Chemische recycling

Kunststoffen zijn een essentieel onderdeel van ons dagelijks leven. Een consequentie hiervan is dat er in Europa elk jaar ongeveer 30 miljoen ton kunststofafval ingezameld. Ruwweg 85% hiervan wordt verbrand, geëxporteerd of naar een stortplaats gebracht. Dit is niet alleen een verspilling van onze kostbare hulpbronnen, maar het draagt ook in grote mate bij aan de wereldwijde CO₂-uitstoot. Het mag dan ook geen verrassing zijn dat er een enorme vraag is naar methoden die de mogelijkheid tot hergebruik van plastic materiaal bieden. Traditioneel gebeurt dit met mechanische recyclingmethoden. Niet elk kunststofmateriaal kan echter mechanisch worden gerecycleerd. Dit is waar de nieuwe chemische recyclingsector om de hoek komt kijken.

Wat is chemische recycling?

Chemische recycling is de overkoepelende term voor ‘verschillende opkomende technologieën in de afvalverwerkingsindustrie die het mogelijk maken kunststoffen te recyclen die te moeilijk of niet rendabel zijn om mechanisch te recyclen’. Chemische recycling is dus een aanvulling op mechanische recycling in de zin dat het de mogelijkheid biedt om verder waarde te onttrekken aan polymeren die hun economisch potentieel voor mechanische verwerking hebben uitgeput. Terwijl moeilijk recyclebare kunststofproducten in het verleden werden verbrand of gestort, dient chemische recycling als alternatief om de kunststoffen opnieuw te gebruiken en er zelfs grondstoffen van nieuwe kwaliteit aan te onttrekken. Deze kunnen dan opnieuw in de toeleveringsketen voor kunststoffen worden gebracht.

Figuur 1: De recycling cirkel.

In een meer wetenschappelijke manier van schrijven, stellen we dat: ‘Chemische recycling beschrijft elke technologie die gebruik maakt van processen of chemische middelen die de chemie van de polymeren rechtstreeks beïnvloeden’. Er zijn drie categorieën, gebaseerd op de plaats in de toeleveringsketen van kunststoffen (zie figuur 1).

De categorieën corresponderen met de gekleurde pijlen. Deze zijn:

  • Purificatie/Solvatatie
  • Depolymerisatie
  • Recycling van grondstoffen (thermische conversie)

Mechanische recycling is ook in het figuur te zien. Hierbij wordt de chemische structuur van het materiaal echter niet ingrijpend gewijzigd, maar wordt gebruik gemaakt van mechanische bewerking om de afvalpolymeren klaar te maken voor hergebruik.

Solvatatie

Ontbinding is een proces waarbij oplosmiddelen worden gebruikt waarin het kunststofafval wordt ontbonden. Daarna wordt een reeks zuiveringsstappen uitgevoerd om additieven en verontreinigingen uit het polymeer te verwijderen. Wanneer het geselecteerde polymeer volledig is opgelost, kan het worden gekristalliseerd. Daarom is het belangrijk een oplosmiddel te kiezen dat selectief is voor het bedoelde polymeer, of voor de additieven. Het “eindproduct” van dit proces is een gezuiverd polymeer. De techniek is vooral geschikt voor PVC, PS, PE en PP.

Depolymerisatie

Zoals de naam al zegt, is depolymerisatie het tegenovergestelde van polymerisatie. Bij dit proces worden de polymeren afgebroken tot monomeer- of oligomeermoleculen (kortere polymeerfragmenten). Deze monomeren zijn precies dezelfde als de nieuwe monomeren die worden gebruikt om de polymeren te maken. Dit betekent dat ze gemakkelijk opnieuw in het fabricageproces kunnen worden gebracht. Het nadeel van deze technologie is dat ze alleen kan worden toegepast op polycondensaten, zoals polyester (PET), polyamiden (PA) en polyurethanen. Het grootste deel van de kunststofafvalstroom bestaat echter uit “additionele” polymeren, zoals PP, PE en PVC.

Recycling tot chemische bouwstenen

Deze techniek bestaat uit verschillende thermische technologieën die polymeren afbreken tot eenvoudiger moleculen, die als grondstof kunnen dienen voor de petrochemische industrie. De outputs van deze manier van recycling zijn basischemicaliën, zoals koolwaterstoffen of syngas. Deze chemicaliën kunnen dan verder worden verwerkt om een polymeer te maken. Er zijn drie hoofdprocessen: pyrolyse, gasificatie en hydrothermale behandeling.

Pyrolyse

Bij dit proces worden de polymeren afgebroken tot eenvoudige koolwaterstoffen. Dit gebeurt door verhitting van de kunststof in afwezigheid van zuurstof, ook wel ‘thermisch kraken’ genoemd. Met behulp van een destillatieproces kan de koolwaterstofdamp worden opgesplitst in zwaardere en lichtere fracties. Deze pyrolyseproducten kunnen op dezelfde manier worden verwerkt als olie, om nieuwe polymeren te maken. Als alternatief kan het na enkele bewerkingsstappen ook als brandstof worden gebruikt.

Gasificatie

Dit proces bestaat uit het verhitten van gemengd plastic afvalmateriaal tot zeer hoge temperaturen, rond de 1000 tot 1500 °C. Deze verhitting gebeurt in aanwezigheid van een beperkte hoeveelheid zuurstof, die ervoor zorgt dat de moleculen uiteenvallen in hun eenvoudigste bestanddelen, en levert een syngas op. Syngas is een mengsel van waterstof, koolstofmonoxide en koolstofdioxide. Dit gas kan op zijn beurt worden gebruikt voor de productie van nieuwe chemicaliën, kunststoffen of zelfs brandstoffen en meststoffen.

Aanvullende processen

Hydrothermische behandeling (HTT)

Hydrolyse is de chemische reactie waarbij een verbinding afbreekt in aanwezigheid van watermoleculen in een bijna-kritische toestand. Om water in een bijna-kritische toestand te brengen, wordt het verwarmd tot een temperatuur van 160 tot 240 graden Celsius en onder druk gezet om het in vloeibare toestand te houden. Deze toestand van het water maakt het een goed medium voor het oplossen van organische verbindingen, zoals plastic afval. HTT is voorgesteld als een oplossing voor de scheiding van gemengd afval in organische en anorganische stoffen.

Delaminatie

Plastic verpakkingen bestaan soms uit verschillende polymeerlagen, die we ‘gelamineerd’ noemen. Men kan gemakkelijk merken dat dergelijke verpakkingen moeilijk te recyclen zijn, vanwege de afgesloten lagen die niet gemakkelijk toegankelijk zijn voor recyclingtechnieken. Er wordt echter geëxperimenteerd met verschillende nieuwe processen om ook dit soort verpakkingen te recyclen. Hoewel er ook mechanische recyclingtechnieken worden voorgesteld, speelt chemische recycling ook hier een grote rol. Het proces waarbij polymeerlagen van elkaar worden gescheiden wordt delaminatie genoemd en is veelbelovend gezien het feit dat veel kunststofverpakkingen gelaagd zijn.

Het toekomstperspectief

In de komende tien jaar zal de hoeveelheid plastic afval bijna verdubbelen, tot 460 miljoen ton in 2030. Op dit moment wordt slechts 12% van het kunststofafval gerecycled, maar dat zou kunnen oplopen tot 50% in 2030. Deze groei vereist een aanzienlijke uitbreiding van de infrastructuur voor de inzameling van kunststofafval en efficiëntere sorteersystemen en mechanische recycling, aangevuld met de infrastructuur voor chemische recycling.

Chemische recycling zou dus een aandeel kunnen hebben in de groei van recycling. Dit is te danken aan het vermogen van chemische recycling om polymeerafvalstromen te behandelen die mechanische recyclers momenteel niet kunnen verwerken. Afvalstromen van gemengde polymeren die niet mechanisch kunnen worden gerecycleerd, kunnen worden behandeld door middel van recycling tot chemische bouwstenen. Chemische recycling creëert waarde in voorheen niet-recyclebaar kunststofafval, door de kunststoffen af te breken tot petrochemische grondstoffen, waarna ze kunnen worden hergebruikt als bouwstenen voor nieuwe polymeren. Het slaat een brug tussen afvalbeheerbedrijven en de petrochemische industrie, waardoor een circulaire waardeketen voor kunststoffen ontstaat.

Ondanks de veelbelovende toekomst van chemische recycling maakt CHEM Trust zich nog steeds zorgen over de nieuwe technologieën, aangezien er niet veel transparantie wordt gegeven over de gevaarlijke/toxische bijproducten die de chemische reacties kunnen voortbrengen. Om dit te weten te komen, moet verder onderzoek worden verricht naar deze bijproducten en moet ook worden bepaald hoe kan worden voorkomen dat zij in het milieu terechtkomen.

Bronnen:

https://www.bpf.co.uk/plastipedia/chemical-recycling-101.aspx

https://cefic.org/a-solution-provider-for-sustainability/chemical-recycling-making-plastics-circular/

https://chemtrust.org/chemical-recycling/

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cssc.202002877