پیرولیز لاستیک فرسوده

1. مقدمه

پلیمرهای طبیعی و مصنوعی مانند پلی‌ایزوپرن و پلی‌بوتادین جزء اصلی لاستیک‌های خودرو هستند. این مواد در برابر تجزیه زیستی و حرارتی مقاومت بالایی دارند و دفع نادرست آن‌ها محیط زیست را آلوده می‌کند. وقتی لاستیک‌ها در فضای باز سوزانده می‌شوند، ترکیبات سمی از جمله دیوکسین، فوران و هیدروکربن‌های پلی‌آروماتیک وارد هوا می‌شوند.

گزارش انجمن تولیدکنندگان تایر اروپا (ETRMA) نشان می‌دهد هر سال بیش از ۱.۵ میلیارد لاستیک در جهان به فروش می‌رسد. کشورهایی مانند هند، چین و آمریکا حجم زیادی از این تولید را بر عهده دارند و پسماند آن به معضلی زیست‌محیطی تبدیل شده است.

2. ترکیب و ماهیت لاستیک‌های فرسوده

لاستیک‌های قراضه از ترکیب لاستیک طبیعی، پلیمرهای مصنوعی، کربن سیاه، اسید استئاریک، مواد افزودنی، شتاب‌دهنده‌ها، سیم فولادی و الیاف نساجی ساخته می‌شوند. در فرآیند ولکانیزاسیون، ساختار لاستیک تغییر می‌کند و در برابر تجزیه مقاوم می‌شود. به همین دلیل بازیافت آن نیاز به فناوری‌های پیشرفته دارد.

3. روش‌های تجزیه لاستیک

برای کاهش اثرات زیست‌محیطی لاستیک‌های مستعمل، پژوهشگران روش‌هایی مانند گازی‌سازی، هیدروژناسیون، تخریب شیمیایی، ترک خوردگی کاتالیزوری و پیرولیز را بررسی کرده‌اند. میان این روش‌ها، پیرولیز بیشترین بازده را دارد و محصولات آن به‌طور مستقیم در صنعت انرژی قابل استفاده هستند.

3.1. فرآیند پیرولیز لاستیک

پیرولیز فرآیندی ترموشیمیایی است که در دمای ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد و در غیاب اکسیژن انجام می‌شود. در این فرآیند، لاستیک به سه بخش اصلی تقسیم می‌شود: روغن پیرولیز، گاز و کربن سیاه. محصول مایع یا روغن پیرولیز تایر خام (CTPO) شامل ترکیبات هیدروکربنی آلیفاتیک و آروماتیک است.

3.2. ترکیب محصولات پیرولیز

در یک فرآیند معمولی، از هر ۸ تن تایر فرسوده حدود ۳.۵ تن روغن CTPO، ۱.۲ تن سیم فولادی و ۲.۱ تن کربن سیاه به دست می‌آید. این محصولات پایه‌ای مناسب برای تولید سوخت‌های جایگزین و مواد صنعتی هستند.

4. ارتقای کیفیت سوخت پیرولیز

اگرچه CTPO توانایی استفاده به عنوان سوخت را دارد، مقدار بالای گوگرد و اسید در آن باعث می‌شود نیاز به تصفیه داشته باشد. برای بهبود کیفیت، روغن را با اتر نفتی رقیق می‌کنند و با سیلیکاژل در دمای اتاق ترکیب می‌کنند تا ترکیبات قطبی و گوگردی جذب شوند. سپس محلول فیلتر و خشک می‌شود تا سوخت بهبود یافته‌ای با نام StTPO به دست آید.

5. مواد و روش‌های آزمایشگاهی

برای مقایسه کیفیت سوخت‌ها، محققان نمونه‌های CTPO و StTPO را در کنار گازوئیل آزمایش کردند. بررسی‌ها طبق استانداردهای ASTM انجام شد و شامل موارد زیر بود:

• چگالی (ASTM D4052)
• نقطه اشتعال (ASTM D93)
• نقطه ریزش (ASTM D97)
• ویسکوزیته سینماتیک (ASTM D445)
• شاخص ستان (ASTM D976-91)
• نقطه تقطیر (ASTM D86-19)
• ارزش حرارتی (ASTM 4809-18)

در تحلیل ترکیبات، از دستگاه GC-HRMS استفاده شد تا طیف جرمی ترکیبات به‌دقت مشخص شود. گاز حامل، هلیوم با خلوص ۹۹.۹۹٪ بود و دمای کوره از ۵۰ تا ۲۷۰ درجه سانتی‌گراد با سرعت ۱۰ درجه در دقیقه افزایش یافت.

6. آنالیز کروماتوگرافی دوبعدی (GC×GC-TOF-MS)

برای شناخت دقیق ترکیبات موجود در CTPO و StTPO، محققان از سیستم کروماتوگرافی گازی دوبعدی مجهز به طیف‌سنج زمان پرواز استفاده کردند. این سیستم با دو ستون قطبی و غیرقطبی، ترکیبات را بر اساس قطبیت و وزن مولکولی جدا کرد. داده‌ها با نرم‌افزار تخصصی تحلیل شد و طیف‌ها با کتابخانه استاندارد NIST مطابقت داده شد.

7. نتایج حرارتی و احتراقی

در آزمایش DSC، نمونه‌ها از دمای ۳۰ تا ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد گرم شدند تا میزان آزادسازی گرما مشخص شود. نتایج نشان داد سوخت ارتقایافته StTPO چگالی انرژی بالاتر، گوگرد کمتر و احتراق تمیزتری نسبت به CTPO دارد. افزودن اتیل لوولینات (EL) به عنوان افزودنی زیستی باعث بهبود عملکرد احتراق و کاهش آلاینده‌ها شد.

نتیجه‌گیری

فناوری پیرولیز لاستیک فرسوده روشی کارآمد و پایدار برای بازیافت تایرهای مستعمل است. با به‌کارگیری تکنیک‌های ارتقا و افزودنی‌های زیستی، کیفیت سوخت تولیدی به سطح سوخت‌های فسیلی نزدیک می‌شود. این فناوری ضمن کاهش آلودگی، مصرف منابع فسیلی را کم کرده و گامی مؤثر در جهت اقتصاد چرخشی محسوب می‌شود.