Производство горючего топлива и углеродных нанотрубок из пластиковых отходов с использованием

Том 13 научных докладов, номер статьи: 9057 (2023) Цитировать эту статью

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В этом исследовании проводился микроволновый пиролиз пластиковых отходов на месте с получением водорода, жидкого топлива и углеродных нанотрубок в присутствии катализатора Zeolite Socony Mobil ZSM-5. В представленном микроволновом пиролизе пластмасс в качестве приемника тепла использовался активированный уголь. СВЧ-мощность 1 кВт была использована для разложения отходов полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) и полипропилена (ПП) при умеренных температурах 400–450 °С. Было количественно оценено влияние состава пластика, загрузки катализатора и типа пластика на жидкие, газообразные и твердые углеродные продукты. В результате реакции ХМП на месте в виде твердого остатка образовались тяжелые углеводороды, газообразный водород и углеродные нанотрубки. В этом процессе был возможен относительно лучший выход водорода - 129,6 ммоль/г в качестве экологически чистого топлива. Анализ FTIR и газовой хроматографии показал, что жидкий продукт состоит из углеводородов фракции C13+, таких как алканы, алканы и ароматические соединения. Микрофотографии ПЭМ показали трубчатую структурную морфологию твердого остатка, который во время рентгеноструктурного анализа был идентифицирован как углеродные нанотрубки (УНТ). Внешний диаметр УНТ составлял от 30 до 93 нм для ПЭВП, 25–93 нм для ПП и 30–54 нм для смеси ПЭВП-ПП. Представленный процесс ХМП занял всего 2–4 минуты, чтобы полностью пиролизовать пластиковое сырье до ценных продуктов, не оставляя полимерных остатков.

Пластиковые изделия повсеместно присутствуют в нашей повседневной жизни. Благодаря своей низкой стоимости, коррозионной стойкости, гибкости, долговечности и легкому весу они используются в различных секторах экономики, включая жилой, сельскохозяйственный, автомобильный, коммерческий, медицинский, упаковочные материалы, игрушки, снос и электрооборудование. Полиэтилен высокой плотности (ПЭВП), полиэтилентерефталат (ПЭТ), полиэтилен низкой плотности (ПЭВД), поливинилхлорид (ПВХ) и полипропилен (ПП) вошли в число синтетических пластиковых полимеров с самыми высокими темпами производства за последние несколько лет1,2 ,3. Применение пластмасс растет с ростом населения мира. Крупномасштабное производство пластика вызывает ряд глобальных проблем, включая неустойчивое производство, загрязнение окружающей среды и плохие процессы или механизмы переработки2. Управление пластиковыми отходами имеет важное значение для контроля загрязнения окружающей среды на приемлемом уровне. Пластиковые полимеры разлагаются десятилетиями и, таким образом, оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду. По имеющимся данным, пластиковые отходы являются третьим по величине производителем свалок в мире. Из-за значительного роста производства пластиковой упаковки производство пластика выросло с 1,5 миллиона метрических тонн в 1950 году до 359 миллионов метрических тонн в 2018 году и около 367 миллионов метрических тонн в 2020 году. Выбрасывается около 250 миллионов метрических тонн пластиковых отходов. выбрасываются на свалки и ежегодно выбрасываются непосредственно в атмосферу. Примерно 10 миллионов тонн открыто выбрасываются в океаны, и прогнозируемый ежегодный рост пластиковых отходов на 9–13% может вырасти к 2050 году3. Отходы пластмассы могут сбрасывать канцерогенные элементы и другие вредные соединения на свалки, загрязняя грунтовые воды. Эти токсичные вещества также снижают плодородие почвы. Морская экология также находится под угрозой из-за плавающего в океане пластикового мусора. Сжигание пластиковых отходов приводит к опасным выбросам, которые наносят серьезный ущерб окружающей среде при использовании в качестве прямого источника энергии4,5.

Переработка пластика является сложной задачей, поскольку устранение многих препятствий, связанных с загрязнением воды и другими факторами, будет очень дорогостоящим. Хотя переработка пластика могла бы свести к минимуму количество пластиковых отходов, необходимы более последовательные и удобные в обслуживании методы преобразования пластиковых отходов в жидкое масло, водородное газообразное топливо и УНТ5. Переработка пластиковых отходов стала серьезной проблемой, а пиролиз — это третичный химический процесс, который быстро превращает пластиковые отходы в углеродное и водородное топливо путем термического разрушения молекул длинноцепочечного полимера на более мелкие в бескислородной среде. Факторы продуктов пиролиза, такие как температура, тип катализатора, время пребывания, давление, тип реактора, размер частиц и псевдоожижающий газ, влияют на количество и качество продукта. Получить желаемые ценные предметы можно, регулируя ряд параметров. Например, максимальное количество жидкости образуется при пиролизе ПЭВД при 550 °С и ПЭТФ при 520 °С. Для получения желаемых продуктов при проектировании реактора необходимо тщательно учитывать смесь катализатора и пластика, тепловую конверсию и эффективность реакции. Биомасса и пластиковые отходы разлагаются с использованием реакторов периодического, непрерывного или полупериодического действия, конических фонтанирующих слоев, псевдоожиженных слоев и других подобных геометрических форм6.