Chemická recyklace plastů - nutnost pro skutečně cirkulární ekonomiku

Enviromentální cíle v oblasti cirkulární ekonomiky, především objem recyklovaných plastových materiálů v nejrozšířenější kategorii jejich použití, tj. obalů, kladou velké nároky jak na jejich sběr a třídění, tak především na technologie jejich recyklace.

Aktuální cíl dosažení recyklace 55 % všech plastových obalů, uvedených na trh v kombinaci s již schválenou Evropskou směrnicí pro jednorázové plastové obaly, se dostává za limity dosažitelné pouze mechanickou recyklací. Požadavek této směrnice na obsah 25 % recyklovaného PET do roku 2025 a 30 % všech typů recyklovaných plastů v jednorázových obalech v podstatě vyžadují reálné zavedení metod chemické recyklace jako součásti zpracování plastových odpadů.

Chemolýzu omezuje pouze typ polymerů

Stejně jako je použití plastů různorodé a jejich volba závislá na konkrétní aplikaci, je i jejich chemická recyklace závislá na mnoha parametrech zahrnujících typ plastů, složení plastového odpadu, možné kontaminanty apod. Zatímco termochemické metody recyklace plastů umožňují zpracování velké řady plastů, a to dokonce i jejich směsí, které jsou typické jako vedlejší produkt mechanického třídění, jiné typy chemické recyklace již jsou náročnější na složení vstupní suroviny. Ve všech případech se ale jedná o možnost dalšího zpracování plastových odpadů, které již mechanické způsoby recyklace nedokážou vyřešit.

Mezi „selektivní“, dalo by se říct „jednodruhové“ z hlediska použitého vstupního plastového odpadu, metody chemické recyklace patří chemolýza (lze se ale setkat i s pojmem solvolýza). V tomto případě se jedná o využití některé z chemických metod ke štěpení řetězců polymerů na monomery, oligomery nebo jiné chemické látky. Ty mohou být po dalším případném dočištění, přímo použity jako suroviny pro výrobu nových polymerů stejného typu jako byl původní plast.

V praxi nalezneme různé typy chemické depolymerizace v závislosti na typu použitého chemického činidla, jedněmi z nejčastějších jsou pak metanolýza nebo hydrolýza. Těmito postupy získané polymery lze považovat za rovnocenné primárním plastům vyrobeným přímo z fosilních surovin a je možné je používat i v aplikacích, vyžadujících vysokou čistotu, popřípadě i do výrobků s požadavkem na certifikaci pro kontakt s potravinami.

Omezení technologie chemolýzy je dané pouze typem polymerů. Tyto technologie lze aplikovat pouze na kondenzační a adiční polymery jako je PET, polyamid (PA), polykarbonát (PC) nebo polyuretany (PUR). Především u PET jde ale o velmi důležitou možnost návratu vlastností a chemické čistoty pro materiál, který již není možné dále opakovaně recyklovat a lze jej poté znovu použít i v potravinářství, kde jde o majoritní materiál na trhu. Kromě požadavku na co možná nejvyšší selektivitu vstupního materiálu, tedy i na vstupní přetřídění, je u tohoto typu technologie nutné počítat i s poměrně velkými nároky na množství vstupní suroviny pro dosažení dobré ekonomiky provozu a v některých případech i na citlivost na obsah těžkých kovů. Naopak velkou výhodou je vysoká míra účinnosti procesu, dosahujícího pro PET až 99 %, možnost odstranění kontaminace a aditiv z polymeru a nižší energetická náročnost v porovnání s termomechanickými procesy.

Jedním z největších příkladů využití technologie je právě dokončovaný závod firmy Eastman v americkém Kingsportu s plánovanou kapacitou 13,4 mil. tun PET odpadu/rok. I v ČR lze ale nalézt již funkční provozní jednotky. Jedná se např. o hydrolytické zpracování pěnového PUR odpadu firmou Ecoretan s.r.o. v Otrokovicích.

K chemolýze lze přiřadit i celou řadu nově rozvíjených technologií, využívajících poznatky pro dosažené štěpení polymerních řetězců. Jedná se například o fotokatalytické metody chemolýzy, enzymatické depolymerace (i když ty se často vyčleňují jako samostatné kategorie biochemické recyklace), popř. použití iontových kapalin nebo hluboce eutektických rozpouštědel. Prozatím se nicméně jedná vždy spíše o výzkumy, které nebyly převedeny do průmyslové realizace.

Metody termochemické

Další velkou skupinou procesů chemické recyklace plastů jsou metody termochemické jako jsou pyrolýza a zplyňování. Zatímco při prvním procesu se využívá termický rozklad plastu bez přítomnosti vzduchu a vznikající produkty jsou jak plynného, tak kapalného skupenství (pyrolyzní plyn a pyrolyzní olej), u zplyňování se přídavkem vzduchu převede plast na především plynný produkt, tzv, syntézní plyn neboli Syngas.

Výhodou obou těchto typů recyklace je možnost použití i pro směsný typ plastového odpadu, nicméně i zde jsou jisté limity a omezení v použití dle typů vstupního materiálu. Pro pyrolyzní reakce, probíhající obvykle při teplotách 300-500 °C je obecně nejvhodnějším vstupním materiálem definovaná směs PP a PE s menšími množstvím styrenových polymerů. Jako naopak nevhodný materiál pro toto zpracování se uvádí především PVC a PET. Použití pyrolýzních procesů je možné i například pro pryžové odpady (typicky pneumatiky), zde je ale výsledný pyrolýzní olej výrazně jiného složení a jeho kvalita vyžaduje další zpracování.

Výtěžnost technologie pyrolýzy se u moderních jednotek pohybuje kolem 80-90 %. Hlavní výstupní produkt - pyrolyzní olej, je v případě vhodného složení vstupní směsi surovin stabilního složení a lze jej dále dobře zpracovat běžnými petrochemickými metodami. Tento kapalný produkt je po dalším dočištění, které spočívá nejčastěji v odstranění zbytků obsahu chloru, zpracováván jako náhrada části fosilních surovin pro nástřik na krakovací kolony a následně pak, již jako součást nově získaných monomerů, pro výrobu plastů shodným způsobem jako při použití pouze klasických fosilních paliv. Díky metodám hmotnostní bilance (např. fuel exempt, která zohledňuje podíl pyrolýzního oleje použitý na výrobu paliv), je pak možné deklarovat podíl vstupního recyklovaného materiálu ve finálním plastu.

Význam chemické recyklace stoupá

Pyrolýzní zpracování plastového odpadu je velmi perspektivní metodou i v ČR, kde se mu aktivně věnuje již několik let Orlen Unipetrol. V Litvínově je již několik let v provozu testovací pyrolýzní jednotka a je plánováno i její další rozšiřování kapacity na cca 20 kt/rok v roce 2027. Výsledný produkt - pyrolýzní olej - by se měl stát spolu s produkty ze zpracování hydrogenovaného rostlinného oleje hlavní surovinou i pro PP s vysokým obsahem recyklovaného materiálu. Příkladem další úspěšné realizace pyrolýzní jednotky je i technologie firmy Green Future v Moravskoslezském kraji, která letos spouští do komerčního provozu jednotku o kapacitě zpracování 5,5 kt plastu/ rok. Následovat by ji pak měly stavby dalších dvou jednotek v rámci ČR s plánovanou kapacitou 22 kt/rok.

Kromě zmíněné metody pyrolýzního zpracování je další průmyslově využívanou termochemickou metodou recyklace i zplyňování s pracovními teplotami nad 800 °C. V případě chemické recyklace se jedná o tzv. alotermní zplyňování (s dodáním potřebného tepla z vnějšího zdroje), popř. některá z metod plazmového zplyňování (ideálně při použití vodní páry). Rozklad vstupního materiálu zde probíhá za pomoci elektrického oblouku, který generuje plazma o teplotě 3-5 tisíc °C.

Výsledný syntézní plyn (směs především vodíku a oxidu uhelnatého) lze podle dosaženého složení použít po dalším čištění pro celou řadu chemických reakcí. Běžná je výroba především metanolu, etanolu nebo produkce vodíku. Pomocí Fischer-Tropschovy syntézy lze ale ze syntézního plynu přímo připravit celou řadu kapalných uhlovodíků zpracovatelných v petrochemii. Metanol a etanol jsou pak samy o sobě ceněnou vstupní surovinou pro řadu chemických látek a lze je následně opět použít i pro přípravu plastů.

Podobně jako u pyrolýzních procesů ani zplyňování není zcela imunní vůči přítomnosti chlorovaných polymerů, popř. bromovaných retarderů hoření v plastech. Při jejich výskytu v surovině je nutné počítat s možností koroze zařízení a nutností dočištění syntézního plynu před jeho dalším zpracováním. Hlavní výhodou této technologie je pak schopnost zpracování i velmi těžko odstranitelných a nebezpečných odpadů, včetně například plastů se skelnými vlákny. V ČR jsou v oblasti plazmatického zplyňování komerčně aktivní především firmy PGP Terminals a.s., která provozuje prozatím vývojové centrum na Českolipsku, nebo Millenium Technologies, a.s. s plánem na postavení velkého recyklačního centra u Ostravy. Výstupy z těchto technologií míří v tuto chvíli spíše do využití pro energetiku nebo na výrobu vodíku, přesto lze jejich výstupy opět pomocí využití cesty přes výrobu etanolu použít ve výrobě plastů.

Všechny zmíněné, především pak termochemické, metody recyklace plastů jsou známy dlouhou dobu a jejich význam pro reálné využití v rámci ČR stále stoupá i s ohledem na aktuální cíle v recyklaci plastových obalů. Je proto velmi důležité, že se je podařilo vtělit i do národní odpadové legislativy. Pyrolytické a plazmové zpracování plastu je tak uvedeno i přímo v zákoně ČR č. 541/2020 Sb., o odpadech jako činnosti vedoucí k materiálovému využití odpadu. Jako důležitý krok pro skutečný rozvoj chemické recyklace plastů u nás lze brát zveřejnění metodického pokynu pro povolování v rámci chemické recyklace odpadů Ministerstvem životního prostředí loni v prosinci.