Retrofitting Steam Cracking for Circular Olefins from Plastics-waste Naphtha

द ग्रेट प्लास्टिक पज़ल: कचरे से खजाने तक

कल्पना कीजिए कि रासायनिक उद्योग एक विशाल, प्राचीन रसोईघर है। दशकों से, इस रसोई ने कच्चे तेल का उपयोग करके दुनिया के प्लास्टिक, ईंधन और फाइबर तैयार किए हैं, जो मूल रूप से जीवाश्म रूप में संरक्षित प्राचीन जीवन है। लेकिन दुनिया के पास यह जीवाश्म ईंधन खत्म हो रहा है, और हमारे द्वारा बनाए गए प्लास्टिक कचरे के पहाड़ जमा होते जा रहे हैं, जो लैंडफिल और महासागरों को अवरुद्ध कर रहे हैं। वैज्ञानिक अब एक बड़ा सवाल पूछ रहे हैं: क्या हम प्लास्टिक कचरे के उस पहाड़ को वापस उन कच्चे माल में बदल सकते हैं जिसकी आवश्यकता नए रसायन बनाने के लिए होती है?

इसे करने के लिए, हमें कुछ प्रमुख विचारों को समझने की आवश्यकता है। पहला, स्टीम क्रैकिंग (steam cracking) है, जो रासायनिक दुनिया का "ओवन" है। यह एक ऐसी प्रक्रिया है जहाँ आप कच्चे माल पर अत्यधिक गर्म भाप का प्रहार करते हैं ताकि उन्हें छोटे, उपयोगी निर्माण खंडों में तोड़ा जा सके जिन्हें ओलेफिन (olefins) (जैसे एथिलीन और प्रोपलीन) कहा जाता है, जो नए प्लास्टिक बनाने के लिए लेगो (Lego) ईंटों की तरह काम करते हैं। दूसरा, नैफ्था (naphtha) है, एक तरल ईंधन जो आमतौर पर तेल रिफाइनरियों से आता है और इस ओवन के लिए मानक "आटे" के रूप में कार्य करता है। अंत में, हाइड्रोक्रैकिंग (hydrocracking) है, एक विधि जो हाइड्रोजन और विशेष उत्प्रेरकों (catalysts) का उपयोग करके लंबी प्लास्टिक श्रृंखलाओं को छोटे, तेल जैसे तरल पदार्थों में काट देती है जो काफी हद तक नैफ्था की तरह दिखते हैं। सबसे बड़ी चुनौती यह पता लगाना है कि क्या हम इस "प्लास्टिक-निर्मित नैफ्था" को मौजूदा औद्योगिक ओवनों में बिना उन्हें खराब किए या पैसा गंवाए डाल सकते हैं।

कचरे से खजाना बनाना: रेट्रोफिट रेसिपी

यह शोध पत्र, जिसका नेतृत्व डेलावेयर विश्वविद्यालय और सऊदी बेसिक इंडस्ट्रीज कॉर्पोरेशन के शोधकर्ताओं ने किया है, इस प्रश्न का समाधान करता है कि क्या हम इस "प्लास्टिक-निर्मित नैफ्था" को ले सकते हैं और इसे आज के विशाल स्टीम क्रैकर्स में डाल सकते हैं जो पहले से मौजूद हैं। नए कारखाने शून्य से बनाने के बजाय (जो महंगा और धीमा है), टीम ने पूछा: क्या हम मौजूदा कारखानों में थोड़ा बदलाव कर सकते हैं? वे इसे "रेट्रोफिटिंग" (retrofitting) कहते हैं।

इसे एक परिवार की तरह समझें जो अपनी पुरानी रसोई में एक नया, प्रयोगात्मक सूप बनाने की कोशिश कर रहा है। उनके पास एक विशाल बर्तन (स्टीम क्रैकर) है जिसका उपयोग दशकों से पारंपरिक सब्जियों (तेल-आधारित नैफ्था) से सूप बनाने के लिए किया गया है। अब, वे एक नया घटक जोड़ना चाहते हैं: पुनर्चक्रित (recycled) प्लास्टिक से बना एक प्यूरी। डर यह है कि यह नई प्यूरी बहुत गाढ़ी, बहुत पतली, या बस अजीब स्वाद वाली हो सकती है, जिससे सूप जल सकता है या बर्तन टूट सकता है।

शोधकर्ताओं ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए कंप्यूटर सिमुलेशन के एक शक्तिशाली संयोजन का उपयोग किया। उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने एक वास्तविक रासायनिक संयंत्र का डिजिटल जुड़वां (digital twin) बनाया। उन्होंने माइक्रोकाइनेटिक मॉडलिंग (microkinetic modeling) (एक अत्यंत विस्तृत रेसिपी बुक जो भविष्यवाणी करती है कि अणु कैसे टूटते हैं) का उपयोग किया ताकि यह देखा जा सके कि जब प्लास्टिक-व्युत्पन्न नैफ्था गर्मी के संपर्क में आता है तो क्या होता है। फिर, उन्होंने टेक्नो-इकोनॉमिक एनालिसिस (techno-economic analysis) (एक फैंसी लागत-लाभ स्प्रेडशीट का तरीका) चलाया ताकि यह देखा जा सके कि क्या नया सूप वास्तव में पैसा बचाएगा या बहुत अधिक खर्च कराएगा।

आश्चर्यजनक निष्कर्ष: यह केवल कीमत के बारे में नहीं है

टीम ने पाया कि मौजूदा ओवन में सीधे प्लास्टिक नैफ्था डालना सबसे अच्छा कदम नहीं है। क्योंकि प्लास्टिक लगभग पूरी तरह से सीधी श्रृंखलाओं (पैराफिन) से बना है जबकि तेल नैफ्था में विभिन्न आकारों का मिश्रण होता है, इसलिए वे गर्मी के तहत अलग तरह से व्यवहार करते हैं। यदि आप उन्हें एक ही बर्तन में मिलाते हैं, तो परिणाम ठीक होते हैं, लेकिन अद्भुत नहीं।

हालाँकि, शोध पत्र एक "सर्वश्रेष्ठ-मामला परिदृश्य" (best-case scenario) का सुझाव देता है जो खेल बदल देता है। कल्पना कीजिए कि आप रसोई में प्लास्टिक नैफ्था को उसका अपना विशेष बर्नर दे रहे हैं, जिसे थोड़े उच्च तापमान और तेज़ खाना पकाने के समय पर सेट किया गया है। जब शोधकर्ताओं ने इस समर्पित भट्टी (dedicated furnace) दृष्टिकोण का अनुकरण किया, तो परिणाम प्रभावशाली थे। प्लास्टिक नैफ्था पारंपरिक तेल नैफ्था की तुलना में और भी अधिक मूल्यवान निर्माण खंडों (एथिलीन और प्रोपलीन) में टूट गया।

लेकिन यहाँ एक पेच है: प्लास्टिक से नैफ्था बनाना वर्तमान में तेल नैफ्था खरीदने की तुलना में अधिक महंगा है। शोध पत्र दिखाता है कि इसके सफल होने के लिए, प्लास्टिक कचरे को उन जगहों से एकत्र किया जाना चाहिए जहाँ इसे इकट्ठा करना आसान और सस्ता हो—विशेष रूप से, घनी आबादी वाले शहर। शोधकर्ताओं ने जनसंख्या घनत्व का उपयोग यह समझने के लिए किया कि प्लास्टिक को इकट्ठा करना कितना आसान है। न्यू जर्सी या न्यूयॉर्क जैसे शहरों में, जहाँ लोग पास-पास रहते हैं, प्लास्टिक को इकट्ठा करने और छाँटने की लागत कम होती है। दूरदराज के क्षेत्रों में, यह बहुत महंगा है।

सिमुलेशन ने एक "स्वीट स्पॉट" (sweet spot) का खुलासा किया। यदि आप व्यस्त शहर से प्लास्टिक प्राप्त करते हैं और उसे एक समर्पित, उच्च-तापमान वाली भट्टी में डालते हैं, तो आप अंतिम प्लास्टिक निर्माण खंडों की लागत को पारंपरिक तेल की तुलना में लगभग $100 प्रति टन (लगभग 7.2% की गिरावट) कम कर सकते हैं। इसका मतलब है कि प्लास्टिक-से-रसायन मार्ग लाभदायक हो सकता है, भले ही प्लास्टिक नैफ्था तेल नैफ्था की तुलना में अधिक महंगा हो, जब तक कि संग्रह लॉजिस्टिक्स कुशल हों।

पूर्ण रेसिपी: यह संतुलन के बारे में है

अध्ययन के सबसे चंचल और चतुर हिस्सों में से एक में एक्टिव लर्निंग (active learning) तकनीक का उपयोग करना शामिल था। कल्पना कीजिए कि आप एक शेफ हैं जो अपने सूप के लिए सही मसाला मिश्रण खोजने की कोशिश कर रहे हैं। दुनिया के हर संयोजन को चखने के बजाय, आप एक स्मार्ट एल्गोरिदम का उपयोग करते हैं जो यह अनुमान लगाता है कि कौन से मिश्रण चखने लायक हैं। शोधकर्ताओं ने प्लास्टिक नैफ्था के आदर्श "आकार" को खोजने के लिए इसका उपयोग किया।

उन्होंने पाया कि सबसे अच्छा प्लास्टिक नैफ्था वह नहीं है जो सबसे अधिक निर्माण खंड बनाता है। इसके बजाय, विजेता वह मिश्रण है जो एक संतुलन बनाता है। इसे अच्छे ओलेफिन बनाने के लिए पर्याप्त हल्का होना चाहिए, लेकिन इतना भारी भी होना चाहिए कि यह मूल्यवान उप-उत्पादों जैसे BTX (बेंजीन, टोल्यूनि और ज़ाइलीन, जिनका उपयोग अन्य रसायनों के लिए किया जाता है) और ईंधन गैस का भी उत्पादन कर सके। सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि कार्बन श्रृंखला की लंबाई का एक विशिष्ट मिश्रण—जो औसत कार्बन संख्या 11 के आसपास केंद्रित है और जिसमें थोड़ी विविधता है—सबसे अधिक पैसा कमाता है। यह "संतुलित" मिश्रण कम "कोक (coke)" (एक चिपचिपा, तार जैसा कचरा जो ओवन को जाम कर देता है) भी पैदा करता है, जिसका अर्थ है कि फैक्ट्री को सफाई के लिए बंद करने की आवश्यकता के बिना लंबे समय तक चलाया जा सकता है।

भविष्य के लिए इसका क्या अर्थ है

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि मौजूदा कारखानों को बदलना (retrofitting) सबसे समझदारी भरा रास्ता है। केवल प्लास्टिक कचरे के लिए एक नया कारखाना बनाना सैकड़ों मिलियन अधिक खर्च करेगा और इसे चुकाने में दशकों लग जाएंगे। जो हमारे पास पहले से है उसमें थोड़ा बदलाव करके, हम आज ही "सर्कुलर" प्लास्टिक बनाना शुरू कर सकते हैं।

हालाँकि, लेखक इसे एक हल की गई समस्या नहीं बताते हैं। वे बताते हैं कि उनके नंबर सिमुलेशन और इस बारे में विशिष्ट धारणाओं पर आधारित हैं कि भीड़भाड़ वाले शहरों में प्लास्टिक इकट्ठा करना कितना सस्ता है। वास्तविक दुनिया में, परिवहन लागत, प्लास्टिक के बंडलों की गुणवत्ता और अशुद्धियों (जैसे क्लोरीन या धातु) की उपस्थिति गणित को बदल सकती है। वे सुझाव देते हैं कि इन रेट्रोफिट्स को बनाने से पहले, हमें यह सुनिश्चित करना होगा कि प्लास्टिक को इतनी अच्छी तरह से छाँटा जाए कि हमारे नए "ओवन" खुश रहें।

अंततः, यह शोध एक आशाजनक रोडमैप प्रदान करता है। यह सुझाव देता है कि हमें हमारे प्लास्टिक की समस्या को ठीक करने के लिए किसी चमत्कारिक तकनीक की प्रतीक्षा करने की आवश्यकता नहीं है। हमें बस अपने मौजूदा औद्योगिक दिग्गजों को खिलाने के तरीके के बारे में थोड़ा अधिक स्मार्ट होने की आवश्यकता है, हमारे शहरों के कचरे को हमारे भविष्य के ईंधन में बदलने के लिए, एक समय में एक रेट्रोफिटेड भट्टी के साथ।