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

毎年、人類は数億トンのプラスチックを生産しています。その一部はリサイクル工程へと回されますが、膨大な量が埋め立て地に送られたり、環境中に散乱したりしており、そこでは何世紀にもわたって残留し続けます。この廃棄物に対処するための有望な方法の一つは、それを再び燃料に変えることです。「熱分解」と呼ばれるこのプロセスは、酸素のない密閉された容器の中でプラスチックを加熱することを伴います。酸素がないため、プラスチックは煙や灰になることはありません。代わりに、燃料油として使用できる液体の炭化水素や、一部のガス、および固形残渣へと分解されます。科学者たちは長年、小規模な実験室の設定でこの研究を行ってきましたが、発展途上地域でも手頃な価格で購入できるような実用的な機械を構築し、それを実際の汚れた街路ゴミでテストすることは、依然として大きな課題となっています。

最近の研究において、ナイジェリアとフィンランドの研究チームは、そのような機械を製作し、その性能を確認することを目的としました。彼らは一度に35キログラムのプラス粉砕プラスチックを処理できるパイロット規模のプラントを設計・建設しました。システム全体は、メインの調理用ポットとしての亜鉛メッキ鋼、熱を保持するための粘土と砂の混合物で裏打ちされた炉、そして蒸気を冷却して液体に戻すためのステンレス鋼製のチューブで作られたコンデンサーなど、現地で調達された材料を用いて構築されました。研究者たちは、ナイジェリアのオウェリの街路から回収された、非常に異なる2種類のプラスチック廃棄物をテストしました。一つは食品容器に使用される硬いフォームであるポリスチレン、もう一つはレジ袋に使用される柔軟な低密度ポリエチレンです。彼らはプラスチックを洗浄したり化学的に清浄したりすることはありませんでした。ラベルやインク、汚れが付着したままの状態のプラスチックを、そのままの状態で使用し、現実世界の条件が結果にどのように影響するかを確認しました。

ポリスチレンを加熱した際、結果は驚くほど効率的でした。機械はプラスチックの重量の72パーセントを液体油に変換し、プロセス後に固形残渣は一切残りませんでした。これは、ポリスチレンが加熱されると元の構成要素へと「ジッパーを外す（unzip）」ように分解され、ほぼ完全に液体として回収可能な蒸気に変化するためです。しかし、チームは材料の大部分、約28パーセントがガスや微細なミストとして逃げてしまい、コンデンサーが捉えきれなかったことに気づきました。これは、ポリスチレンが蒸気に変わる速度に対して、冷却システムが追いついていないことを示唆しています。生成された油は濃く暗い色をしており、標準的なディーゼル燃料よりも密度が高く、引火点は摂氏50度で、商用ディーゼルの安全基準をわずかに下回っていました。

レジ袋として知られる低密度ポリエチレンを用いた経験は、全く異なるものでした。このプラスチックは分解するのがはるかに困難です。研究者たちは、分解させるためにより長く加熱し、より多くのエネルギーを使用しなければなりませんでした。この試行では、投入されたプラスチックの量に対して生成された油の割合は少なく、わずか56.9パーセントであり、800グラムの相当な量の固形ワックス状の残渣を残しました。この残渣は、プラスチックの鎖が完全には分断されなかったことを示しています。しかし、このプラスチックから得られた油は、硫黄含有量の面でより軽く、よりクリーンでした。それでもなお、クリーンなディーゼル燃料よりは多くの硫黄を含んでいました。研究者たちは、ポリエチレンの分解にはポリスチレンの約2.5倍の熱エネルギーが必要であると計算しましたが、これはレジ袋に含まれる長く枝分かれした鎖の熱的安定性の高さを反映しています。

研究者たちがオイルの硫黄含有量を分析した際、決定的な発見がありました。ポリスチレンから得られた油には、プラスチック自体に含まれるはずのない驚くほど高い量の硫黄が含まれていました。プラスチックポリマー自体には硫黄が含まれていないため、研究者たちはこの汚染の原因を、未洗浄の街路廃棄物に付着していた粘着ラベル、印刷インク、およびその他の物質に特定しました。これは、プラスチックを加工する前に分別・洗浄しなければ、得られる燃料が汚染され、さらなる処理が必要になるという大きな障壁を浮き彫りにしています。ポリエチレンのオイルも硫黄レベルが高かったものの、そのレベルははるかに低く、おそらくプラスチック内の添加物や混入した廃棄物に由来するものでした。

本研究は、単純な材料や未分別の原料を用いて、プラスチック廃棄物を燃料に変える低コストのプラントを構築することは技術的に可能であると結論付けています。機械は、ディーゼルエンジンに適した粘度要件を満たす液体燃料の生成に成功しました。つまり、燃料ラインを正しく流れることができるということです。しかし、研究者たちは明確な改善領域を特定しました。蒸気を冷却するコンデンサーは、ポリスチレンから発生する高速で移動するガスを捕捉するために、より大きく、あるいはより効率的である必要があります。また、亜鉛メッキ鋼で作られたリアクター（反応器）は、高温での長期使用には適していません。なぜなら、亜鉛のコーティングが溶けて煙を放出する可能性があるためです。将来のバージョンでは、ステンレス鋼または炭素鋼を使用すべきです。さらに、オイルの高い硫黄レベルは、高品質な燃料を製造するためには、機械に入る前のプラスチックの分別と洗浄が不可欠であることを裏付けています。この研究は、技術自体は機能するものの、最終的な燃料の品質は、廃棄物がどれほど注意深く準備されるか、そして機械が特定のプラスチックの化学特性をどれほど上手く扱うことができるかに大きく依存していることを示しています。