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

हर साल, मानवता करोड़ों टन प्लास्टिक का उत्पादन करती है। हालांकि इस सामग्री का कुछ हिस्सा पुनर्चक्रण (रीसाइक्लिंग) धाराओं में मिल जाता है, लेकिन एक बड़ी मात्रा लैंडफिल में या पर्यावरण में बिखरी रहती है, जहाँ यह सदियों तक बनी रहती है। इस कचरे से निपटने का एक आशाजनक तरीका इसे वापस ईंधन में बदलना है। यह प्रक्रिया, जिसे पायरोलिसिस (pyrolysis) कहा जाता है, इसमें ऑक्सीजन के बिना एक सीलबंद कंटेनर में प्लास्टिक को गर्म किया जाता है। बिना ऑक्सीजन के जलने के कारण, प्लास्टिक धुआं और राख में नहीं बदलता; इसके बजाय, यह तरल हाइड्रोकार्बन में टूट जाता है जिसका उपयोग ईंधन तेल के रूप में किया जा सकता है, साथ ही कुछ गैस और ठोस अवशेष भी प्राप्त होते हैं। जबकि वैज्ञानिकों ने वर्षों तक प्रयोगशालाओं में छोटे स्तर पर इसका अध्ययन किया है, विकासशील क्षेत्रों के लिए पर्याप्त किफायती मशीन बनाना और इसे वास्तविक, गंदे सड़क कचरे के साथ परीक्षण करना एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है।

हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, नाइजीरिया और फिनलैंड के शोधकर्ताओं की एक टीम ने ऐसी ही एक मशीन बनाने और उसके प्रदर्शन को देखने का निर्णय लिया। उन्होंने एक पायलट-स्केल प्लांट डिजाइन और निर्मित किया जो एक बार में 35 किलोग्राम प्लास्टिक को संसाधित करने में सक्षम था। पूरी प्रणाली स्थानीय रूप से प्राप्त सामग्रियों से बनाई गई थी, जिसमें मुख्य कुकिंग पॉट के लिए गैल्वेनाइज्ड स्टील, गर्मी को रोकने के लिए मिट्टी और रेत के मिश्रण से ढका हुआ एक भट्टी (फर्नेस), और वाष्प को वापस तरल में ठंडा करने के लिए स्टेनलेस स्टील ट्यूबिंग से बना एक कंडेंसर शामिल था। शोधकर्ताओं ने ओवेरी, नाइजीरिया की सड़कों से एकत्र किए गए दो बहुत अलग प्रकार के प्लास्टिक कचरे का परीक्षण किया: पॉलिस्टायरीन (polystyrene), जो खाद्य कंटेनरों में उपयोग किया जाने वाला कठोर फोम है, और लो-डेंसिटी पॉलीइथाइलीन (low-density polyethylene), जो कैरी बैग के रूप में उपयोग किया जाने वाला लचीला प्लास्टिक है। उन्होंने प्लास्टिक को धोया या रासायनिक रूप से साफ नहीं किया; उन्होंने इसका उपयोग ठीक वैसा ही किया जैसा उन्हें मिला था, लेबल, स्याही और गंदगी के साथ, ताकि यह देखा जा सके कि वास्तविक दुनिया की स्थितियाँ परिणाम को कैसे प्रभावित करती हैं।

जब उन्होंने पॉलिस्टायरीन को गर्म किया, तो परिणाम आश्चर्यजनक रूप से कुशल थे। मशीन ने प्लास्टिक के वजन का 72 प्रतिशत तरल तेल में बदल दिया, और इस प्रक्रिया में कोई ठोस अवशेष पीछे नहीं बचा। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि पॉलिस्टायरीन गर्म होने पर अपने मूल निर्माण खंडों में खुद को खोलने (unzip) की प्रवृत्ति रखता है, जिससे यह लगभग पूरी तरह से वाष्प में बदल जाता है जिसे तरल के रूप में कैप्चर किया जा सकता है। हालांकि, टीम ने देखा कि सामग्री का एक बड़ा हिस्सा, लगभग 28 प्रतिशत, गैस या महीन धुंध के रूप में निकल गया जिसे कंडेंसर पकड़ नहीं सका। यह सुझाव देता है कि कंडेंसरिंग सिस्टम, पॉलिस्टायरीन के वाष्प में बदलने की गति से अभिभूत हो गया था। उत्पादित तेल गाढ़ा और गहरा था, जिसका घनत्व मानक डीजल ईंधन से अधिक था, और इसका फ्लैश पॉइंट 50 डिग्री सेल्सियस था, जो वाणिज्यिक डीजल के सुरक्षा न्यूनतम स्तर से थोड़ा कम है।

लचीले कैरी बैग, जिन्हें लो-डेंसिटी पॉलीइथाइलीन के रूप में जाना जाता है, के साथ अनुभव काफी अलग था। इस प्लास्टिक को तोड़ना बहुत कठिन है। शोधकर्ताओं को इसे विघटित करने के लिए अधिक समय तक गर्म करना पड़ा और अधिक ऊर्जा का उपयोग करना पड़ा। इस रन में, मशीन ने डाले गए प्लास्टिक की मात्रा के सापेक्ष कम तेल बनाया—केवल 56.9 प्रतिशत—और इसने 800 ग्राम वजन का महत्वपूर्ण ठोस, मोमी अवशेष छोड़ दिया। यह अवशेष इंगित करता है कि सभी प्लास्टिक श्रृंखलाएं पूरी तरह से नहीं टूट पाईं। हालांकि, इस प्लास्टिक से प्राप्त तेल हल्का और सल्फर की मात्रा में स्वच्छ था, हालांकि इसमें अभी भी साफ डीजल ईंधन की तुलना में अधिक सल्फर था। शोधकर्ताओं ने गणना की कि पॉलीइथाइलीन को तोड़ने के लिए पॉलिस्टायरीन की तुलना में लगभग 2.5 गुना अधिक ऊष्मा ऊर्जा की आवश्यकता थी, जो कैरी बैग में लंबी, शाखित श्रृंखलाओं की उच्च तापीय स्थिरता को दर्शाता है।

एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष तब सामने आया जब शोधकर्ताओं ने तेल की सल्फर सामग्री का विश्लेषण किया। पॉलिस्टायरीन से प्राप्त तेल में आश्चर्यजनक रूप से उच्च मात्रा में सल्फर था, जो प्लास्टिक में होने की तुलना में बहुत अधिक था। चूंकि प्लास्टिक पॉलिमर में कोई सल्फर नहीं होता है, शोधकर्ताओं ने इस संदूषण का पता अनधोंए सड़क कचरे से लगाया, जिसमें चिपचिपे लेबल, छपाई की स्याही और प्लास्टिक से जुड़ी अन्य सामग्रियां शामिल थीं। यह एक बड़ी बाधा को उजागर करता है: यदि प्लास्टिक को प्रसंस्करण से पहले छांटा और साफ नहीं किया जाता है, तो परिणामी ईंधन दूषित होगा और उसे आगे के उपचार की आवश्यकता होगी। पॉलीइथाइलीन से प्राप्त तेल में भी बढ़ा हुआ सल्फर था, लेकिन बहुत निचले स्तर पर, जो संभवतः प्लास्टिक के भीतर मौजूद एडिटिव्स या मिश्रित कचरे से आया था।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि प्लास्टिक कचरे को ईंधन में बदलने के लिए कम लागत वाला प्लांट बनाना तकनीकी रूप से व्यवहार्य है, भले ही इसमें सरल सामग्रियों और बिना छांटे गए फीडस्टॉक का उपयोग किया गया हो। मशीन ने सफलतापूर्वक तरल ईंधन का उत्पादन किया जो डीजल इंजनों के लिए विस्कोसिटी (श्यानता) आवश्यकताओं को पूरा करता है, जिसका अर्थ है कि यह ईंधन लाइनों के माध्यम से सही ढंग से प्रवाहित होता है। हालांकि, शोधकर्ताओं ने सुधार के स्पष्ट क्षेत्र पहचाने। कंडेंसर, जो वाष्प को ठंडा करता है, को पॉलिस्टायरीन से निकलने वाली तेजी से चलती गैसों को पकड़ने के लिए बड़ा या अधिक कुशल होना चाहिए। रिएक्टर स्वयं, जो गैल्वेनाइज्ड स्टील से बना है, उच्च तापमान पर लंबे समय तक उपयोग के लिए उपयुक्त नहीं है क्योंकि जिंक कोटिंग पिघल सकती है और धुआं छोड़ सकती है; भविष्य के संस्करणों में स्टेनलेस स्टील या कार्बन स्टील का उपयोग किया जाना चाहिए। इसके अलावा, तेल में उच्च सल्फर स्तर इस बात की पुष्टि करते हैं कि उच्च गुणवत्ता वाले ईंधन के उत्पादन के लिए मशीन में प्रवेश करने से पहले प्लास्टिक की छंटाई और सफाई आवश्यक है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि जबकि तकनीक काम करती है, अंतिम ईंधन की गुणवत्ता इस बात पर निर्भर करती है कि कचरे को कितनी सावधानी से तैयार किया गया है और मशीन को विभिन्न प्रकार के प्लास्टिक के विशिष्ट रसायन विज्ञान को संभालने के लिए कितनी अच्छी तरह से डिजाइन किया गया है।