل، كما تقل درجة تحملها الحرارية والميكانيكية.
في الواقع، إن المواد المدورة بهذه الطريقة تكون عادة رديئة للغاية، لهذا، تضاعف الإنتاج العالمي من النفايات البلاستيكية الصلبة ليصل إلى 150 طناً في السنة.
وحسب (اي بي ايه) الوكالة الأمريكية لحماية البيئة، فإن قطاعاً عريضاً من أغلب النفايات البلاستيكية 87% تنقسم إلى ستّ فئات كبرى من أنواع البلاستيك، والتي تشير إليها (اي بي ايه) مؤسسة الصناعة البلاستكية بأكواد 1-6 إلا أن معدل استرجاع النفايات البلاستيكية من أجل التدوير في الولايات المتحدة الأمريكية لم يتعدّ 8.8% عام 2012 .
كما أن تطبيق عمليات التدوير ليست مثالية بما يكفي عبر المحيط الأطلسي، إذ نقلت الجمعية الأوروبية لتدوير البلاستيك
وتشير هذه الأرقام المنخفضة إلى أن ثمة مجال كبير لتحسين صناعة تدوير البلاستيك وتسليط الضوء على إمكانية مساهمتها إسهاماً كبيراً في الاقتصاد العالمي.
في المتوسط، يوفر كل طن من البلاستيك المعاد تدويره 130 مليون كيلو جول (أي 123 مليون وحدة حرارية بريطانية)، وهي القيمة التي تساوي الطاقة المحررة عند استهلاك 22 برميلاً من النفط
إن تطوير كفاءة تقنيات التدوير وفعاليته مثل تقنية التدوير الكيميائي، بخصوص معالجة (بي اس دبليو) النفايات البلاستيكية الصلبة العالمية يمكن أن يوفر 3.5 مليار برميل من النفط، إضافة إلى ادخار نقدي سنوي بقيمة 176 مليار دولار.
واستناداً إلى تقديرات أسعار النفط الخام الواردة على موقع أسواق بلومبرج، خلال شهر يناير لعام 2017، فإن تدوير النفايات البلاستيكية الصلبة تضيف 38 مليار دولار سنوياً للاقتصاد (في الولايات المتحدة الأمريكية لوحدها).
تكدست أكوام البلاستيك المهمل، المشتق في الأًصل من المصادر النفطية، في مكبات النفايات (والمحيطات)، التي لابد أن ننظر إليها اليوم باعتبارها مصادر غير مستغلة صالحة لإنتاج مواد جديدة.
وعليه، فإن الجهود البحثية الموجهة لتطوير طرق فعالة لتدوير جميع مكونات النفايات البلاستيكية سوف تكون حاسمة في تحقيق الفوائد اقتصادية الكبيرة وكذا المنافع البيئية المصاحبة لعملية التدوير.
طرق التدوير الراهنة
تعدّ مادة البوليمر المعاد تدويره أقل تكلفة من المواد الجديدة، مع توفير مالي ناتج عن توفير الطاقة، التي تتراوح عادة ما بين 40–90% حسب نوع البوليمر.
ويمكن للتوفير المالي المصاحب لعملية تدوير البلاستيك أن يكون كبيرا، وهذا يتوقف على صنف المادة المدورّة ونوعها ، وعلى تكلفة المادة الخام، المتعلقة بدورها بأسعار النفط المتقلبة ويمكن أحيانا أن تكون منخفضة إلى حد ما. وقد أثرت هذه الأسعار المتقلبة في أسعار البلاستيك الخام في الولايات المتحدة الأمريكية، إذ تأرجحت تأرجحاً واسعاً منذ عام 2002 إلى عام2017.
تعكس أسعار البلاستيك متوسطاً سنوياً لبيانات الأسعار الأسبوعية وعلاقتها التلازمية بأسعار النفط. البولي إيثيلين تيرفثالات، والبولي إثيلين عالي الكثافة، والبولي إثيلين منخفض الكثافة، وكلوريد البولي فيلين، والبولي إثيلين منخفض الكثافة، والبولي بروبيلين، والبوليسيتيرن.
أصبحت عملية التدوير ممكنة عن طريق فصل النفايات البلاستيكية الصلبة عن النفايات البلدية الصلبة، مع كسر لكل النفايات البلاستيكية الصلبة وبعد معالجتها نتحدث عن معدل الاسترجاع.
فالبلاستيك ذو معدلات الاسترجاع الأعلى ليس بالضرورة أقل تكلفة من البلاستيك الأقل تعرضا للتدوير.
ووفقا لتقرير يعود لعام 2015 من وكالة حماية البيئة فإن أنواع البلاستيك بأعلى معدلات الاسترجاع هي بولي إيثيلين تيرفثالات 19.5%، والبولي إثيلين عالي الكثافة، والبولي إثيلين منخفض الكثافة 5, 4%.
بينما جميع أنواع البلاستيك الأخرى، بما فيها البولي بروبيلين، والبوليستيرين، فمعدل استرجاعها أقل من 1%. أما معدل الاسترجاع الخاص بكلوريد البولي فينيل فقد كان 0 فعلاً 2.
هذه القيم تعرض متوسط المنتجات العديدة التي ترمى في النفايات البلدية الصلبة، أما معدلات الاسترجاع النسبية لبعض المنتجات الخاصة فقد تكون أعلى، مثلاً عبوات ال PET تسترجع بنسبة31%. بمجرد تجميع النفايات البلاستيكية الصلبة وفصلها في مصانع استرجاع المواد، تتعرض مختلف أنواع البلاستيك إلى طرق مختلفة من المعالجة، بما فيها الحرق، أو إعادة التدوير، أوتحويلها إلى أسمدة عضوية.
يشار إلى طرق التدوير المختلفة كالآتي، التدوير الأولي، والتدوير الثاني، والتدوير الثالث، واسترجاع الطاقة.
١_ أما التدوير الأول
فيشير إلى إعادة معالجة البلاستيك وتحويله إلى منتج مستخدم لنفس الأغراض التي كان يستخدم لها البلاستيك الجديد. ويمكن لهذه الطريقة المسماة بالحلقة المفرغة، أن تستخدم فقط نفايات شبه نقية، مثل المواد المستعملة كخردة أو المواد ما بعد الاستهلاك معروفة المصدر.
ويمثل إنتاج العبوات البلاستيكية من خليط البولي إثيلين تيرفثالات المعاد تدويره (rPET)، والبولي إيثلين تيرفثالات البكر PET مثالا جديرًا بالاهتمام لعملية التدوير الأولى.
٢_ أما التدوير الثانوي أو(الآلي)
فهي عملية تنتج مواد موجهة لاستخدامات مختلفة عن استخدامات البلاستيك الجديد. وأغلب مواد ما بعد الاستهلاك يعاد تدويرها عن طريق هذه العملية، وتتسم منتجاتها عادة بجودة أقل، لها السبب تسمى العملية أحيانا بعملية الخفض أوالتدوير المخفض.
تتضمن عمليتا التدوير الأولي والثانوي معالجات آلية يتم فيها تصنيف البوليمر وجرشه وغسله، وتشكيله عن طريق عملية البثق.
ومثل هذه المعالجات المكررة تسبب درجات متفاوتة من انخفاض جودة البوليمر، وبالحدّ من تطبيق عمليات التدوير الآلي على أي نوع من البوليمر إلى عدد معين من الدورات يمكنه أن يقاوم الانخفاض. من النادر استخدام الطرق الآلية المتاحة حاليًا في تدوير البلاستيك ما بعد الاستهلاك.
٣_ ثالث طرق التدوير "التدوير الكيميائي"
يستخدم فيه المعالجة الكيميائية من أجل استرجاع المكونات البتروكيميائية الموجودة في البلاستيك. وكمثال عن هذه العملية نذكر عملية الانحلال الحراري أوالتسييل، التي يخضع فيها البلاستيك إلى درجات عالية من الحرارة في وجود محفز.
لايستخدم التدوير الكيميائي بكثرة في القطاع الصناعي لأنها طريقة تتطلب مصادر طاقة ضخمة. ومع ذلك، إذا أمكن استرجاع المونومير عبر التدوير الكيميائي، فإن أسعار البوليمر ستكون غير مرتبطة بأسعار النفط. وهذا ما دفع الباحثين إلى إيجاد عمليات مخففة للتحويل التحفيزي مباشرة من البوليمرات إلى مونوميرات أو إلى بوليمرات جديدة.
نوقشت هذه الطرق في رسالة ماجستير بالإضافة إلى طريقة أخرى لاستخدام النفايات البلاستيكية وهي الحرق، التي يتم بها استرجاع جزء من الطاقة الكامنة في البلاستيك في صورة حرارة. من المؤكد أنه يمكن استخراج الطاقة من حرق خلائط معقدة، بما فيها مواد التغليف متعدد الطبقات، لكن دون طرح غازات دفيئة ومسممات!!
في الواقع، ما لم تكن ثمة طريقة لاسترجاع المنتجات الخاضعة للحرق لإعادة الاستخدام فلا يمكن أن تكون هذه الطريقة تطبيقا بيئياً صالحاً...
وزيادة على الآثار البيئية الناجمة من الملوثات، فإن الطاقة المتولدة عن حرق كتلة من البلاستيك أقل فعليا من الطاقة المحتفظ بها في عملية إعادة التدوير.
فمثلا، تبلغ القيمة الحرارية للبلاستيك 136,000kJ kg، بينما يحفظ التدوير الآلي 60,000–90,000 kJ kg−1. وعليه،
فإن تدوير النفايات البلاستيكية في الأساس يحفظ طاقة أكثر من تلك التي يمكن أن يولدها حرق هذه النفايات.
تقنيات فرز البلاستيك
تتمثل أهمية فرز النفايات البلاستيكية في أمرين:
_ أولهما من أجل التخلص من الملوثات، مثل المعادن، والخشب، والمطاط،
_ ثانيا لفصل مواد البوليمر بعضها عن بعض،
لأن كل منها قد يستجيب استجابة مختلفة للمعالجة. ولأن الفصل اليدوي للبلاستيك غير فعال، ويستم بالصعوبة واستهلاك الوقت، ابتكرت تقنيات الفصل الآلي من أجل تسريع العملية.
تعتمد تقنيات الفرز هذه على الاختلافات القابلة للقياس في خصائص المادة، مثل الكثافة، والخصائص الكهروستاتيكية، ودرجة النفاذ (أ وقابلية الابتلال)، والأنماط الطيفية 10.فمثلا، قد تختلف كثافة أنواع البوليمر التجاري كثيرا مع كلوريد البولي فيلين PVC
[ltr](∼1.10–1.45 g cm−3)، والبولي إثيلين تيرفالات PET ∼1.38–1.40 g cm−3)، كونه أكثر كثافة من البولياميد[/ltr]
[ltr]∼1.07–1.18 g cm−3)، والبولسترين (∼1.04–1.11 g cm−3) والبولي إثيلين (0.9،[/ltr]
[ltr] فإن المتطلبات المعقدة لتدوير البوليمرات استلزمت عدة تطورات على مستوى التقنيات الآلية والبصرية من أجل التعرف على المواد وفصلها؛[/ltr]
[ltr]تعد أفضل التقنيات في الفصل الآلي والبصري بمستقبل زاهر في مجال فرز مكونات البلاستيك من نفايات مختلطة بأجزاء ضئيلة جدًا من البلاستيك تصل إلى 2 مليمتر[/ltr]
وتضاعف هذه الطرق منافع معالجة مصادر النفايات البلاستيكية الصلبة مثل المخلفات المنزلية 12 ,13.
تستهدف أنظمة الفل الآلي الخصائص الفيزيائية للمواد التي يمكن التمييز بينها لاحقًا عن طريق التقنيات البصرية في الوقت نفسه. ستجدون أكثر التقنيات شيوعا في مجال فصل البلاستيك ملخصة في Box 11 تقنيات فصل البلاستيك
الفصل بالكثافة المغناطيسية
أي فصل النفايات وفق اختلافات الكثافة بين أنواع البلاستيك، رغم وجود درجات متفاوتة في الكثافة بينها114.
الفصل بالكثافة المغناطيسية (MDS)، هي طريقة تستخدم خليطًا مغناطيسيًا (دقائق أكسيد الحديد الثنائي FeO المعلقة في الماء)، وهي الدقائق التي تختلف كثافتها الفاعلة عموديا في حقل مغناطيسي، وهذا من أجل فرز جسيمات البلاستيك ذات الكثافة المتباينة.
تسمح عملية فصل الكثافة المغناطيسية بفصل المواد في خطوة واحدة دقيقة وسريعة، تفصل فيها كل من البولي إثيلين عالي الكثافة، والبولي إثيلين منخفض الكثافة والبولي بروبيلين بعضها عن بعض وفصلها عن باقي المواد مثل المطاط والمعادن10,115
الفصل بالاحتكاك الكهربائي
الذي يستخدم الاحتكاك لشحن أسطح رقائق البوليمر وفصلها على أساس طبيعتها الأنيونية أوالكاتيونية116,117.
طرق طف والرغوة
تستهدف حدة توتر سطح البلاستيك (درجة النفاذ) وتفصل البلاستيك حسب خاصية الهيدروفيلية أوالهيدروفوبية له 118.
محفزات السرعة
وهي طريقة تعمل على فصل طبقات البوليمرات من بقية المواد عن طريق السرعة الفائقة من أجل فصل إضافي10.
الاسترجاع بالمذيبات
هي طريقة فعالة لمادة كلوريد البولي فيلين، القابل للذوبان في مذيبات عضوية، ويمكن بذلك فصلها عن المواد غير القابلة للذوبان51.
التصوير فوق الطيفي
طريقة تستخدم تقنية المجس الداخلي التي تجمع بين التحليل الحيزي والتحليل الطيفي للمواد الصلبة المحددة119.
إذ تصور الكاميرات المواد تصويرًا ثلاثي الأبعاد عن طريق تعريضها للضوء في نطاق طيفي يتراوح بين 400–1,700 nm (في النطاق المرئي ونطاق ما تحت الأشعة الحمراء)،
تستعمل تقنية التصوير فوق الطيفي كتقنية مراقبة الجودة من أجل المراقبة المستمرة للعمليات التي يتم فيها فصل البولي فيلينات عبر الطرق الآلية مثل عملية الفصل بالكثافة المغناطيسية.
التحليل الطيفي المستحث بالليزر
ويستخدم لتقييم العناصر التركيبية للمواد بواسطة مقارنة بيانات الانبعاث الطيفي الذري الخاصة بالبلاستيك في الوقت الحقيقي بالمصادر المرجعية120.
فلورية الأشعة السينية والمطيافية تحت الحمراء
هذه أمثلة لطرق أخرى مستخدمة لأغراض الفصل الطيفي10,11.
تقنية الموجات فوق الصوتية
تستخدم عادة في التصوير الطبي وقد أنبأت نتائجه بمستقبل زاهر في مراقبة عملية فصل النفايات البلاستيكية وتقييم جودة المعلومات في العملية121.
سوف تتطلب عمليات الفرز في مصانع التدوير تقنيات فصل تتميز بالفعالية والكفاءة والتكلفة المعقولة والدقة أيضا من أجل تحويل النفايات البلاستكية المختلطة إلى مواد خام عالية النقاء.
من الضروري تطوير تقنيات فصل البلاستيك تكون غير مقيدة بنوع المدخلات البلاستيكية، ولا باستخدامه الأصلي، أو بوجود ملوثات غير بلاستيكية. وعند توفير مواد خام عالية النقاء، حينها يكون من السهل تطبيق طرق جديدة لتدوير البلاستيك، مثل عمليات نزع البلمرة الكيمائي.
تدوير البوليمر التجاري
بعد أن عرضنا بعض أنواع البلاستيك المدور عادة واستخداماتها، من المؤسف أن نقول أن اثنين فقط وهما PET and HPDE، من تلك الأنواع يتم تدويرها دوريَا.
لأن توسيع نطاق البلاستيك الذي يمكن تدويره بالطرق غير الآلية، يتطلب تقنيات حديثة وعالية لإزالة البلمرة. وهذه الاستراتيجيات المعروضة في سياق كل نوع من البلاستيك (SPI codes 1–7)، تجدونها مشروحة أدناه.
كود جمعية مصنعي البلاستيك الأمريكية SPI رقم 1 بلاستيك البولي إيثلين PET ه ونوع من البلاستيك القاسي، والقابل للتشكيل، يستخدم في صنع عبوات المشروبات، والألياف والأسلاك1. تنخفض ليونة مادة PET في عملية التدوير الآلي من ∼310 إلى ∼218% بعد دورة واحدة وتصل إلى 2،9 % في ثالث دورة11
ونتيجة لذلك، يتم تدوير جزء صغير فقط من ال PET واستخدامه في تطبيقاته الأولى، أما أغلبه (50–77%) فبعد تحويله إلى ألياف يستخدم لإنتاج مواد مختلطة مثل مواد صنع السجاد.
تصنع العبوات البلاستيكية عادة من مادة ال PET بأوزان جزيئية عالية نسبياً، ورغم أن عمليات التدوير تقلل من أطوال السلسلة إلا أنها ما تزال تقدك مادة تتميز بوزن جزيئي متوسط لكنه عال بما يكفي لصناعة الألياف.
الرابط مصدر المقال
