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

Elk jaar produceert de mensheid honderden miljoenen tonnen plastic. Hoewel een deel van dit materiaal terechtkomt in recyclingstromen, eindigt een groot deel op stortplaatsen of verspreid in het milieu, waar het eeuwenlang blijft bestaan. Een veelbelovende manier om dit afval aan te pakken, is door het terug te veranderen in brandstof. Dit proces, genaamd pyrolyse, houdt in dat plastic wordt verhit in een afgesloten container zonder zuurstof. Zonder zuurstof om te verbranden, verandert het plastic niet in rook en as; in plaats daarvan breekt het af in vloeibare koolwaterstoffen die kunnen worden gebruikt als brandstofolie, samen met wat gas en vaste resten. Hoewel wetenschappers dit al jaren in kleine laboratoriumomgevingen bestuderen, blijft het bouwen van een werkende machine die betaalbaar genoeg is voor ontwikkelingsregio's en het testen ervan met echt, vuil straatafval een aanzienlijke uitdaging.

In een recente studie zetten een team onderzoekers uit Nigeria en Finland zich het doel om een dergelijke machine te bouwen en te zien hoe deze presteerde. Ze ontwierpen en construeerden een installatie op pilotschaal die in staat is om 3ende 35 kilogram plastic tegelijk te verwerken. Het hele systeem werd gebouwd van lokaal verworven materialen, waaronder gegalvaniseerd staal voor de belangrijkste kookpot, een oven gevoerd met een mengsel van klei en zand om de hitte vast te houden, en een condensator gemaakt van roestvrijstalen buizen om de dampen weer af te koelen tot vloeistof. De onderzoekers testten twee zeer verschillende soorten plastic afval die werden verzameld van de straten van Owerri, Nigeria: polystyreen, het harde schuim dat wordt gebruikt voor voedselverpakkingen, en lage-dichtheidpolyethyleen, het flexibele plastic dat wordt gebruikt voor draagtassen. Ze wasten of reinigden het plastic niet chemisch; ze gebruikten het precies zoals ze het vonden, compleet met etiketten, inkt en vuil, om te zien hoe realistische omstandigheden de uitkomst zouden beïnvloeden.

Toen ze het polystyreen verhitten, waren de resultaten opvallend efficiënt. De machine zette 72 procent van het plastic gewicht om in vloeibare olie, en het proces liet geen enkele vaste rest achter. Dit gebeurt omdat polystyreen de neiging heeft om zichzelf te 'unzippen' naar de oorspronkelijke bouwstenen wanneer het wordt verhit, waardoor het bijna volledig verandert in damp die als vloeistof kan worden opgevangen. De onderzoekers merkten echter op dat een groot deel van het materiaal, ongeveer 28 procent, ontsnapte als gas of fijne nevel die de condensator niet kon opvangen. Dit suggereert dat het koelsysteem werd overrompeld door de snelheid waarmee het polystyreen in damp veranderde. De geproduceerde olie was dik en donker, met een dichtheid hoger dan standaard dieselbrandstof, en had een vlampunt van 50 graden Celsius, net iets onder de veiligheidsminimum voor commerciële diesel.

De ervaring met de flexibele draagtassen, bekend als lage-dichtheidpolyethyleen, was heel anders. Dit plastic is veel moeilijker af te breken. De onderzoekers moesten het langer verhitten en meer energie gebruiken om het te laten ontleden. In deze run produceerde de machine minder olie relatief aan de hoeveelheid plastic die erin werd gedaan — slechts 5_6,9 procent — en het liet een aanzienlijke hoeveelheid vaste, wasachtige resten achter van 800 gram. Deze residu geeft aan dat niet alle plastic ketens volledig uit elkaar zijn gevallen. De olie van dit plastic was echter lichter en schoner qua zwavelgehalte, hoewel het nog steeds meer zwavel bevatte dan schone dieselbrandstof. De onderzoekers berekenden dat het afbreken van het polyethyleen ongeveer 2,5 keer zoveel thermische energie vereiste als het polystyreen, wat de grotere thermische stabiliteit van de lange, vertakte ketens in de draagtassen weerspiegelt.

Een cruciale bevinding kwam naar voren toen de onderzoekers het zwavelgehalte van de oliën analyseerden. De olie van het polystyreen bevatte een verrassend hoog gehalte aan zwavel, veel meer dan het plastic zelf zou moeten bevatten. Omdat het polymeer zelf geen zwavel bevat, herleidden de onderzoekers deze contaminatie naar het ongewassen straatafval, dat onder andere lijmetiketten, drukinkt en andere materialen die aan het plastic kleefden, bevatte. Dit benadrukt een grote hindernis: als het plastic niet wordt gesorteerd en gereinigd voordat het wordt verwerkt, zal de resulterende brandstof vervuild zijn en verdere behandeling vereisen. De olie van het polyethyleen bevatte ook verhoogd zwavel, maar op een veel lager niveau, waarschijnlijk afkomstig van additieven binnen het plastic of gemengd afval.

De studie concludeert dat het technisch haalbaar is om een goedkope installatie te bouwen om plastic afval in brandstof te veranderen, zelfs met eenvoudige materialen en ongesorteerde grondstoffen. De machine slaagde erin om vloeibare brandstof te produceren die voldeed aan de viscositeitseisen voor dieselmotoren, wat betekent dat het correct door brandstofleidingen stroomt. De onderzoekers identificeerden echter duidelijke gebieden voor verbetering. De condensator, die de dampen afkoelt, moet groter of efficiënter zijn om de snel bewegende gassen van polystyreen op te vangen. De reactor zelf, gemaakt van gegalvaniseerd staal, is niet geschikt voor langdurig gebruik bij hoge temperaturen, omdat de zinklaag kan smelten en dampen kan afgeven; toekomstige versies zouden van roestvrij staal of koolstofstaal moeten zijn gemaakt. Bovendien bevestigen de hoge zwavelniveaus in de olie dat het sorteren en wassen van het plastic voordat het de machine ingaat essentieel is voor het produceren van een hoogwaardige brandstof. Het werk laat zien dat hoewel de technologie werkt, de kwaliteit van de uiteindelijke brandstof sterk afhangt van hoe zorgvuldig het afval wordt voorbereid en hoe goed de machine is ontworpen om de specifieke chemie van verschillende plastics te verwerken.