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

Ogni anno, l'umanità produce centinaia di milioni di tonnellate di plastica. Sebbene una parte di questo materiale finisca nei flussi di riciclaggio, una vasta quantità approda in discarica o si disperde nell'ambiente, dove persiste per secoli. Un modo promettente per gestire questo rifiuto è trasformarlo nuovamente in combustibile. Questo processo, chiamato pirolisi, consiste nel riscaldare la plastica in un contenitore sigillato senza ossigeno. Senza ossigeno per bruciare, la plastica non si trasforma in fumo e cenere; al contrario, si decompone in idrocarburi liquidi che possono essere utilizzati come olio combustibile, insieme ad alcuni gas e residui solidi. Sebbene gli scienziati abbiano studiato questo fenomeno in piccoli contesti di laboratorio per anni, costruire una macchina funzionante che sia abbastanza economica per le regioni in via di sviluppo e testarla con veri rifiuti stradali sporchi rimane una sfida significativa.

In uno studio recente, un team di ricercatori provenienti dalla Nigeria e dalla Finlandia si è posto l'obiettivo di costruire una macchina del genere e vedere come si fosse comportata. Hanno progettato e costruito un impianto su scala pilota capace di processare 35 chilogrammi di plastica alla volta. L'intero sistema è stato costruito con materiali reperiti localmente, tra cui acciaio zincato per il contenitore principale per la cottura, un forno rivestito con una miscela di argilla e sabbia per trattenere il calore, e un condensatore realizzato in tubi di acciaio inossidabile per raffreddare i vapori e riportarli allo stato liquido. I ricercatori hanno testato due tipi molto diversi di rifiuti plastici raccolti dalle strade di Owerri, in Nigeria: il polistirene, la schiuma rigida utilizzata per i contenitori alimentari, e il polietilene a bassa densità, la plastica flessibile utilizzata per i sacchetti della spesa. Non hanno lavato né pulito chimicamente la plastica; l'hanno utilizzata esattamente come l'hanno trovata, completa di etichette, inchiostri e sporco, per vedere come le condizioni del mondo reale avrebbero influenzato il risultato.

Quando hanno riscaldato il polistirene, i risultati sono stati sorprendentemente efficienti. La macchina ha convertito il 72 percento del peso della plastica in olio liquido, e il processo non ha lasciato alcun residuo solido. Ciò accade perché il polistirene tende a "scomporre se stesso" nei suoi componenti originali quando riscaldato, trasformandosi quasi interamente in vapore che può essere catturato come liquido. Tuttavia, il team ha notato che una grande porzione del materiale, circa il 28 percento, è sfuggita sotto forma di gas o nebbia fine che il condensatore non è riuscito a catturare. Questo suggerisce che il sistema di raffreddamento sia stato sopraffatto dalla velocità con cui il polistirene si è trasformato in vapore. L'olio prodotto era denso e scuro, con una densità superiore a quella del diesel standard, e aveva un punto di infiammabilità di 50 gradi Celsius, appena al di sotto del minimo di sicurezza per il diesel commerciale.

L'esperienza con i sacchetti flessibili, noti come polietilene a bassa densità, è stata molto diversa. Questa plastica è molto più difficile da scomporre. I ricercatori hanno dovuto riscaldarla più a lungo e utilizzare più energia per farla decomporre. In questa sessione, la macchina ha prodotto meno olio rispetto alla quantità di plastica inserita — solo il 56,9 percento — e ha lasciato dietro di sé una quantità significativa di residuo solido e ceroso di 800 grammi. Questo residuo indica che non tutte le catene plastiche si sono spezzate completamente. Tuttavia, l'olio proveniente da questa plastica era più leggero e più pulito in termini di contenuto di zolfo, sebbene contenesse comunque più zolfo del diesel pulito. I ricercatori hanno calcolato che la decomposizione del polietilene ha richiesto circa 2,5 volte più energia termica rispetto al polistirene, riflettendo la maggiore stabilità termica delle lunghe catene ramificate dei sacchetti.

Un risultato critico è emerso quando i ricercatori hanno analizzato il contenuto di zolfo degli oli. L'olio dal polistirene conteneva una quantità sorprendentemente alta di zolfo, molto più di quanto la plastica stessa dovrebbe avere. Poiché il polimero plastico non contiene zolfo, i ricercatori hanno attribuito questa contaminazione ai rifiuti stradali non lavati, che includevano etichette adesive, inchiostri da stampa e altri materiali attaccati alla plastica. Ciò evidenzia un ostacolo importante: se la plastica non viene selezionata e pulita prima della lavorazione, il combustibile risultante sarà contaminato e richiederà ulteriori trattamenti. L'olio dal polietilene presentava anch'esso livelli elevati di zolfo, ma a un livello molto più basso, probabilmente derivante da additivi all'interno della plastica o da rifiuti mescolati.

Lo studio conclude che costruire un impianto a basso costo per trasformare i rifiuti plastici in combustibile è tecnicamente fattibile, anche con materiali semplici e materie prime non selezionate. La macchina ha prodotto con successo un combustibile liquido che soddisfa i requisoli di viscosità per i motori diesel, il che significa che scorre correttamente attraverso le linee del carburante. Tuttavia, i ricercatori hanno identificato chiare aree di miglioramento. Il condensatore, che raffredda i vapori, deve essere più grande o più efficiente per catturare i gas che si muovono rapidamente dal polistirene. Il reattore stesso, realizzato in acciaio zincato, non è adatto all'uso a lungo termine ad alte temperature perché il rivestimento di zinco può fondersi e rilasciare vapori; le versioni future dovrebbero utilizzare acciaio inossidabile o acciaio al carbonio. Inoltre, l'alto livello di zolfo nell'olio conferma che la selezione e il lavaggio della plastica prima che entri nella macchina sono essenziali per produrre un combustibile di alta qualità. Il lavoro dimostra che, sebbene la tecnologia funzioni, la qualità del combustibile finale dipende fortemente da quanto accuratamente viene preparato il rifiuto e da quanto bene la macchina è progettata per gestire la specifica chimica di diverse plastiche.