Retrofitting Steam Cracking for Circular Olefins from Plastics-waste Naphtha

大いなるプラスチックのパズル：ゴミから宝物へ

化学産業を、巨大で古くからあるキッチンだと想像してみてください。何十年もの間、このキッチンは、基本的には化石化した古代の生命である「原油」という特定の材料を使って、世界のプラスチック、燃料、繊維を調理してきました。しかし、世界はこの化石燃料を使い果たしつつあり、私たちが作り出したプラスチックごみの山は、埋め立て地や海を塞ぎながら積み上がっています。現在、科学者たちは大きな問いを投げかけています。「あのプラスチックごみの山を、新しい化学品を作るために必要な原材料へと、再び戻すことはできるのだろうか？」と。

これを行うには、いくつかの鍵となる概念を理解する必要があります。第一に、化学の世界における「オーブン」であるスチームクラッキング（蒸気分解）です。これは、原料に超高温のスチームを浴ラスけてバラバラにし、「オレフィン」（エチレンやプロピレンなど）と呼ばれる、新しいプラスチックを作るためのレゴブロックのような、有用な小さな構成要素に分解するプロセスです。第二に、通常は石油精製所から供給され、このオーブンの標準的な「小麦粉」として機能する液体燃料であるナフサがあります。最後に、水素と特殊な触媒を使用して、長いプラスチックの鎖を、ナフサによく似た油状の液体へと細かく切り刻む手法である**ハイドロクラッキング（水素化分解）**です。大きな課題は、既存の産業用オーブンを壊したり、利益を損なったりすることなく、この「プラスチック由来のナフサ」を入れ替えることができるかどうかを見極めることです。

宝物へのリフィット・レシピ

デラウェア大学とサウジ・ベーシック・インダストリーズ・コーポレーションの研究者たちによるこの論文は、この「プラスチック由来のナフサ」を、今日存在する巨大なスチームクラッカーに投入できるかどうかという問題に取り組んでいます。ゼロから新しい工場を建設するのは（非常に高価で時間がかかるため）、その代わりに、既存のものを少し調整（チューニング）することはできるのか？ 彼らはこれを「レトロフィット（後付け改修）」と呼んでいます。

これは、家族が古いキッチンで新しい実験的なスープを作ろうとしている様子に似ています。彼らには、伝統的な野菜（石油由来のナフサ）からスープを作るために何十年も使われてきた巨大な鍋（スチームクラッカー）があります。今、彼らは新しい材料、つまりリサイクルプラスチックから作ったピューレを加えようとしています。心配なのは、この新しいピューレが、ドロドロすぎたり、サラサラすぎたり、あるいは味が変だったりして、スープを焦がしたり、鍋をひび割れさせたりしないかということです。

研究者たちは、このアイデアをテストするために、強力なコンピュータ・シミュレーションの組み合わせを使用しました。彼らは単に推測したのではなく、実際の化学プラントの「デジタルツイン」を構築しました。プラスチック由来のナフサが熱に触れたときに何が起こるかを予測するために、マイクロキネティック・モデリング（分子がどのように分解するかを正確に予測する超詳細なレシピ本）を使用しました。そして、その新しいスープが実際に利益を生むのか、それとも莫大な費用がかかるのかを確認するために、テクノ・エコノミック・アナリシス（技術経済性分析）（高度な費用便益計算スプレッドシート）を実行しました。

驚くべき発見：価格だけの問題ではない

チームは、古いオーブンに単にプラスチック・ナフサを投げ込むだけでは最善の策ではないことを発見しました。プラスチックはほぼ完全に直鎖状の構造（パラフィン）でできているのに対し、石油ナフサは様々な形状の混合物であるため、熱に対する挙動が異なるからです。これらを同じ鍋の中で混ぜ合わせても、結果はまずまずではありますが、素晴らしいものではありませんでした。

しかし、この論文はゲームチェンジャーとなる「ベストケース・シナリオ」を提案しています。想像してみてください、キッチンにある専用のバーナーに、プラスチック・ナフサを与え、温度を少し高く設定し、調理時間を短縮したとします。研究者がこの**専用炉（デディケイテッド・ファーネス）**のアプローチをシミュレートしたところ、結果は目覚ましいものでした。プラスチック・ナフサは、従来の石油ナフサよりも、さらに多くの価値ある構成要素（エチレンやプロピレン）へと分解されたのです。

しかし、ここには落とし穴があります。プラスチックからナフサを作るコストは、現在、石油ナフサを購入するよりも高価です。この論文は、これがうまく機能するためには、プラスチックが収集しやすい、つまり安価に集められる場所、具体的には人口密度の高い都市から調達される必要があることを示しています。研究者たちは、プラスチックの回収の容易さの代用指標として人口密度を使用しました。ニュージャージー州やニューヨーク州のように人々が密集して住んでいる都市では、プラスチックの収集・選別コストが低くなります。一方で、人里離れた地域では、コストが高くなりすぎます。

シミュレーションにより「スイートスポット」が明らかになりました。もし、都市部からプラスチックを調達し、それを専用の高温度炉に投入すれば、最終的なプラスチック構成要素のコストを、従来の石油を使用する場合と比較して約100ドル/トン（約7.2%の低下）下げることができます。これは、たとえプラスチック・ナフサが石油ナフサよりも高価であっても、収集のロジスティクスが効率的であれば、プラスチック・ツー・ケミカル（プラスチックから化学品へ）のルートが収益化できる可能性があることを意味しています。

完璧なレシピ：すべてはバランスである

この研究の中で最も遊び心があり、かつ巧妙な部分の一つは、アクティブ・ラーニングと呼ばれる手法を用いたことです。想像してみてください、あなたはスープに最適なスパイスの配合を見つけようとしているシェフです。世界中のあらゆる組み合わせを一つずつ試す代わりに、スマートなアルゴリズムを使って、どの配合を試す価値があるかを推測します。研究者たちはこれを用いて、プラスチック・ナフサの理想的な「形」を見つけ出しました。

彼らは、最も多くの構成要素を作るのが最高のプラスチック・ナフサなのではない、ということを発見しました。代わりに、勝者はバランスを取ることができる配合です。それは、優れたオレフィンを作るのに十分軽く、かつ、他の化学品に使われる貴重な副産物であるBTX（ベンゼン、トルエン、キシレン）や燃料ガスも生産できる程度に重くなければなりません。シミュレーションによれば、平均炭素数が11を中心とした特定の炭素鎖の長さの混合物（多少のバリエーションを含む）が、最も利益を生み出すことが示唆されました。この「バランスの取れた」混合物は、「コーク（粘着性のあるタール状の汚れ）」の発生も抑えるため、工場は停止して清掃する必要がなくなり、より長く稼働させることができます。

未来への意味

論文は、既存の工場をレトロフィット（改修）することが最も賢明な道であると結論づけています。プラスチック廃棄物専用の新しい工場を建設するには、数億ドルの追加費用がかかり、投資回収には数十年を要します。今あるものを微調整することで、私たちは今日から「サーキュラー（循環型）」なプラスチックを作り始めることができるのです。

しかし、著者たちはこれが解決済みの問題であると断言しているわけではありません。彼らは、自分たちの数値がシミュレーションに基づいたものであり、混雑した都市でのプラスチック回収がいかに安価であるかという特定の仮定に基づいていることを指摘しています。現実の世界では、輸送コスト、プラスチックベールの品質、そして塩素や金属などの不純物の存在によって、計算が変わる可能性があります。彼らは、これらのレトロフィットを構築する前に、新しい「オーブン」を健全に保つために、プラスチックが十分に選別されていることを確認する必要があると示唆しています。

究究的に、この研究は希望に満ちたロードマップを提示しています。私たちのプラスチック問題を解決するために、奇跡のような新技術を待つ必要はないのかもしれません。私たちは、既存の産業界の巨人に、どのように「餌」を与えるかについて、もう少し賢くなる必要があるだけなのです。都市から出るゴミを、未来のための燃料へと変えていく。レトロフィットされた一つの炉から、一歩ずつ始めていくのです。