Využití mikrovlnné energie pro recyklaci PET lahví - to je výsledek šestiletého výzkumu, který nedávno dokončil Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i.
Jedná se o chemickou recyklaci, kde ke štěpení PET materiálů na jednotlivé složky je využita mikrovlnná energie. Získané složky, tj. kyselina tereftalová a ethylenglykol se opět vracejí do procesu polykondenzací. Uzavřený recyklační proces znázorňuje jednoduché schéma.
Dosud se v České republice zpracovávají odpadní PET lahve třemi způsoby: zvláknováním (textilní průmysl), spálením (energetické využití) nebo recyklace metodou bottle-to-bottle.
SOUČASNÉ POSTUPY
Metoda zvláknování vyžaduje jako surovinu čistý, roztříděný, nasekaný, vypraný a usušený PET. Ten se roztaví a zvláknovacím procesem se přemění na textilní výrobky, např. netkané textilie. Metodu zvláknování nelze nazvat úplnou recyklací PET materiálů, neboť se jedná pouze o jeho jednorázové nevratné využití. Textilní polyesterové výrobky vyrobené z odpadního PET materiálu nelze dále recyklovat a lze je považovat za odpad, např. k likvidaci spálením.
Využití PET materiálu spálením je motivováno vysokou výhřevností PETu, téměř jako u černého uhlí. Spaluje se obvykle velmi znečištěný materiál, který se nevyplatí čistit. Není nutné vstupní surovinu třídit a vyvinuté teplo lze využít k energetickým účelům např. k výrobě elektřiny. Metodu spalování nelze proto považovat za metodu recyklační, neboť se jedná rovněž o jedorázové nevratné využití.
Metodou známou pod názvem bottle-to-bottle se z použitých PET lahví vyrobí nová lahev k opětovnému použití. Je zřejmé, že tato technologie musí vycházet z velmi čisté vstupní PET suroviny, která se nejprve třídí, drtí, pere a suší. Poté se taví (260-280 °C) a při této teplotě se tavenina filtruje pod tlakem (160 bar) přes keramický filtr za účelem odstranění nečistot. Po ochlazení se produkt nazývaný regranulát zpracuje prostřednictvím preformy (předlisku) vyfouknutím na novou lahev. Tato lahev musí vyhovovat hygienickým předpisům a PET materiál by neměl i při tak drastických podmínkách degradovat, což je někdy obtížné dodržet, zvláště obsahuje-li materiál určitou vlhkost. To se řeší přísadami, které mají schopnost vázat řetězce, nebo snížením teploty s použitím vakua (tzv. dekontaminátor). Vzhledem k výše popsané metodě lze ji považovat za zcela recyklační, neboť probíhá v uzavřeném cyklu. Přesto někdy dojde u recyklovaných lahví ke snížení kvality např. zakalením. V současné době je recyklační metoda bottle-to-bottle zřejmě nejvíce rozšířenou metodou zpracování odpadních PET lahví ve světě. Vzhledem k tomu, že je obtížné udržet vysokou kvalitu produktu, přimíchává se takovýto produkt k čistému panenskému PET materiálu.
Používané způsoby nakládání s odpadními nápojovými PET obaly mají svá úskalí. Ukládání na skládkách je problematické vzhledem k biologické nerozložitelnosti PET materiálu. Spalování ve spalovnách či cementárnách sice šetří palivo, ale spaliny mohou obsahovat toxické látky. Zpracování vytříděných PET lahví na malé vločky (tzv. flakes) vyžaduje speciální zařízení, neboť amorfní PET je pružný a odolává drcení a sekání (provádí se pod vodou). Vločky je nutno prát, aby se odstranily nečistoty, jako jsou např. zbytky nápojů apod. Sušení vloček po vyprání je nutné za účelem dalšího zpracování. Vločky musí být důkladně vysušeny, jinak dochází ke snížení kvality výsledného PET materiálu.
NOVÝ POSTUP
Všechny uvedené potíže při zpracování řeší mikrovlnná technologie recyklace odpadních PET lahví.
Princip depolymerace polyethylentereftalátu na kyselinu tereftalovou a ethylenglykol použitím mikrovln spočívá v selektivním štěpení esterové vazby na kyselinovou a alkoholickou část. Problém je, že esterová vazba v amorfním polymeru má slabou polaritu, k absorpci mikrovln nedochází, a tudíž ani ke štěpení. (Pozn.: Mikrovlny absorbují pouze látky polární, jako je např. voda, nepolární nebo slabě polární látky se mikrovlnami neohřívají.) O tom se lze snadno přesvědčit vložením PET lahve do mikrovlnky, k ohřevu nedojde. Ohřev je pro štěpení vazeb nutný.
Zkoncentruje-li se však mikrovlnná energie do jednoho místa s takovou intenzitou, aby došlo k absorpci mikrovln a vzrůstu teploty, dojde následně až k postupnému štěpení esterové vazby na kyselinu tereftalovou a ethylenglykol. To jsou silné polární látky, a tedy velmi silné absorbéry mikrovln, takže dojde k dalším intenzivním štěpením, exponenciálnímu vzrůstu teploty, a tím k prudkému vzrůstu rychlosti depolymerace. Vzrůst teploty je tak intenzivní, že se musí reakční směs chladit. Tohoto efektu nelze dosáhnout klasickým ohřevem.
Depolymerace probíhá působením mikrovln za mírných podmínek, produkt dosahuje vysoké čistoty a vyhovuje požadavkům tzv. Polymer Grade. Reakční podmínky jsou beztlakové a s teplotou nižší o více než 100 °C, což je výhodou zvláště ve srovnání metodou bottle-to-bottle. Technologie je téměř bezodpadová. Způsob depolymerace PET materiálů je chráněn patenty v šesti zemích Evropy a také v Číně.
VÝHODY TECHNOLOGIE
Při použití mikrovlnné technologie není nutné PET láhve třídit podle barvy, neboť účinkem mikrovln se barvy rozloží a zbytky spolu s ostatními nečistotami odstraní. Konečný produkt je bezbarvý. Obsah nečistot ve vstupní surovině může dosahovat až 10 % hm. Po vyprání vloček není nutné tuto surovinu před zpracováním sušit (ani tavit), neboť vlhkost urychluje štěpení esterové vazby (-COOCH2-) mikrovlnami.
Touto metodou lze nepolymerovat, a tedy i recyklovat nejen lahve, ale i materiály jako polyesterové tkaniny, koberce, obecně PET materiály vyrobené z PET surovin.
Reakční podmínky depolymerace jsou mírné, nevyžadují zvýšený tlak ani vakuum a teploty se pohybují v rozmezí 150-170 °C. Technologie se vyznačuje vysokou čistotou produktů, řádově v ppm (mg/kg), nízkou spotřebou energie a je téměř bezodpadová.
Ekonomické zhodnocení mikrovlnného procesu bylo zatím provedeno pouze pro poloprovoz. Není tedy reprezentativní, pouze uvádí, jaký stupeň je třeba z hlediska nákladů zlepšit - např. získat cenově výhodné vstupní suroviny. Technologie se již buduje v Polsku s termínem dokončení koncem roku 2015.
Ing. Milan Hájek
Ústav chemických procesů AV ČR, v. v. i.
Produkt, kyselina tereftalová.
Vstupní surovina, směs odpadních PET vloček.
