Vincent Hentzepeter
Bij chemische recycling is met ICP-OES en elementenanalyse op basis van verbranding snel te meten of er te veel contaminanten zitten in de plastic afvalstromen en de hieruit geproduceerde pyrolyseolie.
Vincent Hentzepeter
De berg afvalplastics blijft de komende jaren mondiaal gezien doorgroeien. Een groeiend milieuprobleem. Een van de oplossingen deze afvalstroom het hoofd te bieden is chemische recycling, zo vertelde dr. Simone Beatrice Moos op 27 juni tijdens een door Endress+Hauser georganiseerde technische persevenement.
“Wereldwijd zal het plastic afval bijna verdrievoudigd zijn in het jaar 2060 volgens een OECD-rapport uit 2022. Weet je hoeveel plastic er nu hergebruikt wordt? Slechts 9%. Inderdaad zo weinig. De helft gaat naar de vuilnisbelt, 19% wordt verbrand en de overige 22% wordt illegaal gestort. En die cijfers komen uit 2019.”
“Chemische recycling is de perfecte vervanger voor fossiel geproduceerd plastic”dr. Simone Beatrice Moos
In de huidige lineaire economie wordt het plastic voornamelijk uit fossiele brandstoffen (85%) geproduceerd, verbruikt en daarna voor eeuwig afgedankt. Absoluut niet duurzaam. In de circulaire economie daarentegen zijn hernieuwbare grondstoffen de voornaamste bron en wordt plastic na gebruik gerecycled en komt zo terug in de plastic kringloop.
“De verwachting is dat in 2050 55% van het plastic uit recyclaat komt. Stel dat fossiele brandstoffen dan zijn uitgefaseerd voor de plastic productie, dan komt de rest uit biomaterialen en kunststof gemaakt met afgevangen CO2. Om die doelstelling te halen gaat chemische recycling een centrale rol spelen. Chemische recycling is de perfecte vervanger voor fossiel geproduceerd plastic. En veel beter dan mechanische recycling, wat neer komt op downcycling, want daarbij gaat de kwaliteit van de grondstof achteruit.”
Bij chemische recycling wordt het plastic niet gezeefd, verkleind en vermalen om er bijvoorbeeld bermpaaltjes van te maken, maar teruggebracht naar de oorspronkelijke componenten. Dit kan bijvoorbeeld door het plastic afval onder hoge druk en zuurstofloze condities bij een temperatuur van circa 600 °C te verhitten voor het winnen van pyrolyseolie.
Dit proces kost veel energie: die zou daarom uit duurzame bron moeten komen. In de kraker van de raffinaderij kunnen van de olie weer bouwstenen gemaakt worden voor de productie van plastics. Daartoe worden de koolwaterstoflengtes van variabele lengte gebroken. Dit zet de polymeren om in monomeren.
Uit deze bouwstenen worden vervolgens nieuwe, hoogwaardige kunststoffen gemaakt. Er is wel een addertje onder het gras bij dit recyclingproces: vervuilingen zijn taboe. “De olie moet aan hoge eisen voldoen om de kraker niet te beschadigen, de katalysatoren zijn hier gevoelig voor. Er mag bijvoorbeeld maximaal 1.0 ppb aan ijzer in pyrolyseolie zitten, anders kan het niet in een kraker geleid worden.”
Vandaar dat er een strenge ingangscontrole van de te recyclen afvalplastics nodig is op ongewenste elementen. Buiten ijzer valt te denken aan:
Bij de kwaliteitscontrole van de geproduceerde pyrolyseolie zijn bovendien ook elementen als zuurstof, zwavel en stikstof van belang. Zijn deze gehaltes te hoog, dan moet de olie gereinigd worden, of hij moet met zuivere, fossiele ruwe olie gemengd worden, zodat gehalten onder de grenswaarden blijven.
Analytik Jena, onderdeel van de Endress+Hauser Group, heeft een complete oplossingen ontwikkeld voor alle noodzakelijke kwaliteitscontroles bij chemische recycling.
Bij ICP-OES worden de elementen na het ioniseren van het monster met plasma bepaald aan de hand van hun karakteristieke emissielijnen en gekwantificeerd. Deze techniek is volgens Moos uitermate geschikt voor de kwaliteitscontrole van metalen bij chemische recycling, omdat snel meerdere elementen te bepalen zijn met een breed meetbereik van ppt tot procenten.
Lees: met voldoende precisie om schade aan de kraker te voorkomen. “Lage detectiewaarden zijn namelijk noodzakelijk. Met onze ICP-OES, de PlasmaQuant 9100 Elite, meten we ijzer op een niveau van 0,3 ppb, het maximaal toegestane gehalte voor de kraker is 1 ppb.”
“Als je niet oppast, kan de analyse van pyrolyseolie in de papieren lopen”
High-throughput analyse van pyrolyseolie kan problematisch zijn, stelt ze. “Bij de analyse van de olie met ICP-OES is het belangrijk een voor het doel geschikte generator te gebruiken om de ‘probe’ betrouwbaar te ioniseren. Daarom gebruiken we een high-frequency generator met een vermogen van 1700W. Een geoptimaliseerde plasmatoorts verzekert daarbij dat er zich geen koolstofafzettingen op de injector vormen. Dat tezamen zorgt voor een langdurig stabiel meetsignaal, terwijl het onderhoud minimaal en simpel is.”
Als je niet oppast, kan de analyse van pyrolyseolie in de papieren lopen, waarschuwt ze. “Ons toestel kun je probleemloos ’s nachts uitschakelen — dat is heel bijzonder. Dat scheelt veel in het argon- en elektriciteitsverbruik. Na 15 minuten opwarmen is hij weer klaar voor gebruik. Daar komt bij dat je bij ons de olie onverdund kunnen analyseren. Dat is minder bewerkelijk en er is minder oplosmiddel nodig, dus minder afval en lagere kosten.”
“Pyrolyse olie is heel stroperig. Toch kun je de olie direct in het toestel injecteren met onze verhitte spuit”
De micro-elementen analyzer controleert of er niet te veel chloor, zwavel, koolstof en stikstof in de pyrolyseolie zit. Hiervoor wordt de olie verhit naar 1050 °C. Het monster wordt verbrand in een zuurstofstroom en in gasfase gebracht. Dan volgt het kwantificeren van de doelanalyten CO2, SO2, NOx en HCl.
Een lastige analyse, stelt Moos: “Pyrolyseolie is moeilijk gecontroleerd te verbranden, omdat het heel reactief is. Daarom heeft onze multi EA 5100 een vlamsensor die het monster automatisch uit de hete ovenzone haalt als het verbrandingsproces te heftig wordt. Dat garandeert dat het monster compleet verbrandt zonder roet op te bouwen. Dat wil je namelijk echt niet, je zou dan eerst het hele systeem moeten reinigen, alvorens je een volgende analyse kunt doen.
De monsterbewerking is minimaal door een slim ontwerp. “Pyrolyseolie is heel stroperig. Toch kun je de olie direct in het toestel injecteren met onze verhitte spuit.”
Het chloorgehalte van pyrolyseolie kan flink fluctueren. Dit compliceert de analyse. Ook hier is iets op bedacht: “Coulometrische titratie met een speciale sensor-elektrode. Hierdoor kunnen we in een breed bereik − van 10 nanogram tot 1 milligram − chloor meten. En veiligheid voor alles. Een filter houdt het zwavelzuur dat ingezet wordt voor het drogen van het meetgas netjes onder controle.”
Bron: Dr Simone Beatrice Moos, Endress+Hauser technical press event, 27th of June 2023
__________
Voor het doorlichten van de kwaliteit van de inkomende plastic stroom op metalen heeft Anaytik Jena een ICP-OES ontwikkeld, hetzelfde toestel wordt ingezet voor de kwaliteitscontrole van van de pyroyseseolie zelf. Hogedoorvoeranalyse van pyrolyseolie is lastig, bewerkelijk en de analyse kan duur uitpakken.
De PlasmaQuant 9100 Elite biedt uitkomst met de volgende oplossingen:
Micro-elementen analyseren in pyrolyseolie kan met de Multi EA 5100.
Pyrolyseolie is moeilijk om te verbranden en erg reactief, daarom heeft deze elementenanalyser:
