لزوم بازیافت پلی‌یورتان
پلیمرها و محصولات پلاستیکی مهندسی شده با تولید جهانی بیش از ۳۶۰ میلیون تن در سال ۲۰۲۰، به بخشی جدایی ناپذیر از جامعه ما تبدیل شده‌اند. یکی از انواع مهم و همه کاره پلاستیک‌ها، پلی‌یورتان (PU) است که از واحدهای تکراری کاربامات بدست آمده از واکنش پلی‌ال و دی ایزوسیانات به وجود می‌آید. در سال ۲۰۲۰، حجم بازار پلی‌یورتان نزدیک به ۲۴ میلیون تن بود که پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۲۶ به ۲۷/۶ میلیون تن افزایش یابد. PU را می‌توان در اکثر کالاهای مصرفی روزمره مانند مبلمان، کفش، اسفنج آشپزخانه، مصالح ساختمانی و دستگاه‌های سرمایشی یافت. همچنین پلی‌یورتان به طور گسترده در مواد پیشرفته مانند قطعات هواپیما و خودرو استفاده می‌شود. از آنجایی که شاکله PU به طور سنتی از منابع فسیلی تهیه می‌شوند، بازیافت PU برای مقابله با انتشار روزافزون CO2 بسیار مطلوب است. علاوه بر کاهش نیاز به مواد مبتنی بر فسیل، بازیافت در حالت ایده‌آل به معنای کاهش گسترده دفن زباله است و نیاز به سوزاندن مواد را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.
روش‌های بازیافت پلی‌یورتان
پلاستیک‌های گرماسخت مانند PU به دلیل وجود اتصالات عرضی و ساختار شبک‌های نمی‌توانند ذوب شوند. بنابراین قابلیت ذوب و قالب‌گیری مجدد به عنوان استراتژی بازیافت در این مواد وجود ندارد. پلی‌یورتان را می‌توان مجدداً به صورت مکانیکی استفاده کرد که از طریق گرانول‌سازی و استفاده پودر حاصل به عنوان پرکننده در فرمولاسیون قابل ترکیب با یک چسب (معمولاً پلی‌ایزوسیانات‌ها) و نیز فشرده‌سازی خارجی انجام می‌گردد. این روش که به Rebonding مشهور است، امکان ایجاد محصولات نسل دومی مانند بالشتک از ضایعات فوم PU را فراهم می‌سازد. این مواد در اکثر موارد کیفیت متفاوتی نسبت به محصول اصلی دارند و خط تولید آنها کوچک می‌باشد. علاوه بر این، ضایعات فوم منعطف را فقط می‌توان چندین بار به صورت محدود Rebond کرد، به گونه‌ای که پس از چندین بار انجام فرآیند، محصول مورد نظر دیگر نتواند ویژگی‌های مورد نیاز و مطابق انتظار روش‌های بازیافت پلی‌یورتان را برآورده کند. بنابراین مطلوب است که فرآیندهایی برای بازیافت پلی‌یورتان به مواد اصلی یا سازنده (پلی‌ال و دی ایزوسیانات) و یا دیآنیلین سازنده دی ایزوسیانات طراحی شوند. این امر پلیمریزاسیون مجدد اجزاء بازیافت شده را به محصولات درجه یک و با کیفیت امکان‌پذیر می‌سازد. در بازیافت شیمیایی PU، فرآیندهایی مانند هیدرولیز (Hydrolysis)، اسیدکافت (Acidolysis)، آمین‌کافت (Aminolysis)، الکل‌کافت (Alcholysis)، هیدروژناسیون کاهشی و گلیکول‌کافت (Glycolysis) برای دستیابی به مواد اولیه تشکیل دهنده پلی‌یورتان مورد استفاده قرار می‌گیرند.
گلیکول‌کافت تک فازی (Single-phase glycolysis)
در طی سالیان متمادی، گلیکول‌کافت بیشترین توجه را در مقیاس صنعتی به خود جلب کرده است، اگرچه سایر فناوری‌های تجاری با هدف تولید پلی‌ال، اخیراً مورد توجه قرار گرفته‌اند. در فرآیند گلیکول‌کافت مرسوم، یک مخلوط واکنش تک‌فازی از حرارت دادن فوم PU در حضور کاتالیزور و دیال با وزن مولکولی پایین ایجاد می‌شود. مخلوط به دست آمده شامل دیال باقیمانده، پلی‌ال، دیآنیلین و مشتقات (آمینو) کاربامات از دیآنیلین است. از آنجایی که آمین‌های آروماتیک سینتیک فرآیند فومزایی، ترکیب و خواص فوم را تحت تأثیرقرار می‌دهند و همچنین سمی هستند، به عنوان محصولات نامطلوب در پلی‌ال بازیافتی شناخته می‌شوند و بنابراین در بسیاری از موارد با ترکیبات اپوکسید یا کربنات حلقوی برای تبدیل آمین‌ها به پلی‌ال واکنش می‌دهند. مخلوط واکنش حاصل حاوی مقدار قابل‌توجهی از گروه‌های عاملی آروماتیک و کربونیل است. بنابراین، نیاز به افزودن مقادیر قابل‌توجهی از پلی‌ال باکیفیت به پلی‌ال بازیافتی وجود دارد تا محصولات پلی‌یورتان باکیفیت و با خواص فیزیکی و مکانیکی قابل قبول در نتیجه فرمول‌سازی مجدد به وجود آیند. پلی‌ال جدید به دست آمده از بازیافت توسط گلیکول‌کافت باید با مقدار قابل‌توجهی از پلی‌ال باکیفیت (۹۵-۷۵ درصد وزنی) مخلوط شود تا مشخصات و ویژگی‌های مورد انتظار را در محصول نهائی برآورده کند.
مطالعه بیشتر: بهترین مواد برای خلق ایده‌ها: سیستم‌های طرح‌چوب
گلیکول‌کافت تقسیم فازی (Split-phase glycolysis)
این نام از مخلوط دو فازی پس از واکنش ناشی می‌شود، به گونه‌ای که فاز بالایی غنی از پلی‌ال و فاز پایینی حاوی مخلوطی از حلال گلیکول‌کافت، دی‌آنیلین‌ها، دی‌کاربامات‌ها و آمینوکاربامات‌ها است. فاز بالایی حاوی پلی‌ال خالص می‌باشد. فاز پایینی حاوی کاتالیزور، دیآنیلین و کاربامات آروماتیک (آمینو) در دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد تحت فرآیند هیدرولیز قرار می‌گیرد تا دیآنیلین در مخلوطی از آب و دیگر مواد تولید گردد. بنابراین، هدف فرآیند گلیکول‌کافت تقسیم فازی بازیافت پلی‌ال‌های اصلی تشکیل دهنده فوم است. افزون بر آن، از طریق واکنش‌ها و فرآیندهای جداسازی بیشتر، جداسازی دی‌آنیلین‌ها هم می‌تواند در این فرآیند انجام شود.
اسیدکافت (Acidolysis)
روش دیگر بازیافت شیمیایی که اخیراً مورد توجه قرار گرفته است، اسیدکافت است. در این روش مخلوط واکنش شامل پلی‌ال و ضایعات جامد حاوی ساختار آروماتیک است که جداسازی آنها می‌تواند از طریق فیلتراسیون انجام گردد. اسیدهای دی کربوکسیلیک، مانند آدیپیک اسید، با مقدار اضافی برای تشکیل پیوندهای آمیدی پایدار از نظر ترمودینامیکی استفاده می‌شود. بنابراین، اسید را می‌توان به عنوان یک واکنشگر قربانی در نظر گرفت که آمین حاصل از تجزیه حرارتی فوم را در یک ترکیب آمید نامحلول محصور می‌کند، به گونه‌ای که فرآیند خالص‌سازی می‌تواند از طریق فیلتراسیون ساده یا تخلیه انجام گردد تا پلی‌ال خالص به دست آید.
هیدولیز (Hydrolysis)
بر خلاف روش‌های گلیکول‌کافت و اسیدکافت، که در آنها بازیافت پلی‌ال اصلی سازنده مورد نظر می‌باشد، در روش هیدرولیز PU هر دو جزء پلی‌ال و دی آنیلین همراه با CO۲ به عنوان تنها محصول جانبی به دست می‌آیند. با این حال، روش هیدرولیز معمولاً به دمای بیش از ۳۰۰ درجه سانتیگراد در فشار بالا نیاز دارد، به گونه‌ای که توسعه این فناوری را تنها در مقیاس آزمایشی فراهم کرده است. هیچ فرآیند صنعتی بر روی بازیافت PU از طریق روش هیدرولیز کار نمی‌کند. یکی دیگر از مشکلات این روش، حذف دشوار آب از جزء پلی‌ال است.
هیدروژناسیون کاهشی
یک فن‌آوری جالب در حال ظهور، هیدروژناسیون کاهشی یورتان‌ها و سایر گروه‌های عاملی کربونیلدار در حضور کاتالیزور فلزات واسطه است. اخیراً ترکیبی از کاتالیزورهای فلزات واسطه و هیدروژن برای بازیافت پلی‌یورتان به اجزاء پلی‌ال، دیآنیلین و دیگر مواد شیمیایی به کار گرفته شده است. در این فرآیند نیازی به استفاده از حلال‌های گلیکول با جوش بالا نمی‌باشد. اما استفاده از ترکیبات گران قیمت فلز و لیگاند استفاده از این روش را در مقیاس صنعتی محدود کرده است. در سال ۲۰۲۰، Milstein و Schaub بازیافت پلی‌یورتان از طریق هیدروژناسیون کاتالیز شده با فلزات واسطه بر پایه Ru و ایریدیوم گزارش کردند. در سال بعد، کاتالیزورهای برپایه منگنز توسط Schaub و همکاران معرفی شدند، که برای تخریب و بازیافت انواع مواد از نوع پلی‌یورتان مورد استفاده قرار گرفتند.
بدون دیدگاه