Artykuły

Tworzywa sztuczne to materiały, które są wszechobecne w  naszym codziennym życiu. Charakteryzują się dużą wytrzymałością, łatwością formowania i dostosowywania zarówno pod względem fizycznym, jak i chemicznym, a także odpornością na czynniki zewnętrzne [1]. Cechy te powodują, że są one materiałem wykorzystywanym w  różnych dziedzinach przemysłu, np.: budownictwie, motoryzacji, elektronice, rolnictwie, a   przede wszystkim w  sektorze opakowań, który wykorzystuje prawie 41% tworzyw sztucznych (rysunek 1) [2]. Nadmierna produkcja tworzyw sztucznych spowodowała nagromadzenie i zanieczyszczenie środowiska naturalnego odpadami z tworzyw sztucznych na całym świecie.

Rys. 1. Zapotrzebowanie tworzyw sztucznych w  poszczególnych sektorach gospodarki w 2020 r. (opracowano wg raportu [2])

Odpady z plastiku – fakty i liczby

Według raportu Plastics Europe [3] w roku 2020 światowa produkcja tworzyw sztucznych osiągnęła wartość 367 mln ton, a   zapotrzebowanie w  Europie wyniosło 55 mln ton. Do recyklingu przekazano ponad 10 mln ton pokonsumenckich odpadów  tworzyw sztucznych z których wyprodukowano 5,5 mln ton recyklatów i wykorzystano w  nowych wyrobach (rysunek 2). 

Rys. 2. Globalne zapotrzebowanie tworzyw sztucznych w  roku 2020 (opracowano wg raportu [3])

Według najnowszych oficjalnych danych Głównego Urzędu Statystycznego za rok 2022 w  Polsce wytworzono 13,4 mln ton odpadów komunalnych, a   spośród nich w  sposób selektywny zebrano 5 361 tys. ton. Udział odpadów komunalnych skierowanych do odzysku wyniósł 61,1%, w  tym procesom recyklingu poddano – 3 585,4 tys. ton odpadów (26,7%). Blisko 20% odpadów jest zagospodarowanych z wykorzystaniem ich energetycznego potencjału  – w  spalarniach odpadów zmieszanych lub spalarniach RDF, przy czym spalanie odpadów z tworzyw sztucznych nie jest preferowane w  hierarchii zagospodarowania odpadami [4]. Najprostszą, a   zarazem najbardziej niebezpieczną dla środowiska metodą unieszkodliwiania odpadów jest ich składowanie. W  Polsce ciągle 38,1% (ponad 5 108 tys. ton) odpadów z tworzyw sztucznych trafia na składowiska, gdzie traci swoją wartość użytkową [5]. Zgodnie z wiążącymi celami UE do 2035 r. w  sposób ten unieszkodliwianych będzie mogło być jedynie 10% zebranych odpadów komunalnych.

Rys. 3. Wytworzone odpady komunalne w  Polsce w  2022 r. (opracowano wg raportu [5])

Recykling odpadów z tworzyw sztucznych

W krajach UE już podejmuje się działania mające na celu zmniejszenie ilości odpadów plastikowych, ale co dzieje się z odpadami, które pozostają pomimo wszelkich starań? i jak można zwiększyć wskaźniki recyklingu tworzyw sztucznych?

Najbardziej przyjazną dla środowiska metodą zagospodarowania odpadów plastikowych jest recykling mechaniczny. Jednak ma on swoje ograniczenia. Zanieczyszczenia, różnice między gatunkami poliolefin, jak również wypełniacze, które znajdują się w  tworzywach oraz opakowaniach wielowarstwowych, stanowią techniczne wyzwania dla recyklingu mechanicznego. Ponadto, wielokrotne odzyskiwanie tworzyw poprzez recykling mechaniczny pogarsza znacznie ich właściwości fizyczne, prowadząc do nadmiernego downcyclingu, z którego otrzymuje się produkty o  niższej jakości i innych parametrach niż produkty pierwotne [6].

Wskaźniki recyklingu odpadów z tworzyw sztucznych, zwłaszcza tych niejednorodnych i zmieszanych, można zwiększyć poprzez recykling chemiczny zwany także surowcowym [7]. W recyklingu chemicznym zostaje zmieniona struktura chemiczna polimeru w  produkty małocząsteczkowe, będące podstawowym budulcem polimerów. Metody recyklingu chemicznego obejmują cztery najważniejsze procesy: zgazowanie, piroliza, chemoliza i hydrokraking [8].

Czym jest piroliza?

Piroliza jest procesem rozkładu materiałów polimerowych poprzez poddanie ich działaniu wysokiej temperatury bez dostępu tlenu i innych czynników utleniających. Jest to proces wykorzystujący ciepło i ciśnienie do rozbicia długołańcuchowych cząsteczek polimeru na mniejsze, mniej złożone cząsteczki. Piroliza umożliwia termiczne przetwarzanie zmieszanych odpadów z tworzyw sztucznych w  wartościowe surowce. Podczas procesu pirolizy odpady z tworzyw sztucznych przekształcane są w  produkty o  wartości dodanej – gaz, olej, wosk i karbonizat, które można wykorzystać jako surowce do dalszej produkcji chemikaliów i paliw [9]. Początkowo badania nad pirolizą odpadowych tworzyw sztucznych koncentrowały się przede wszystkim na poprawie wydajności i jakości olejów pirolitycznych, głównie złożonych z węglowodorów C8-C16. Olej pirolityczny, który spełnia wymagane specyfikacje jakościowe, może być bezpośrednio stosowany w  krakerze parowym do otrzymywania bardziej wartościowych produktów, np. lekkich olefin. Takim produktem jest etylen, który znajduje się na początku łańcuchu wartości jako monomer przy produkcji polietylenu. Ten sposób konwersji odpadowych tworzyw sztucznych na monomery prowadzi do oszczędzania naturalnych zasobów kopalnych i wpływa na zrównoważony rozwój [10].

Gaz pirolityczny jako nośnik energii elektrycznej

W ostatnich latach ze względu na rosnące zapotrzebowanie, spore zainteresowanie wzbudził gazy pirolityczny uzyskany w procesie pirolizy, który po odpowiednim oczyszczeniu i określeniu stopnia czystości może być przekształcony w  energię elektryczną. Tworzywa sztuczne zbudowane są głównie z węgla i wodoru, a   więc w  procesie pirolizy wytwarzane są gazy węglowodorowe. Metan, etan, etylen, propan, propylen, n-butan, lub n-pentan są głównymi produktami gazowymi w  procesie pirolizy odpadowych tworzyw sztucznych. W  procesie występują również stałe gazy, takie jak wodór [11]. Wysokie temperatury sprzyjają wytworzeniu lekkich gazów o  dużej zawartości propylenu i wysokiej wartości opałowej. Gaz pirolityczny wykorzystywany jest do wytworzenia prawie całej energii, która potrzebna jest do napędzenia procesu pirolizy. Ma on również ogromny potencjał do zastosowania w  ogniwach paliwowych [12].

Podsumowanie

Recykling chemiczny wpisuje się wprost w  model gospodarki o  obiegu zamkniętym, który zakłada, że odpad powstały w  jednym procesie produkcyjnym jest surowcem w  innym procesie. Wpływa to na ograniczenie zużycia zasobów naturalnych, a   uzyskane recyklaty można wykorzystywać i przekształcać w  nowe produkty. Gospodarka o  obiegu zamkniętym wpisuje się również w ideę Europejskiego Zielonego Ładu.

Rys. 4. Koncepcja gospodarki o  obiegu zamkniętym (opracowanie własne).

Recykling chemiczny stanowi bardzo skuteczne rozwiązanie problemu mieszanych i niskiej jakości odpadów plastikowych. Piroliza umożliwia przekształcenie odpadów z tworzyw sztucznych w  użyteczne formy energii i chemikalia. Odzysk energii poprzez pirolizę odpadów z tworzyw sztucznych jest najbardziej wydajnym i zrównoważonym sposobem spośród istniejących metod recyklingu chemicznego. Przekształcanie termochemiczne odpadów z tworzyw sztucznych w  procesie pirolizy ma wyraźną przewagę nad spalaniem pod względem śladu węglowego, wskaźników recyklingu tworzyw sztucznych i wydajności. Produktem końcowym procesu pirolizy jest gaz pirolityczny, którego potencjał energetyczny można wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej. Przekształcenie energii zawartej w  odpadach w  energię elektryczną zamyka obieg gospodarki cyrkularnej.