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

Jedes Jahr produziert die Menschheit hunderte Millionen Tonnen Kunststoff. Während ein Teil dieses Materials in Recyclingströme gelangt, landet eine gewaltige Menge auf Deponien oder verteilt sich in der Umwelt, wo sie Jahrhunderte lang bestehen bleibt. Ein vielversprechender Weg, mit diesem Abfall umzugehen, besteht darin, ihn wieder in Kraftstoff umzuwandeln. Dieser Prozess, genannt Pyrolyse, beinhaltet das Erhitzen von Kunststoff in einem geschlossenen Behälter ohne Sauerstoff. Ohne Sauerstoff, um zu verbrennen, verwandelt sich der Kunststoff nicht in Rauch und Asche; stattdin zerfällt er in flüssige Kohlenwasserstoffe, die als Brennöl verwendet werden können, zusammen mit etwas Gas und festen Rückständen. Während Wissenschaftler dies seit Jahren in kleinen Laborumgebungen untersucht haben, bleibt der Bau einer funktionierenden Maschine, die erschwinglich genug für Entwicklungsregionen ist, sowie deren Testung mit echtem, schmutzigem Straßenabfall eine bedeutende Herausforderung.

In einer kürzlich durchgeführten Studie unternahm ein Team von Forschern aus Nigeria und Finnland den Versuch, eine solche Maschine zu bauen und zu sehen, wie sie abschneidet. Sie entwarfen und konstruierten eine Pilotanlage, die in der Lage ist, 3ersmal 35 Kilogramm Kunststoff auf einmal zu verarbeiten. Das gesamte System wurde aus lokal bezogenen Materialien gebaut, darunter verzinkter Stahl für den Hauptkochtopf, ein Ofen, der mit einer Mischung aus Ton und Sand ausgekleidet ist, um die Hitze zu halten, und ein Kondensator aus Edelstahlrohren, um die Dämpfe wieder zu Flüssigkeit abzukühlen. Die Forscher testeten zwei sehr unterschiedliche Arten von Kunststoffabfällen, die aus den Straßen von Owerri, Nigeria, gesammelt wurden: Polystyrol, der starre Schaumstoff, der für Lebensmittelbehälter verwendet wird, und Polyethylen niedriger Dichte, der flexible Kunststoff, der für Tragebeutel verwendet wird. Sie wuschen oder reinigten den Kunststoff chemisch nicht; sie verwendeten ihn genau so, wie sie ihn fanden, inklusive Etiketten, Tinten und Schmutz, um zu sehen, wie sich reale Bedingungen auf das Ergebnis auswirken würden.

Als sie das Polystyrol erhitzten, waren die Ergebnisse erstaunlich effizient. Die Maschine wandelte 72 Prozent des Kunststoffgewichts in flüssiges Öl um, und der Prozess hinterließ keine festen Rückstände. Dies geschieht, weil Polystyrol dazu neigt, sich beim Erhitzen selbst in seine ursprünglichen Bausteine zu „ententfesseln“ (unzip), wodurch es fast vollständig in Dampf übergeht, der als Flüssigkeit aufgefangen werden kann. Das Team stellte jedoch fest, dass ein großer Teil des Materials, etwa 28 Prozent, als Gas oder feiner Nebel entwich, den der Kondensator nicht auffangen konnte. Dies deutet darauf hin, dass das Kühlsystem durch die Geschwindigkeit, mit der das Polystyrol in Dampf überging, überfordert war. Das produzierte Öl war dickflüssig und dunkel, mit einer Dichte, die höher als die von Standard-Dieselkraftstoff ist, und es hatte einen Flammpunkt von 50 Grad Celsius, was nur knapp unter dem Sicherheitsminimum für kommerziellen Diesel liegt.

Die Erfahrung mit den flexiblen Tragebeuteln, bekannt als Polyethylen niedriger Dichte, war ganz anders. Dieser Kunststoff ist viel schwerer aufzubrechen. Die Forscher mussten ihn länger erhitzen und mehr Energie aufwenden, um ihn zu zersetzen. In diesem Durchgang produzierte die Maschine weniger Öl im Verhältnis zur Menge des eingesetzten Kunststoffs – nur 56,9 Prozent – und hinterließ eine signifikante Menge an festem, wachsartigem Rückstand mit einem Gewicht von 800 Gramm. Dieser Rückstand deutet darauf hin, dass nicht alle Kunststoffketten vollständig zerfallen sind. Das Öl aus diesem Kunststoff war jedoch leichter und sauberer in Bezug auf den Schwefelgehalt, obwohl es immer noch mehr Schwefel enthielt als sauberer Dieselkraftstoff. Die Forscher berechneten, dass die Zersetzung des Polyethylens etwa 2,5-mal mehr thermische Energie erforderte als das Polystyrol, was die größere thermische Stabilität der langen, verzweigten Ketten in den Tragebeuteln widerspiegelt.

Eine entscheidende Erkenntnis ergab sich, als die Forscher den Schwefelgehalt der Öle analysierten. Das Öl aus dem Polystyrol enthielt eine überraschend hohe Menge an Schwefel, weit mehr, als der Kunststoff selbst enthalten sollte. Da das Kunststoffpolymer keinen Schwefel enthält, führten die Forscher diese Kontamination auf den ungewaschenen Straßenabfall zurück, der Klebeetiketten, Druckfarben und andere am Kunststoff haftende Materialien beinhaltete. Dies verdeutlicht eine große Hürde: Wenn der Kunststoff vor der Verarbeitung nicht sortiert und gereinigt wird, wird der resultierende Kraftstoff kontaminiert sein und eine weitere Behandlung erfordern. Das Öl aus dem Polyethylen wies ebenfalls einen erhöhten Schwefelgehalt auf, jedoch auf einem deutlich niedrigeren Niveau, was wahrscheinlich auf Additive innerhalb des Kunststoffs oder gemischten Abfall zurückzuführen ist.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass der Bau einer kostengünstigen Anlage zur Umwandlung von Kunststoffabfällen in Kraftstoff technisch machbar ist, selbst mit einfachen Materialien und unsortiertem Ausgangsmaterial. Die Maschine produzierte erfolgreich flüssigen Kraftstoff, der die Viskositätsanforderungen für Dieselmotoren erfüllte, was bedeutet, dass er korrekt durch die Kraftstoffleitungen fließt. Die Forscher identifizierten jedoch klare Verbesserungsbereiche. Der Kondensator, der die Dämpfe kühlt, muss größer oder effizienter sein, um die schnell bewegenden Gase aus Polystyrol aufzufangen. Der Reaktor selbst, der aus verzinktem Stahl gefertigt ist, ist für den langfristigen Einsatz bei hohen Temperaturen nicht geeignet, da die Zinkbeschichtung schmelzen und Dämpfe freisetzen kann; zukünftige Versionen sollten Edelstahl oder Kohlenstoffstahl verwenden. Darüber hinaus bestätigen die hohen Schwefelwerte im Öl, dass das Sortieren und Waschen des Kunststoffs vor der Einfuhr in die Maschine essenziell ist, um einen hochwertigen Kraftstoff zu erzeugen. Die Arbeit zeigt, dass die Technologie zwar funktioniert, die Qualität des fertigen Kraftstoffs jedoch stark davon abhängt, wie sorgfältig der Abfall vorbereitet wird und wie gut die Maschine auf die spezifische Chemie der verschiedenen Kunststoffe ausgelegt ist.