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La depolimerizzazione

Rompiamo queste catene!

La depolimerizzazione è il processo opposto alla polimerizzazione ovvero il tentativo di rompere le catene molecolari lunghe e complesse di alcuni materiali polimerici, cercando di tornare ai monomeri di base o a composti con catene molecolari più corte.
La depolimerizzazione può avvenire in diversi modi:

  • Depolimerizzazione chimica per mezzo di reazioni con alcuni agenti, per ottenere i monomeri di partenza
  • Gassificazione con ossigeno e/o vapore, per produrre gas di sintesi
  • Decomposizione termica dei polimeri, tramite riscaldamento in atmosfera inerte
  • Cracking catalitico e Reforming: la catena polimerica è scissa sotto l'effetto di un catalizzatore, che promuove le reazioni di rottura
  • Idrogenazione: il polimero è degradato da azioni combinate di calore, idrogeno e, in alcuni casi, di catalizzatori
La depolimerizzazione

Al momento la nostra attenzione verrà posta solo sui processi termici.

Decomposizione termica (pirolisi)

Questa tecnologia si basa sulla decomposizione dei polimeri, per mezzo del calore, di agenti chimici e catalizzatori, per ottenere una varietà di prodotti, variabili dai monomeri di partenza alle miscele di composti, principalmente idrocarburi, con possibili applicazioni come fonti di chemicals o fuels.

Esistono differenti metodi e processi per scindere le catene polimeriche, semplicemente mediante trattamenti ad alta temperatura, in atmosfera inerte. È a partire dal 1970 che la degradazione termica delle plastiche e della gomma inizia ad essere considerata un'alternativa interessante.

La decomposizione termica dei polimeri può essere considerata un processo di depolimerizzazione solo in pochi casi. Così, il polistirene (PS) e il polimetilmetacrilato (PMMA) sono esempi di polimeri che possono essere termicamente degradati, con la formazione di alte rese nel monomero corrispondente. Tuttavia, per la maggior parte dei polimeri, la decomposizione termica porta a complesse miscele di prodotti, contenenti basse concentrazioni di monomero. Il tipo e la distribuzione dei prodotti, derivanti dalla degradazione termica di ciascun polimero, dipende da un certo numero di fattori: dal polimero stesso, dalle condizioni di reazione, dal tipo e dalle condizioni del reattore, etc.

Tra le variabili di reazione, è ovvio che la temperatura è parecchio importante, poiché influenza sia la conversione del polimero, sia la distribuzione dei prodotti. In termini generali, fino a 4 frazioni di prodotti si possono ottenere dalla decomposizione termica dei materiali plastici: gas, oli, cere e un residuo solido. Al crescere della temperatura, anche la frazione di gas aumenta e il residuo solido appare come un solido tipo carbone, a causa dell'aumento delle reazioni che trasformano gli idrocarburi in coke.

Sono stati sviluppati numerosi processi a temperatura elevata (>600°C), puntando sulla produzione di grandi quantità di gas, ricchi in idrocarburi olefinici e, in misura inferiore, su oli aromatici.

Si è ottenuta una maggior produzione di etilene e di propilene, lavorando con sistemi ad alte velocità di riscaldamento e a bassi tempi di residenza. Inoltre, il rendimento in olefine può essere significativamente aumentato, qualora il cracking della plastica avvenga in presenza di vapore.

D'altro canto, parecchi processi sono stati recentemente sviluppati lavorando a basse temperature, solitamente attorno ai 500°C. In questo caso, il principale prodotto è una frazione oleosa comprendente una miscela di paraffine lineari e di olefine, con un basso contenuto in idrocarburi aromatici. Spesso, questi liquidi sono ulteriormente migliorati mediante idrogenazione, preferenzialmente nelle raffinerie.

In altri casi, gli oli prodotti, mediante degradazione delle plastiche a bassa temperatura, sono stati impiegati come fonte di paraffine, con una gran varietà di potenziali applicazioni.

I processi termici sono principalmente utilizzati per il trattamento dei polimeri di addizione, mentre i polimeri di condensazione sono preferibilmente depolimerizzati mediante reazioni con alcuni agenti chimici.

I polimeri di addizione sono: polietilene (PE), polipropilene (PP), polistirene (PS) e polivinilcloruro (PVC), che sono anche i principali componenti dei rifiuti plastici; i polimeri di condensazione, invece, sono polimeri come le poliammidi, i poliesteri (per esempio il PET) e i poliuretani.

È ampiamente accettato che la degradazione termica avviene attraverso meccanismi radicalici, principalmente secondo 2 modalità, ossia:

Nel primo caso, si ottengono alte concentrazioni del monomero di partenza, ma questo meccanismo è predominante solo nella degradazione termica di pochi polimeri, come il PS e il PMMA.

Per gli altri polimeri, la scissione random-chain è la modalità principale, che porta alla formazione di miscele di prodotti molto complesse.

Cracking catalitico

Il cracking catalitico dei rifiuti plastici offre un numero di vantaggi confrontabili con quelli della degradazione termica. La presenza di catalizzatori aumenta di molto la velocità di cracking del polimero, cosa che permette di utilizzare temperature più basse e/o tempi di reazione più brevi.

Ovviamente oltre alla materia prima vi è un consumo del catalizzatore variabile in base alla tipologia ed alle caratteristiche fisiche dello stesso.

Obbiettivo della sperimentazione

L'idea nasce e si sviluppa per trovare una soluzione tecnologica per la conversione di materiali di scarto (rifiuti) attualmente non riciclati o non riciclabili quali ad esempio:

La conversione da rifiuto a combustibile mediante la depolimerizzazione permetterà la valorizzazione degli scarti garantendo la sostenibilità economica ed ambientale, migliorando notevolmente l'attuale processo di smaltimento (discarica).

Scelta della tecnologia

La scelta della tecnologia e del processo di conversione deve necessariamente tenere conto di tre fattori:

Le tecnologie prese in considerazione nella nostra analisi sono:

Si è scelto di optare per il cracking catalitico utilizzando un catalizzatore descritto in seguito, poiché il cracking pirolitico non sarebbe economicamente sostenibile per la grande quantità di energia richiesta rispetto alla quantità di prodotto ottenuto.

Sulla base di precedenti studi e ricerche di numerosi scienziati si è scelto di utilizzare come catalizzatore la zeolite poiché è reperibile in grandi quantità ad un basso costo. La zeolite fa parte della famiglia della clinoptilolite, la tipologia da impiegare sarà esente da quarzo, mica. La zeolite possiede una piccola quantità di feldspato e smectite ed è ricca di K e Ca.
Caratteristiche fisiche:

Fase 1

La prima fase del progetto sperimentale è quello di costruire un primo prototipo molto semplice e di costruzione economica per condurre semplici test di cracking catalitico impiegando un particolare tipo di zeolite come catalizzatore.
I risultati attesi dalla scissione dei materiali sono un mix di idrocarburi liquidi con il minor contenuto possibile di cere e ceneri.
I parametri che si andranno a sperimentare saranno:

Fase 2

La seconda fase del progetto sarà mirata alla costruzione di un impianto pilota a livello industriale. Con l'esperienza derivata mediante il primo prototipo, verrà studiato un layout impiantistico adatto al funzionamento continuo e con una capacità di produzione adeguata agli standard di mercato.
Lo sviluppo dell'impianto pilota terrà conto dei seguenti fattori:

Descrizione sintetica del funzionamento

  1. Il materiale da trattare viene inserito nel relativo silos stagno
  2. Il catalizzatore viene inserito nel relativo silos stagno
  3. Viene insufflato gradualmente dell'azoto all'interno dell'intero circuito per eliminare l'ossigeno
  4. Il dosatore estrae il materiale ed il catalizzatore in maniera controllata all'interno del tubo di reazione
  5. All'interno del reattore un agitatore rotante garantisce l'avanzamento del materiale e il rimescolamento dello stesso
  6. La soffiante spinge aria atmosferica nella camicia esterna del tubo di reazione, l'aria preriscaldata mediante un riscaldatore a resistenza elettrica fornisce il calore per consentire la reazione. La temperatura del processo viene regolata modulando la potenza della resistenza elettrica
  7. Il materiale all’interno del tubo di reazione viene riscaldato in assenza di ossigeno ed in presenza del catalizzatore, inizia quindi la reazione di depolimerizzazione. ll materiale man mano che avanza nel tubo di reazione passerà gradualmente da una fase solida ad una liquida ed infine in una gassosa
  8. Il passaggio di stato da solido a gassoso implica un aumento del volume. Questo assieme alla costante insufflazione di azoto permette di trasportare i gas di sintesi prodotti dal tubo di reazione al condensatore
  9. Il condensatore abbatte la temperatura del gas di sintesi realizzando quindi la condensazione ed il passaggio allo stato liquido dello stesso
  10. I liquidi vengono collettati in un serbatoio
  11. ll gas residuo esce attraverso una piccola torcia munita di guardia idraulica per evitare ritorni di fiamma
  12. Alla fine del processo i liquidi contenuti nel serbatoio di raccolta vengono estratti attraverso una valvola manuale

Hai particolari necessità di smaltimento o recupero di rifiuti?

La nostra esperienza sarà messa a tua disposizione per fornirti la soluzione più adeguata, e se necessario un nostro tecnico-commerciale effettuerà anche un sopralluogo.

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