بازیافت پسماند اسفنج پلی‌‌یورتان: بازیافت مکانیکی

Recycling of Polyurethane Foam Waste:
Mechanical Recycling
برگردان: مهندس رویا پورشوشتر

پلی‌یورتان‌ها (PU) از متنوع‌ترین گروه‌های مواد پلاستیکی هستند، با تنوعی که از اسفنج‌‌های نرم/سخت و لاستیک‌‌‌های گرمانرم تا چسب‌ها، رنگ‌ها و لاک‌ها امتداد دارند. این تنوع یکی از دلایلی است که توسعه روش‌‌های بازیافت مقرون به‌‌صرفه بسیار دشوار است. تولید PU در مقایسه با مواد پلاستیکی تولید انبوه (مانند پلاستیک‌‌های پلی‌‌الفین) گران است، که این دلیلی برای توسعه روش‌‌های بازیافت (یعنی فیزیکی، شیمیایی و گرماشیمیایی و بازیابی انرژی) برای پسماند PU از دهه 1960 بوده است. بازیافت مکانیکی (فیزیکی) شامل آسیاکردن، قالب‌‌گیری فشاری، پرس چسبی و اتصال پسماند PU می‌‌شود. در این مقاله به بررسی بازیافت مکانیکی پرداخته می‌‌شود.
بازیافت مکانیکی پسماند PU به یکی از اشکال مختلف «بازیافت ذرات» اشاره دارد: بازآسیاکردن (regrinding)، بازپیوند (rebinding)، پرس چسبی (adhesive pressing)، قالب‌گیری تزریقی و قالب‌گیری فشاری. آسیاکردن پسماند PU به پودر و سپس استفاده مجدد از این پودرها به روش‌‌های مختلف یک رویکرد بازیافت مکانیکی را تشکیل می‌‌دهد. به‌‌طورمعمول پسماند این فرایند از پسماند کارخانه و پسماند خط تولید و هم‌‌چنین محصولات پسامصرف به دست می‌‌آید. پودر حاصل را می‌‌توان به عنوان پرکننده برای تولید اسفنج PU (PUF) یا لاستیک‌‌‌ها استفاده کرد. در این مورد، پودرها معمولا ابتدا به جزء پلی‌‌ال در فرایند تولید PU اضافه می‌‌شوند. محصولات PU قالب‌گیری شده می‌توانند حاوی کم‌‌تر مساوی 20 درصد مواد بازآسیاشده باشند بدون اینکه از نظر خواص فیزیکی، خواص مکانیکی یا عملکرد آسیب جدی ببینند. برای استفاده به عنوان پرکننده، اندازه ذرات پودر PU باید کم‌‌تر از 100 و 200 میکرومتر باشد و فرایندهای مختلف آسیاکردن و تیغه برش موردنیاز است.
در فرایندی دیگر، پسماند اسفنج پلی‌‌یورتان خرد شده را می‌‌توان با استفاده از فشار یا گرما برگرداند. یک چسب برای ساخت تشک‌‌های میراینده لرزش و صدا، کفپوش‌‌ها، تشک‌‌های ورزشی، بالشتک‌‌ها و زیرانداز فرش (carpet underlay) استفاده می‌‌شود. در روش مشابهی که به «پرس چسبی» معروف است، دانه‌‌های PU در شکل‌ها و اندازه‌های مختلف با یک پیونده (binder) قابل پخت پوشانده می‌شوند و تحت فشار و گرما پخت می‌شوند و عمدتا به‌‌عنوان کفپوش خودرو و پوشش تایر (tire cover) استفاده می‌شوند. در یکی دیگر از روش‌های بازیافت فیزیکی پسماند PU، قالب‌گیری تزریقی واکنشی(RIM, Reaction Injection Molding) و قطعات RIM تقویت‌شده را می‌توان به ذرات کوچک تبدیل کرد که می‌توان آن‌‌‌ها را تحت فشار و گرمای بالا قالب‌گیری کرد تا قطعات جامد برای صنعت خودروسازی را تشکیل دهند. علاوه بر این، قطعات جامد قالب‌گیری فشاری مانند محفظه‌های پمپ و موتور می‌توانند حاوی کم‌‌تر یا مساوی 100 درصد RIM بازآسیاشده باشند.

بازپیوند (Rebinding)

در بازپیوند، محصول نهایی PU از قطعات اسفنج نرم پلی‌‌یورتان خرد شده قالب‌‌گیری می‌‌شود، که با یک چسب در کنار هم نگه داشته می‌‌شوند. چگالی به نسبت زیاد و انعطاف‌‌پذیری عالی آن را برای میرایی لرزش و صدا، کفپوش، تشک‌‌های ورزشی، تولید بالشتک (cushioning)، بسته‌‌بندی و زیرانداز فرش مناسب می‌‌کند. بازپیوند برای چندین دهه مورد استفاده قرار گرفته است. بررسی‌‌های پایگاه داده نشان می‌‌دهد که کم‌‌تر از 50،000 تن اسفنج‌‌های پیوندی که از پسماند دریافت می‌‌شوند هر ساله در اروپای غربی فرایند می‌‌شوند و کاربردهای جدیدی در حال توسعه است. پسماند PUF را می‌‌توان با مخلوط کردن ذرات پسماند با اندازه ذرات تقریبا یک سانتی‌‌متر با دی‌‌ایزوسیانات مناسب [به عنوان مثال، دی‌‌فنیل‌‌متان دی‌‌ایزوسیانات 4،4 (MDI)] و سپس شکل‌‌دهی در 200-30 بار و 200-100 درجه سلسیوس دوباره شکل‌‌‌دهی کرد. در این فرایند می‌‌توان تخته‌‌های ساختمانی مبتنی بر PU با مقاومت بالا در برابر آب و رطوبت و هم‌‌چنین قاب‌‌‌بندهای عایق (insulation panel) برای استفاده در فریزرها یا یخچال‌‌های جدید تهیه کرد.

در همین فرایند، PUF هم‌‌چنین می‌تواند به بلوک‌هایی که در فرش، تشک‌های ورزشی یا مبلمان استفاده می‌شوند، بازیافت شود. به عنوان مثال، مقدار زیادی PUF بازیافت‌‌شده از وسایل نقلیه مستعمل ممکن است بخش بزرگی (50 درصد در ایالات متحده) از بازار زیرانداز فرش را برآورده کند. این گزینه بازیافت برای PUF پسماندی که از ساختمان‌ها و ساخت‌‌وسازها دریافت می‌شود بسیار مهم است، اما به دلیل استفاده از بازدارنده‌های شعله در این مواد، پیچیده‌تر (و اغلب غیرممکن) است. بازپیوند PUF را می‌‌توان از طریق قالب‌‌گیری پیمانه‌‌ای یا قالب‌‌گیری پیوسته انجام داد و بلوک‌‌های اسفنج بیش‌‌تر برای ساخت قطعات و اقلام فراورش می‌‌شوند و در نتیجه تکه‌‌هایی ایجاد می‌‌شود که به نوبه خود می‌‌توانند دوباره در این فرایند استفاده شوند. یکی از مهم‌ترین مزایا در فرایند بازپیوند قالب، بهینه‌سازی استفاده از مواد و هزینه‌ها است. در نتیجه، فرایند قالب‌گیری پیمانه‌‌ای شامل جمع‌آوری ← سواکردن ← خرد کردن ← پوشش با پیونده ← شکل‌‌دهی فشاری ← فعال‌‌سازی چسب پیونده ← پخت پیونده چسب ← ساخت قطعات بازپیوندی (rebounded) است (شکل 1).
کیفیت محصول نهایی بازپیوند به موارد زیر بستگی دارد: انواع و گونه‌‌‌های اسفنج‌‌های مورد استفاده؛ اندازه ذرات و یکنواختی قطعات اسفنج؛ چگالی موردنیاز محصول‌‌نهایی؛ کیفیت پیونده و هم‌‌چنین نسبت پیونده به اسفنج.

بازآسیاکردن (Regrinding)

فناوری بازآسیاکردن (هم‌‌چنین “پودر کردن” نامیده می‌‌شود) شامل استفاده مجدد از پسماند PU آسیاشده به عنوان پرکننده در فرمول‌‌بندی PUF یا لاستیک است و شامل 1) آسیاکردن مواد PU به یک پودر ریز و 2) مخلوط کردن پودر با جزء پلی‌‌ال برای ساخت PU جدید میباشد. اولین مرحله لازم برای بازیافت PU شامل کاهش اندازه ذرات محصول اصلی PU به سطحی است که امکان فراورش مجدد مواد در مرحله بازتولید را فراهم می‌‌کند. در این روش بازیافت، اندازه ذرات بهینه بسته به کاربرد 200-50 میکرومتر است. انواع مختلف پسماند PU، که از قطعات بازیافتی قدیمی یا پسماند تولیدی (مانند برش‌ها (trimming)، قطعات پسماندی) تشکیل شده‌اند، بسته به نوع PU که در حال بازیافت هستند، به پرک (flake)، پودر یا عدسی (pellet) تبدیل می‌شوند. در بیش‌‌تر موارد، این مرحله را می‌‌توان با خردکردن یا آسیاکردن PU انجام داد تا محیط مورد نیاز برای بازیافت فراهم شود. این پسماند معمولا نتیجه مستقیم بریدن اسفنج‌‌های تختالی (Slabstock) و تولید متعاقب آن در محصول‌‌نهایی است. برای عملیاتی که شامل اسفنج قالب‌گیری شده است، معمولا پسماند در طول فرایند تولید در نتیجه تبخیر آنی لبه‌های بسته و سوراخ‌های تهویه قالب تولید می‌شوند که در موارد شدید، بسته به اندازه، ممکن است به 6 درصد پسماند مواد برسد. در مورد اسفنج تختالی یا اسفنج نرم، بسته به فرایند تولید خاص، باید کم‌‌تر از 12 درصد پسماند برش را انتظار داشت.
چندین روش را می‌‌توان در ساخت ذرات ریز و نرم به کار برد. گزینه اول استفاده از فرایند آسیای دو غلتکی (two-roll mill) است: دو غلتک که در جهت مخالف و با سرعت‌‌های مختلف می‌‌چرخند، نیروهای برشی را در شکاف بسیار باریک بین خود ایجاد می‌‌کنند. روش دوم آسیاکردن (که در مطالعات آزمایشی برای پسماند اسفنج نرم استفاده شده است) بر اساس فرایند آسیاکردن گرددانه است: دو یا چند غلتک فلزی PUF را از طریق یک صفحه فلزی با سوراخ‌‌های کوچک یا یک قالب فشرده می‌‌کنند. سایر فناوری‌ها (مانند تیغه برش دقیق) برای آسیاب PUF منعطف در دست ارزیابی هستند. علاوه بر این، فرایند ترکیبی برش و اختلاط شامل یک اختلاط‌‌کننده با تنش برشی بالا است که در یک مخزن پلی‌ال نصب شده است. مزیت افزوده این روش جلوگیری از تخریب گرمایی پودر در حین کاهش اندازه است. قطعات RIM پرشده با شیشه نیاز به فرایندهای آسیا کردن خاصی دارند. به نظر می‌‌رسد آسیاب دیسک ضربه‌‌ای (impact disk mill) روش مناسبی برای پودر کردن چنین قطعات بسیار سختی باشد.
در مقیاس مطالعه آزمایشی، یک اختلاط‌‌کننده با تنش برشی بالا برای فراهم کردن اختلاط باکیفیت مناسب به نظر می‌‌رسد. با این حال، مرحله فعالیت عملیاتی به اندازه‌‌گیری مناسب پودر در کنار پلی‌‌ال نیاز دارد. با این حال، مرحله فعالیت عملیاتی به اندازه‌‌گیری مناسب پودر در کنار پلی‌‌ال نیاز دارد. واحد پیمایش (metering unit) کل دستگاه PU باید برای جابجایی پلی‌‌ال های پرشده مناسب باشد. چنین فناوری‌هایی زمانی توسعه یافتند که RIM پرشده با شیشه برای اولین بار به بازار معرفی شد یا زمانی که پودر ملامین برای PUF نرم به صنعت معرفی شد. میزان رطوبت پودر مهم است و ممکن است خشک کردن پودر قبل از مخلوط کردن ضروری باشد.
یکی از عواملی که مقدار PUF پسماند قابل بازیافت را با بازآسیاکردن محدود می‌‌کند، گرانروی مخلوط ذرات پلی‌‌ال ریز است که می‌‌تواند توسط تجهیزات فراورش کار کند. در عمل، اگر از MDI و مخلوط پلی‌ال استفاده شود، این می‌تواند کم‌‌ترمساوی 15 درصد وزنی بازآسیاشده باشد، و اگر تولوئن دی‌‌ایزوسیانات (TDI) به عنوان ایزوسیانات استفاده شود، می‌‌تواند کم‌‌تر از 25 درصد باشد. مشکل اصلی فرایندهای آسیاب برای فراورش پسماند مشکل اقتصادی است: آسیاکردن PUF ضایعاتی تا کم‌‌تر از 125-100 میکرومتر نیاز به مصرف انرژی بیش‌‌تری دارد. PUF در صندلی‌های خودرو با استفاده از فرایندهای بازآسیاکردن بازیافت شده است. داده‌های به‌دست‌آمده از آزمون‌‌‌های آزمایشگاهی نشان می‌دهد که صندلی‌های اسفنجی قالب‌گیری‌شده جدید حاوی 20-15 درصد مواد بازیافتی بوده و ویژگی‌های فرایندی عالی را نشان می‌دهند. بسته به نوع اسفنج و بارگذاری پرکننده، خواص فیزیکی ممکن است تحت تاثیر قرار گیرند، بنابراین ممکن است نیاز به تنظیم مشخصات مواد باشد (جدول 1).
هزینه سرمایه‌‌گذاری تجهیزات نسل اول پتانسیل عملیاتی این فرایند را به تختال‌‌‌سازی (slabstock) محدود کرده است. تحولات کنونی به منظور ارایه فرایندهای اقتصادی مناسب برای عملیات‌‌های کوچک‌‌تر است. یک طرح معمولی از فناوری بازآسیاکردن در شکل 2 نشان داده شده است.

شرکت Bayer فرایندی را برای ساخت اسفنج جاذب انرژی با پسماند PU اختراع کرده است. پرکننده‌‌هایی که اسفنج جاذب انرژی تولید می‌‌کنند دارای خواصی هستند که با آنهایی که از مواد «نو» تهیه می‌‌شوند قابل مقایسه هستند.

پرس چسبی (Adhesive pressing)

پرس چسبی یک روش بازیافت سریع و ساده است. در این فرایند، سطح ذرات PU با استفاده از پیونده چسب پوشش داده می‌‌شوند و در یک پرس گرم پیوند می‌‌خورند. پرس چسبی یکی از قدیمی‌‌ترین فرایندهای بازیافت فیزیکی PUF نرم است. در طول دهه 1990، پتانسیل بازار آن تقریبا 10،000 تا 20،000 تن در سال در اروپای غربی و 50،000 تا 60،000 تن در سال در آمریکای شمالی بود. در اروپا، ذرات RIM به عنوان لوله‌‌های گرمایش از کف (که ظرفیت بازیافت بسیار بالایی دارند، به ویژه در آلمان) در ساختمان‌‌ها بازیافت می‌‌شوند.

یک روش معمولی مخلوط کردن ذرات پسماند PUF با MDI است و سپس در دمای 200-100 درجه سلسیوس زیر 200-30 بار تشکیل می‌‌شود. این روش باعث شده تا مواد مفیدی برای تابلوهای عایق، فرش و مبلمان ایجاد شود.

قالب‌‌گیری فشاری (Compression Molding) و قالب‌‌گیری تزریقی (Injection Molding)

فرایند فشاری شامل قالب‌گیری ذرات PU در دمای 180 درجه سلسیوس و زیر 350 بار برای جریان دادن ذرات «تمیز» به هم (بدون هیچ پیونده) برای تولید قطعات قالب‌گیری فشاری حاوی 100 درصد مواد بازیافتی است. قالب‌گیری فشاری عمدتا برای منابع پسماند RIM PU استفاده می‌‌شود و می‌‌توان از آن برای تولید محصولات بازیافتی با عملکرد بالا استفاده کرد. در این روش، RIM و هم‌‌چنین قطعات RIM تقویت‌‌شده به ذرات ریز آسیاب می‌شوند و تحت فشار و گرمای بالا قرار می‌گیرند تا ماده جامدی تولید شود که برای بسیاری از کاربردهای خودرو آرمانی است.

به طور مشابه، پسماند دریافتی از PU شبکه‌‌ای شده از قطعات قالب‌گیری تزریقی را می‌توان با این روش بازیافت کرد. این فرایند را می‌‌توان روی مخلوطی از PU و سایر پلاستیک‌‌ها نیز انجام داد زیرا وجود گرمانرم‌‌ها به بهبود عملکرد محصول نهایی کمک می‌‌کند. شکل 3 نمودار بازیافت پسماند PU حاوی گرمانرم¬ها را نشان می‌‌دهد.

از دیدگاه فرایندی، قالب‌‌گیری فشاری بازیافت مواد (شامل بخش قابل توجهی ازPUF) شامل تبدیل اسفنج به ذرات با اندازه 25/4-35/6 میلی‌‌متر (ترجیحا 12/7-6/35 میلی‌‌متر) و انتقال این ذرات به قالب و قالب‌‌گیری در فشار و دمای بالا است. ترجیحا وقتی از دمای انتقال شیشه‌ای PUF فراتر می‌رود، سایر پرکننده‌‌ها را می‌توان با موادی که دارای زنجیره بلند منعطف و بخش‌های ارتعاشی آسان هستند مخلوط کرد. شکل 4 نمودار بازیافت قالب‌‌گیری فشاری را نشان می‌دهد.

بازیابی انرژی (احتراق، سوزاندن) (Energy Recovery (Combustion- Incineration))

احتراق (یا سوزاندن با بازیابی انرژی) روشی موثر برای کاهش حجم مواد آلی است که در غیر این صورت باید به محل خاکچال فرستاده شوند. احتراق برای همه موادی که بازیافت مواد برای آنها به دلایل زیست‌‌محیطی یا اقتصادی یا به دلیل مشکلات منطقه‌‌ای ناممکن است، مناسب خواهد بود. کوره‌‌های چرخان، بسترهای سیال، زباله‌‌سوزهای دو مرحله‌‌ای یا تجهیزات انبوه‌‌سوز (mass-burning equipment) برای احتراق پسماند پلاستیکی مناسب هستند.
برای بازیافت PU از طریق این روش، بازیابی انرژی تنها فرایند دفع مناسب برای پسماندهای PU است که نمی‌توانند به بازار عرضه شوند یا در کاربرد دیگری مورد استفاده قرار گیرند. سوزاندن با بازیابی انرژی نقش مهمی در گزینه‌‌های بازیافت/ استفاده مجدد برای پلاستیک‌‌ها (از جملهPU) دارد. با توجه به اینکه 86 درصد نفت، زغال‌‌سنگ و گاز جهان برای انرژی سوزانده می‌‌شود، یک مورد قوی برای جایگزینی جزیی منابع انرژی با پسماندهای پلاستیکی وجود دارد. اگر تشخیص داده شود که مناسب‌‌ترین گزینه مدیریت پسماند است، فناوری می‌‌تواند تضمین کند که انتشار گازهای گلخانه‌‌ای از کارخانه‌‌های احتراق پسماند به طور ایمن مدیریت می‌‌شوند. این رویکرد به شدت در مورد پسماند با چندلایه‌‌های PU برای چوب، چرم، پارچه یا مواد مخلوط اعمال می‌‌شود.
بازدارنده‌‌های شعله در فرمول‌‌بندی‌‌های پلاستیکی به دلیل عملکرد آن‌‌ها در هنگام گرم شدن، بازیابی و بازیافت را بسیار دشوار می‌‌کنند. اگر سایر گزینه‌‌های بازیابی مزایای زیست‌‌محیطی را نشان ندهند یا گران‌‌تر باشند، بازیافت با ارزش‌‌ترین راه‌‌حل را فراهم می‌‌‌کند. طرح‌های بازیابی انرژی موفق بیش‌‌تر به اقتصاد سامانه جمع‌آوری، با امکاناتی برای جداسازی و پیش‌‌تصفیه پسماندهای پلاستیکی مخلوط بستگی دارد. بر اساس یک چارچوب منطقه‌‌ای کارآمد، بازیابی انرژی می‌‌تواند به مقرون به صرفه‌‌ترین گزینه بازیافت تبدیل شود. برای ایجاد زیرساخت در سراسر اروپا باید کارهای بیش‌‌تری انجام شود، اما سوزاندن با بازیابی انرژی برای مدیریت مناسب پسماندهای پلاستیکی (از جمله PU) ضروری است. هزینه نسبی گزینه‌‌های مختلف بازیابی انرژی برای جامعه برای تک احتراق (mono-combustion) یا استفاده به عنوان سوخت کمکی برای کوره‌‌های سیمان مشابه است. با این حال، هزینه جمع‌‌آوری، سواکردن، پیش‌‌تصفیه و حمل‌‌و‌‌نقل ممکن است به طور قابل توجهی به هزینه کلی بیفزاید. سوزاندن یک PUF منجر به کاهش حجم 99 درصدی می‌‌شود که پیامدهای قابل توجهی برای کاهش خاکچال این ماده و به طور همزمان از بین بردن کلروفلوروکربن‌‌ها و سایر عوامل پف‌‌زای مضر دارد. بازدارنده‌‌های شعله کار را پیچیده می‌‌کنند و تاثیر این ترکیبات بر روش‌‌های احتراق بسیار مورد توجه قرار می‌‌گیرد.
با توجه به جلوگیری از تخریب لایه ازون، گرم شدن کره زمین، اثرات گلخانه‌‌ای و هم‌‌چنین با هدف کاهش انتشار مونوکسید کربن (CO) و اکسید نیتریک (NO)، اثر هوای اضافی در دمای احتراق 1000-900 درجه سلسیوس بررسی شده است. مشخص شده است که انتشار NO با افزایش جریان هوای اولیه و ثانویه افزایش می‌‌یابد. تبدیل نیتروژن در PU به NO تقریبا معادل 5/7 درصد و تبدیل کربن در PU به CO تقریبا معادل 0/55 درصد است. کاهش بیش‌‌تر انتشار NO را می‌‌توان با گردش مجدد گازهای دودکش (flue gas) به هوای اولیه به دست آورد، که هم‌‌چنین سوختن آثار هیدروکربن‌‌ها، سیانید هیدروژن (HCN) و آمونیاک (NH3) را کامل می‌‌کند. در این مورد، داده‌های به‌دست‌آمده از دو آزمایش مختلف نشان می‌دهد که با جایگزینی 50 و 100 درصد هوای اولیه با گاز دودکش چرخشی منجر به کاهش گازهای CO و NO منتشر شده به ترتیب 15 و 45 درصد در مقایسه با داده‌های واکنش بدون چرخشی شده است.
رفتار نیتروژن از بسپارها و پلاستیک‌‌ها در سوخت‌‌های حاصل از پسماند در طول احتراق (از جمله (PUF مورد مطالعه قرار گرفته است. مشخص شد که انتشار NO + دی‌‌اکسید نیتروژن (NO2) در طی احتراق در یک واکنشگاه لوله کوارتز گازی (950-750 درجه سلسیوس، O2/N2 = 7: 93 ) به مقدار زغال سنگ تولید شده از سوخت‌‌های با نیتروژن بالا (PUF، نایلون، چسب اوره-فرمالدهید، لجن فاضلاب) و محتوای نیتروژن سوخت بستگی دارد. در محتوای نیتروژن 6/6 درصد وزنی، کم‌‌تر از 10 درصد از نیتروژن در PUF به صورت NO + NO2 منتشر شد.

منبع:
Mir Mohammad Alavi Nikje, “Recycling of Polyurethane Wastes,” Smithers Information Ltd, page 13-24, 2016.

بازیافت پسماند اسفنج پلی‌‌یورتان: بازیافت مکانیکی