Den stigende produktion af affald som følge af vores forbrugssamfund kræver et øget fokus på udvikling af bæredygtige processer, der kan omdanne affald til brændstoffer, kemiske råstoffer og andre brugbare produkter.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2009 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af Rune Nygaard Monrad og Linda Luise Reeh Lorentz-Petersen, Kemisk Institut, DTU
I Danmark blev der indsamlet mere end 14 mio. tons affald i 2005, hvoraf industrielt affald, der bl.a. omfatter spildevand, papir, plast, metal og kemikalier, udgør ca. 75% [1]. Usorteret affald kan ikke genbruges og må i stedet brændes af eller deponeres, hvilket kan være et stort miljøproblem. Både i industrien og i den private husholdning er vi for dårlige til at sortere og genbruge vores affald, og i takt med et stigende behov for mere bæredygtige processer er vi nødt til at tænke mere på at reducere mængden af affald, vi producerer.
Genanvendelse af polymeraffald
Næsten alle plastprodukter, gulvtæpper og syntetiske tekstiler er lavet af polymerer, hvilket betyder at polymerindustrien er et område, hvor det virkelig kan betale sig at gøre en indsats for at reducere og genbruge affaldsprodukterne. Genanvendelse af polymerer kan ske ved 1) omdannelse af polymererne til andre polymerprodukter, 2) depolymerisering til de oprindelige monomerer samt 3) termisk depolymerisering til produktion af olie, benzin og diesel.
Nylon 6 benyttes i tekstiler, gulvtæpper samt forskellige typer af industrielle plastmaterialer. Alene i USA deponeres der på årsbasis 1,8 mio. tons gulvtæpper bestående af nylonfibre. Nylon 6 er opbygget af den cykliske monomer caprolactam (figur 1) og er et af de materialer, som vi har den bedste teknologi til at genanvende [2]. Nylon 6 i form af gulvtæpper i mindre stykker føres ind i en reaktor sammen med overophedet damp og H3PO4 ved høj temperatur og tryk. Herved nedbrydes polymeren, og den dannede caprolactam fordamper og kan isoleres med over 99% udbytte.
Den dannede caprolactam kan efterfølgende bruges til repolymerisering til produktion af nye gulvtæpper eller andre nylon 6-produkter. Processen kan også benyttes til udvinding af caprolactam fra andet plast- og fiberaffald, der er lavet af nylon 6. Som følge af den effektive genvinding af caprolactam er nylon 6-produkter meget værdifulde for samfundet og dermed vigtige at genbruge. Efter deres levetid hos forbrugeren kan de depolymeriseres og repolymeriseres til andre produkter og derved i teorien indgå i en uendelig cyklus af genbrug uden generering af affald. En omlægning af vores teknologi til sådanne materialer, der er bæredygtige, er derfor vigtig for at reducere mængden af affald.
Sodavandsflasker af plast er primært lavet af PET (poly(ethylenterephthalat), (figur 2), og mængden af affald i form af sådanne flasker på verdensplan er enorm [3]. PET-flaskerne genbruges ved termisk omformning, hvorved plastmaterialet omdannes til nye produkter, såsom ikke-fødevareemballage, polymerfibre i gulvtæpper og andre fiberprodukter. Ved termisk omformning skæres plastmaterialet i små stykker, der renses for urenheder, hvorefter plasten under varmebehandling formes til ny emballage.
PET-flasker kan også depolymeriseres til monomererne terephthalsyre og ethylenglycol, der ligesom caprolactam atter kan benyttes til polymerisering. Da strukturen af PET er mere kompleks end nylon 6 (PET består af to forskellige monomerer), har depolymeriseringen ikke samme effektivtet, men de dannede monomerer kan adskilles og enten sælges til den kemiske industri eller benyttes til repolymerisering i andre produkter. I Schweiz inkorporeres der op til 50% genbrugs-PET i produktionen af nye flasker, mens der mange andre steder i verden kun benyttes ca. 10% [3a]. Det er målet at PET-flasker udelukkende skal kunne laves ud fra genbrugs-PET, og som følge af et øget fokus på genbrug og bæredygtighed vil Coca-Cola bygge et anlæg i USA til genanvendelse af PET fra returnerede flasker. I USA indsamles og genanvendes kun ca. 25% af alle sodavandsflasker, og dette er netop et af de store problemer med genanvendelse af plast, idet genanvendelsesindustrien har kapacitet til at genbruge mere, end der indsamles, men forbrugerne er for dårlige til at indsamle og sortere deres affald.
Ved udsættelse af forskellige plasttyper eller biomasse (f.eks. slagteriaffald) for høj temperatur og tryk kan disse omdannes til olie, benzin og diesel i en proces, der efterligner den geologiske omdannelse af kulholdige materialer til fossile carbonhydrider. Herved nedbrydes polymerer ikke til monomerer, men til mindre carbonhydrider med op til 18 carbonatomer. Disse kan benyttes som benzin og diesel samt let råolie, der kan indgå i klassisk olieraffinering og destilleres til forskellige olieprodukter. Ved denne proces kan plast- og kalkunaffald f.eks. omdannes til olie med hhv. 70 og 39% udbytte og mindre mængder naturgas (<20%) samt forkullet carbonmateriale og vand [4]. Termisk depolymerisering er en velkendt teknik til genanvendelse af plast under dannelse af råolie, men for nylig er der blevet udviklet en mere avanceret form for termisk depolymerisering, hvorved plastposer og andre plastprodukter kan omdannes direkte til benzin og diesel og ikke først til olie [5]. De nuværende pilotanlæg kan omdanne 1 kg plastposer til 1 L benzin (ca. 750 g) samt en spiseskefuld affaldsmateriale, der er mættet med katalysator. Teknologien kan endvidere benyttes til at adskille plast fra de metaldele, som ofte helt eller delvist er indkapslet i plast. F.eks. kan metal fra metalwirer, der er betrukket med plast udvindes, samtidig med at plastmaterialet omdannes til benzin og diesel. Fra 9 kg findelt pulver af plast og metal fra bildæk kan der udvindes 4,5 L diesel, 1,4 m3 naturgas, 1 kg stål og 3,4 kg forkullet affaldsprodukt. Teknologien gør det ikke bare lettere at genanvende plast, men også lettere at genanvende de metaller, der anvendes i integrerede metal-plast-produkter, der ellers ikke kan skilles ad.
Genanvendelse af organisk affald
Biodiesel er fællesbetegnelsen for en række fedtsyreestre, der i lighed med bioethanol benyttes som tilsætning til brændstof i henholdsvis diesel- og benzinmotorer for at reducere mængden af brændstof fra fossile kilder. Biodiesel kan fremstilles fra overskydende svinefedt fra slagterier, hvorved animalsk fedt, der består af en blanding af triglycerider og frie fedtsyrer, forestres i to trin til methylestre af fedtsyrerne (figur 3) [6]. Biodiesel kan også fremstilles ved ekstraktion af fedtstoffer fra spildevand efterfulgt af transesterifikation som beskrevet ovenfor [7].
Ud over den ønskede biodiesel dannes der også glycerol under processen. Som følge af ønsket om at erstatte brændstoffer fra fossile kilder med fornybar energi er produktionen af biodiesel fra triglycerider og dermed også dannelsen af glycerol udsat for en voldsom stigning på verdensplan. Det betyder, at der i løbet af de kommende år vil dannes betydelige mængder glycerol, som man ikke umiddelbart har et marked for, og det vil derfor være nyttigt at finde anvendelser for glycerol enten i form af bearbejdede produkter eller som råstof i syntesen af andre kemikalier.
Et af problemerne ved genanvendelse af husholdningsaffald er, at det består af en blanding af genbrugelige tørprodukter (flasker, papir og lignende), diverse former for mad- og haveaffald samt forskellige metal- og plastprodukter. Et højt indhold af organisk materiale gør affaldet lugtende, vådt og svært at bearbejde, og det er f.eks. vanskeligt at genanvende plast fra usorteret affald, da det er forurenet med organisk affald. Bedre sortering af husholdningsaffaldet muliggør desuden, at det organiske materiale kan genanvendes ved kompostering (fremstilling af gødning) eller enzymbehandling under dannelse af sukkerstoffer og bioethanol. Organisk materiale består hovedsageligt af have-, mad- og papiraffald, og de primære bestanddele er mono- og polysaccharider, hvoraf sidstnævnte primært er cellulose, stivelse og hemicellulose. Polysacchariderne nedbrydes til monosaccharider ved enzymatisk hydrolyse, og disse kan enten benyttes som bæredygtige råstoffer i kemikalieproduktion eller til dannelse af ethanol ved fermentering (figur 4) [8]. Den dannede bioethanol kan enten anvendes som råstof eller som brændstof ved tilsætning til benzin. På nuværende tidspunkt er det dog ikke rentabelt at udvinde kemikalier af organisk affald, men det vil der komme mere fokus på i fremtiden.
Konklusion
Menneskets generering af affald er et voksende problem på verdensplan, og ud fra et miljømæssigt synspunkt er det altid bedst at genanvende så meget affald som muligt. Til diskussionen, om det er bedst at genbruge affald eller skille sig af med det ved forbrænding, hører en såkaldt livscyklusanalyse [9], der er et kompliceret regnestykke, hvor man regner på ”udgifterne” for en genstand fra vugge til grav. Vi mener, at et øget fokus på dette område vil være med til at sikre, at der udvikles nye metoder til genanvendelse eller omdannelse af affald til brændstoffer, kemiske råstoffer og andre brugbare produkter.
Referencer
1. Miljøstyrelsens Affaldsstatistik 2005.
2. S. Sifniades, A. B. Levy, J. A. J. Hendrix, US 5932724, 1999.
3. (a) A. H. Tullo, Chemical & Engineering News, 2007, 85, 15-20.
(b) V. S. Zope, S. Mishra, V. S. Patil, K. K. Agrawal, J. P. Mahajan, S. A. Firke, IE (I) Journal–CH, 2003, 84, 44-46.
4. B. S. Appel, W. F. Lange, US 20040192981, 2004.
5. (a) V. F. Shvets, http://www.informnauka.ru/eng/2007/2007-01-19-7_004_e.htm, 19/1 2007.
(b) C. Brahic, http://www.newscientist.com/article/dn12141-giant-microwave-turns-plastic-back-to-oil.html, 26/6 2007.
6. A. Malmberg, Dansk Kemi, 2007, 88, nr. 5, 20-21.
7. M. E. Zappi, W. T. French, R. Hernandez, S. T. Dufreche, D. L. Jr. Sparks, US 20050112735, 2005.
8. (a) G. Lissens, H. Klinke, W. Verstraete, B. Ahring, A. B. Thomsen, Environmental Technology, 2004, 25, 647-655. (b) N. D. Nørholm, J. Larsen, F. K. Iversen, WO 2007036795, 2007.
9. P. Fristrup, T. Jensen, S. T. Henriksen, Dansk Kemi, 2008, 89, nr. 12, 27-29.
Figur 1. Struktur af caprolactam og nylon 6.
Figur 2. Depolymerisering af PET til monomererne terephthalsyre og ethylenglycol.
Figur 3. Omdannelse af animalsk fedt i form af triglycerider og frie fedtsyrer til biodiesel og biproduktet glycerol.
Figur 4. Enzymatisk nedbrydning af organisk affald i form af cellulose til glucose og ethanol. Tilsvarende kan andre polysaccharider nedbrydes til monosaccharider og ethanol.