Design, Construction and Performance Evaluation of a Low-Cost Pilot-Scale Semi-Batch Pyrolysis Plant for Converting Polystyrene and Low-Density Polyethylene Waste into Fuel Oil
تُثبت هذه الدراسة الجدوى التقنية لمحطة تجريبية من نوع التحلل الحراري بنظام الدفعات شبه المستمر، منخفضة التكلفة ومصنعة محلياً، لتحويل نفايات البوليسترين والبولي إيثيلين منخفض الكثافة إلى زيت وقود، حيث تسجل معايير تشغيلية محددة، وفروقات في العائد، وخصائص الوقود، مع تحديد المجالات الرئيسية لتحسين العملية.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تنتج البشرية كل عام مئات الملايين من الأطنان من البلاستيك. وبينما يجد جزء من هذه المواد طريقه إلى مسارات إعادة التدوير، ينتهي المطاف بكميات هائلة منها في مكبات النفايات أو منتشرة في البيئة، حيث تبقى لقرون. ومن الطرق الواعدة للتعامل مع هذه النفايات هو تحويلها مرة أخرى إلى وقود. وتتضمن هذه العملية، التي تسمى "التحلل الحراري"، تسخين البلاستيك في حاوية مغلقة بدون أكسجين. وبدون وجود الأكسجين للاحتراق، لا يتحول البلاستيك إلى دخان ورماد؛ بل يتفكك بدلاً من ذلك إلى هيدروكربونات سائلة يمكن استخدامها كزيت وقود، جنباً إلى جنب مع بعض الغاز والمخلفات الصلبة. وبينما درس العلماء هذا الأمر في مختبرات صغيرة لسنوات، فإن بناء آلة عاملة بتكلفة ميسورة للمناطق النامية واختبارها باستخدام نفايات الشوارع المتسخة والحقيقية يظل تحدياً كبيراً.
في دراسة حديثة، شرع فريق من الباحثين من نيجيريا وفنلندا في بناء مثل هذه الآلة ومعرفة كيفية أدائها. قاموا بتصميم وبناء محطة تجريبية قادرة على معالجة 3ert5 كيلوغرامات من البلاستيك في المرة الواحدة. تم بناء النظام بأكمله من مواد محلية المصدر، بما في ذلك الفولاذ المجلفن للوعاء الرئيسي للطهي، وفرن مبطن بمزيج من الطين والرمل للحفاظ على الحرارة، ومكثف مصنوع من أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ (ستانلس ستيل) لتبريد الأبخرة وإعادتها إلى حالة سائلة. اختبر الباحثون نوعين مختلفين تماماً من النفايات البلاستيكية التي جُمعت من شوارع مدينة أويري بنيجيريا: البوليسترين، وهو الرغوة الصلبة المستخدمة في حاويات الطعام، والبولي إيثيلين منخفض الكثافة، وهو البلاستيك المرن المستخدم في الأكياس. لم يقوموا بغسل أو تنظيف البلاستيك كيميائياً؛ بل استخدموه تماماً كما وجدوه، بما في ذلك الملصقات والأحبار والأوساخ، ليروا كيف ستؤثر ظروف العالم الحقيقي على النتيجة.
عندما قاموا بتسخين البوليسترين، كانت النتائج فعالة بشكل ملحوظ. فقد حولت الآلة 72 بالمائة من وزن البلاستيك إلى زيت سائل، ولم تترك العملية أي مخلفات صلبة خلفها. يحدث هذا لأن البوليسترين يميل إلى "فك نفسه" (unzip) إلى وحداته البنائية الأصلية عند تسخينه، متحولاً بالكامل تقريباً إلى بخار يمكن التقاطه كسائل. ومع ذلك، لاحظ الفريق أن جزءاً كبيراً من المادة، حوالي 28 بالمائة، تسرب على شكل غاز أو رذاذ دقيق لم يستطع المكثف التقاطه. وهذا يشير إلى أن نظام التبريد قد غمره سرعة تحول البوليسترين إلى بخار. كان الزيت الناتج كثيفاً وداكناً، بكثافة أعلى من وقود الديزل القياسي، وكانت نقطة وميضه 50 درجة مئوية، وهي أقل بقليل من الحد الأدنى للأمان للديزل التجاري.
كانت التجربة مع الأكيان المرنة، المعروفة باسم البولي إيثيلين منخفض الكثافة، مختلفة تماماً. فهذا النوع من البلاستيك أصعب بكثير في التفكيك. اضطر الباحثون إلى تسخينه لفترة أطول واستخدام طاقة أكبر لجعله يتحلل. وفي هذه التجربة، أنتجت الآلة زيتاً أقل بالنسبة لكمية البلاستيك الموضوعة فيها — 56.9 بالمائة فقط — وتركت وراءها كمية كبيرة من المخلفات الصلبة الشمعية تزن 800 جرام. تشير هذه المخلفات إلى أن السلاسل البلاستيكية لم تتفكك بالكامل. ومع ذلك، كان الزيت الناتج من هذا البلاستيك أخف وأنظف من حيث محتوى الكبريت، رغم أنه لا يزال يحتوي على كبريت أكثر من وقود الديزل النقي. وحسب الباحثون أن تفكيك البولي إيثيلين تطلب طاقة حرارية تبلغ حوالي 2.5 ضعف الطاقة المطلقة للبوليسترين، مما يعكس الاستقرار الحراري الأكبر للسلاسل الطويلة والمتفرعة في الأكيان.
ظهرت نتيجة حاسمة عندما حلل الباحثون محتوى الكبريت في الزيوت. احتوى الزيت المستخرج من البوليسترين على كمية عالية بشكل مفاجئ من الكبريت، وهي أكثر بكثير مما ينبغي أن يحتويه البلاستيك نفسه. وقد تتبع الباحثون هذا التلوث إلى النفايات غير المغسولة من الشوارع، والتي شملت الملصقات اللاصقة، وأحبار الطباعة، والمواد الأخرى الملتصقة بالبلاستيك. يسلط هذا الضوء على عقبة رئيسية: إذا لم يتم فرز وتنظيف البلاستيك قبل المعالجة، فإن الوقود الناتج سيكون ملوثاً وسيتطلب معالجة إضافية. كما احتوى الزيت الناتج عن البولي إيثيلين أيضاً على مستويات مرتفعة من الكبريت، ولكن بمستوى أقل بكثير، ومن المرجح أن يكون مصدره الإضافات داخل البلاستيك أو النفايات المختلطة به.
تخلص الدراسة إلى أن بناء محطة منخفضة التكلفة لتحويل النفايات البلاستيكية إلى وقود هو أمر ممكن تقنياً، حتى باستخدام مواد بسيطة ومواد خام غير مفروزة. نجحت الآلة في إنتاج وقود سائل استوفى متطلبات اللزوجة لمحركات الديزل، مما يعني أنه يتدفق بشكل صحيح عبر خطوط الوقود. ومع ذلك، حدد الباحثون مجالات واضحة للتحسين. فالمكثف، الذي يبرد الأبخرة، يحتاج إلى أن يكون أكبر أو أكثر كفاءة لالتقاط الغازات سريعة الحركة الناتجة عن البوليسترين. أما المفاعل نفسه، المصنوع من الفولاذ المجلفن، فهو غير مناسب للاستخدام طويل الأمد في درجات الحرارة العالية لأن طلاء الزنك يمكن أن ينصهر ويطلق أبخرة؛ لذا يجب أن تستخدم النسخ المستقبلية الفولاذ المقاوم للصدأ أو الفولاذ الكربوني. علاوة على ذلك، فإن مستويات الكبريت العالية في الزيت تؤكد أن فرز وغسل البلاستيك قبل دخوله إلى الآلة أمر ضروري لإنتاج وقود عالي الجودة. يوضح هذا العمل أنه بينما تنجح التكنولوجيا، فإن جودة الوقود النهائي تعتمد بشكل كبير على مدى دقة تحضير النفايات ومدى جودة تصميم الآلة للتعامل مع الكيمياء المحددة لأنواع البلاستيك المختلفة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.