Jednotlivé druhy odpadů se postupně stávají zdrojem druhotných surovin pro průmyslovou výrobu. Jedním z významných druhů využitelných odpadů jsou plasty. Mezi nimi dominuje polyethylentereftalát (PET). Výrobky z něj tvoří přibližně polovinu odpadních plastových odpadů.
Ročně v ČR vzniká okolo 60 000 tun odpadu PET a jeho množství každoročně vzrůstá. Z celkového objemu odpadu PET je asi 20 000 tun recyklováno a zbytek je ukládán na skládkách, v nejhorším případě je spalován v malých tepelných zdrojích. Biologická rozložitelnost PET je velmi nízká, předpokládaná délka rozložení v přírodě je v řádu stovek let.
Polyethylentereftalát je výborným materiálem pro výrobu hygienicky nezávadných potravinářských obalů. Základní surovinou pro jeho výrobu je kyselina tereftalová, která je získávána zpracováním ropy - tedy primárního neobnovitelného přírodního zdroje. Ceny ropy a ropných derivátů jsou ovlivněny geopolitickou nestabilitou těžebních lokalit a jejich omezenými zásobami. Proto jejich ceny mají, a v následujících letech budou mít, trvale vzestupný trend na světovém trhu. Polyethylentereftalát je vyráběn polykondezací kyseliny tereftalové a ethylenglykolu. Takto vytvořený materiál je charakterizován řadou výborných užitných vlastností - hygienická nezávadnost, pružnost, mechanická pevnost, odolnost proti vyšším teplotám atp. Proto je využíván na řadu finálních výrobků, jako jsou obalové materiály (zejména nápojové lahve), tkaniny, fólie atd. Po ukončení životnosti se výrobky stávají odpadem. Sběr odpadních plastů a jejich následná recyklace je řešena na řadě úrovní různými technickými způsoby, včetně příslušných legislativních opatření (např. zákon o odpadech).
V současné době používané recyklační pochody jsou technologicky rozmanité a lze jimi upravovat odpad do různé hloubky přeměny. Přepracovaný odpad pak tvoří vsázkovou surovinu pro další zpracovatelské postupy. Záměrem realizovaných postupů je snaha o dosažení totální recyklace, tj. přepracování až na úroveň výchozích surovin. V převážné většině případů se při recyklačních postupech využívá kombinace technologických procesů, jejichž cílem je přepracovat odpady s co nejnižšími provozními náklady. Získané meziprodukty či produkt musejí být surovinově využitelné, aby s nimi bylo možno obchodovat.
ODLIŠNÉ POSTUPY RECYKLACE
Pracovníci Výzkumného ústavu pro hnědé uhlí, a. s., v Mostě vyvinuli v posledních dvou letech dva způsoby recyklace odpadního PET, založené na odlišných principech. Oba tyto postupy spojuje oproti doposud známým recyklačním postupům významná výhoda - odpadní PET není nutné čistit, ani oddělovat příměsi, tj. polyethylen, používaný na výrobu víček, nebo etikety, vyráběné z papíru či polyethylenu. Všechny tyto příměsi jsou v průběhu obou procesů rozloženy.
První z obou způsobů recyklace odpadního PET je chráněn patentem CZ 296343 "Způsob fyzikálně-chemické recyklace odpadního polyethylentereftalátu". Recyklační způsob využívá energetického působení vysokofrekvenčního záření (mikrovlnné záření) k destrukci struktury PET ve vodném kyselém prostředí za vzniku suspenze kyseliny tereftalové o čistotě přes 99 % s výtěžností procesu okolo 96 %. Postup je ve stadiu dokončených laboratorních zkoušek, poloprovozní zkoušky by měly proběhnout tento rok.
Druhý způsob, u něhož jsou již prováděny poloprovozní zkoušky, je chráněn patentem CZ 296379 "Způsob přepracování odpadního polyethylentereftalátu jeho tepelným rozkladem". Tento způsob je založen na tepelném rozkladu netříděného, znečištěného odpadního PET za přesně definovaných tepelných podmínek. Produktem tepelného rozkladu je směs kyseliny tereftalové a benzoové v poměru 95 : 5 (%) a pevný uhlíkatý zbytek. Směs organických kyselin může být vhodnými fyzikálně-chemickými procesy rozdělena a přečištěna, obě kyseliny pak mohou být dále využity.
Dalším produktem tepelného rozkladu je uhlíkatý zbytek, využitelný pro celou řadu technických aplikací. Po pyrolýze jedné tuny vsázky podrceného, znečištěného a neseparovaného odpadního PET lze za optimalizovaných procesních podmínek očekávat výnos směsi organických kyselin okolo 78 %, uhlíkatého zbytku okolo 19 %, zbytek jsou ztráty v podobě plynu.
VYUŽITÍ PEVNÉHO UHLÍKATÉHO ZBYTKU
Pevný uhlíkatý zbytek z tepelného rozkladu odpadního PET je technicky velmi čistý. V závislosti na podmínkách rozkladu je obsah uhlíku 90 až 94 %. Tento uhlík je sytě černý, lesklý, s nízkou měrnou hmotností, poměrně pevný, ale křehký, na lomu vysoce kovově lesklý, se silně porézní strukturou. Uhlíkatý skelet může být dále zušlechťován pro další použití, například pro účely nauhličování oceli, či jako sorbent (obr. 1).
Pro pokusy s nauhličováním oceli byl použit uhlíkatý skelet o obsahu 96 % uhlíku, který byl zrnitostně upraven. Tento uhlík pak byl peletizován a laboratorně testován pro nauhličení oceli na VŠB-TU Ostrava, Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství. Pelety vyrobené z upraveného uhlíkatého skeletu jsou na obr. 2.
Metalurgický průmysl požaduje u nauhličovadel nízký obsah dusíku, snížení obsahu prchavé hořlaviny a síry. Z laboratorních testů provedených VŠB Ostrava vyplývá, že nauhličovadlo vyrobené z pevného uhlíkatého zbytku z tepelného rozkladu odpadního PET tyto obecné požadavky splňuje. Hodnota stupně nauhličení αc charakterizující přechod uhlíku do taveniny, dosahuje příznivě vysoké hodnoty 1100 a stupeň využití uhlíku εc se blíží 92 %, což jsou výrazně vyšší hodnoty, než vykazují běžně používaná nauhličovadla. Pro srovnání uvádíme hodnoty parametrů běžně používaných nauhličovadel: αc 366,7 a εc 45,7 % pro polokoks, komerčně používané nauhličovadlo Petri má hodnoty αc 133,3 a εc 17,96 %.
Výzkum uhlíkatého skeletu byl dále zaměřen na studium vztahů a pochodů aktivace vedoucích ke zvýšení měrného povrchu a objemu pórů. Testována byla různá aktivační média, vliv doby aktivace a zrnitostního složení na velikost měrného povrchu a objem pórů. V závislosti na podmínkách aktivace bylo dosaženo povrchu kolem 1200 m2/g a objemu pórů 0,65 cm3/g. Podle snímků z elektronového mikroskopu na povrchu uhlíkatého skeletu převažují mikropóry s charakteristickým lahvičkovitým tvarem. Tato charakteristika předurčuje sorbent pro použití k sorpci či dělení organických látek, a to již od relativně nízkých molekulových hmotností. Příkladem využití tohoto sorbentu může být filtrace organických látek vyšších než C4, H2S, SO2 apod.
Jaroslav Kusý
Ing. Lukáš Anděl
Ing. Marcela Šafářová
RNDr. Ing. Josef Valeš
Výzkumný ústav pro hnědé uhlí, a. s., v Mostě
Poděkování
Práce je dílčím výstupem řešení výzkumného záměru MSM 4456918101 "Výzkum fyzikálně chemických vlastností hmot dotčených těžbou a užitím uhlí a jejich vlivů na životní prostředí v regionu severozápadních Čech" a vznikla za finanční podpory MŠMT ČR.
Literatura:
[1] Kusý J., Anděl L., Šafářová M., Valeš J., Patent CZ 296343 Způsob fyzikálně-chemické recyklace odpadního polyethylentereftalátu,
[2] Kusý J., Anděl L., Šafářová M., Valeš J., Patent CZ 296379 Způsob přepracování odpadního plyethylentereftalátu jeho tepelným rozkladem,
[3] Kusý J., Anděl L., Šafářová M., Valeš J., Užitný vzor 16171 Nauhličovadlo pro použití při výrobě oceli,
[4] Kusý J., Anděl L., Šafářová M., Valeš J., Užitný vzor 16277 Sorbent typu aktivního uhlíku
[5] Ochranná známka "CARBOCEL" - Uhlíkaté výrobky pro průmyslové účely a vědu, č. sp. O-483901 do rejstříku OZ pod číslem zápisu 286038, vlastník OZ VÚHU a.s. Most
[6] Ochranná známka "PETSORB" - Sorbenty typu aktivního uhlíku pro průmyslové účely a vědu, sorbent, č. sp. O-439902 do rejstříku OZ pod číslem zápisu 286039, vlastník OZ VÚHU a.s. Most
