Химическая переработка отходов пластмасс на примере Японии

Сортировка мусора — это хорошо зарекомендовавший себя ритуал в Японии, который мало кто подвергает сомнению, несмотря на затраченное время и усилия. У типичного жителя крупного города есть возможность сдать мусор, который можно сжечь, в специально отведенное место по понедельникам и четвергам. По вторникам — сдать металлические банки и бутылки из полиэстера, по средам — газетную бумагу и другую перерабатываемую бумагу, а по субботам — другую пластиковую тару. По воскресеньям весь мусор остается дома, пишет издание C&EN.

Граждане Японии в целом согласны с этими жесткими правилами сортировки мусора. Добровольное участие вдохновило планировщиков задуматься об инновационных способах добычи этих отходов. Еще в 2003 году Япония перерабатывала использованный пластик в аммиак. Сейчас, несмотря на неудачи в США и других странах, все больше и больше японских компаний стремятся использовать бытовые отходы для производства основных химических веществ, таких как водород, этанол и этилен.

Sekisui Chemical продолжает усилия по разработке наиболее эффективного способа переработки бытовых отходов в этанол. «В нашем процессе используются микроорганизмы, которые существуют в желудках кроликов», — говорит Сатоши Кома, руководитель отдела развития корпоративного нового бизнеса в группе биоперерабатывающих заводов Sekisui.

Компания сформировала технический альянс с американской фирмой LanzaTech, которая поставляет микробы, и находится на завершающей стадии создания демонстрационного проекта. В их процессе горючий мусор, такой как остатки еды и пластиковая пленка, газифицируется до угарного газа и водорода и очищается с помощью технологии Sekisui. Микроорганизмы LanzaTech поглощают газы и выделяют этанол в качестве отходов.

Кома утверждает, что этанол извлекается в виде примерно 5% раствора, затем перегоняется до чистоты 99% или выше и поставляется в качестве химического сырья. 

«В настоящее время самой большой проблемой в демонстрационных испытаниях является стабильное производство от 1000 до 2000 л этанола из 20 т горючих отходов в день. Дисциплинированные привычки японского населения к сортировке не меняют того факта, что состав бытовых отходов меняется ежедневно, а содержание воды варьируется. В то же время характеристики микробного корма фиксированны. Мы накапливаем исследования, чтобы создать более постоянный состав газа, соответствующий этим спецификациям», — говорит Сатоши Кома. 

Хотя проблемы с переработкой мусора в этанол остаются, Sekisui уже мыслит масштабно. Ежегодно горючие отходы, образующиеся в Японии, имеют энергоемкость около 800 трлн кДж, отмечает Кома, в то время как нафта, которую японские нефтехимические компании ежегодно используют в качестве сырья для производства пластмасс, содержит 630 трлн кДж. Математически возможно производить все пластиковые материалы внутри страны из горючих отходов.

Правительство Японии поддерживает демонстрацию технологии Sekisui грантом Фонда зеленых инноваций на сумму более 100 млн долл. в течение восьми лет.

Sekisui надеется завершить демонстрацию к концу 2025 года, выбрать площадку для проекта и начать строительство завода в 2026 году или позже. Компания согласилась поставлять этанол Sumitomo Chemical для производства этилена и пропилена по новому процессу Sumitomo, в котором в качестве сырья используется этанол.

В то же время Sekisui работает с косметической фирмой Shiseido над испытанием использования этой технологии на пустых пластиковых косметических контейнерах, возвращаемых потребителями. Этот проект послужит моделью цикла переработки ресурсов, который могли бы реализовать другие компании.

Тошиаки Есиока, профессор Высшей школы экологических исследований Университета Тохоку (Tohoku University’s Graduate School of Environmental Studies), говорит, что он все больше надеется на прогресс, которого добивается японская химическая промышленность. «Если бизнес по вторичной переработке связан с нефтепереработкой и нефтехимией, то сама переработанная продукция будет напрямую связана с оборотом основных химикатов и химического сырья и продуктов», — говорит профессор.

Пластиковые отходы в водород

Одним из пионеров использования отходов в качестве химического сырья является завод по переработке отходов Resonac Holdings в Кавасаки, Япония, который уже более 20 лет перерабатывает пластиковые отходы в водород.

Хироши Ито, генеральный менеджер отдела по продвижению химической переработки пластика компании Resonac, вспоминает, что два десятилетия назад Япония столкнулась с сильным нормативным давлением, требующим стимулировать переработку пластмасс. Новый закон предписывал переработку контейнеров и упаковки, выброшенных домашними хозяйствами как отходы.

«Мы нашли сырье для производства водорода, сырья для аммиака, в использованных пластиковых отходах, — говорит Ито, — и компания начала химическую переработку использованных пластиков, собранных местными властями».

Подход Resonac предполагает предварительную обработку пластика с последующей двухэтапной газификацией для получения водорода и углекислого газа. По словам Ито, обе реакции частичного окисления протекают за счет внутреннего тепла, а не от внешнего источника тепла. Оставшийся шлак продается как материал для дорожного полотна, добавляет он. Завод уникален тем, что у него нет дымохода.

Полученный водород используется в качестве сырья для производства аммиака, акрилонитрила или азотных удобрений. Компания поставляет аммиак для нейтрализации оксидов азота, образующихся на электростанциях Восточно-Японской железной дороги.

Завод по переработке химии Resonac имеет годовую мощность переработки пластика около 70 тыс. т. В этом процессе образуется чуть больше половины водорода, необходимого компании для производства аммиака. В своем среднесрочном плане Resonac рассматривает возможность увеличения своих мощностей, чтобы производить весь необходимый водород из пластиковых отходов. Компания также планирует лицензировать свою технологию газификации другим компаниям.

Ито ожидает спроса на дополнительные мощности по переработке отходов, такие как у Resonac. По его словам, второй закон о вторичной переработке пластмасс, вступивший в силу в 2022 году, нацелен на пластмассы, на которые не распространялся предыдущий закон. Ито говорит, что ему известно о производителях, которые сжигают пластиковые отходы и теперь вместо этого ищут способы их переработки.

Пластмассы в пиролизное масло и этилен

Resonac и Sekisui входят в число крупнейших химических компаний Японии, а более мелкие игроки, такие как CFP Group, также помогают создавать инфраструктуру переработки отходов в химическую продукцию. Компания CFP, которая начинала с механической переработки пластмасс, теперь использует химическую переработку, чтобы превратить промышленные отходы пластмассы в пиролизное масло, сырье для производства этилена.

Компания уже имеет завод в Окаяме (Япония) годовой мощностью 3 тыс. т и строит там еще один завод мощностью 6 тыс. т, который планируется завершить этой осенью. Один из клиентов, Mitsui Chemicals, начал подавать пиролизное масло из CFP в установку для крекинга этилена в Осаке, Япония, и производить нефтехимические продукты на основе этого масла.

CFP начала производить пиролизное масло после финансового кризиса 2008 года, когда «экспорт пластиковых отходов, в основном в Китай, упал», говорит генеральный директор Намие Фукуда. CFP требовался еще один выход для перерабатываемых пластиковых отходов.

Компания начала исследование метода каталитического крекинга, в котором используется технология Университета Китакюсю, но «каталитический процесс был дорогостоящим и обременительным с точки зрения управления, и компания решила разработать собственный метод пиролиза», говорит Фукуда.

Пиролиз широко известен как метод превращения пластмасс в синтетическую сырую нефть. Но CFP изо всех сил пыталась производить нефть с низкой вязкостью, такую как легкая нафта, используемая многими нефтехимическими производителями Японии. Прежде чем разработать практическую технологию, компания безрезультатно построила пять демонстрационных установок, а Фукуда «около пяти раз думала о прекращении [исследований]», говорит она.

Однако CFP выстоял и преодолел технологическую слабость пиролиза, заключающуюся в том, что он оставляет нерасщепленным слишком много длинноцепочечных углеводородов. Фирма «преуспела в разработке технологии производства нефти с такой же низкой вязкостью, как у продукта, полученного методом каталитического крекинга», говорит Фукуда.

Помимо действующих заводов в Японии CFP экспортирует оборудование, созданное на основе своей технологии. Один из них был отправлен в Heng Hiap Industries в Джохоре, Малайзия, в 2016 году. Другой находится в эксплуатации в Палау, Микронезия.

CFP все еще совершенствует свой процесс. Установка мощностью 6 тыс. т в Окаяме сможет удалять хлор из поливинилхлорида, присутствующего в смешанных пластиковых отходах, так что даже если полимер «смешать в 10%, в масле не останется хлора», говорит Фукуда. Третий агрегат годовой мощностью 3 тыс. т планируется ввести в эксплуатацию в следующем году.

Ноу-хау компании привлекает внимание крупных японских химических компаний, стремящихся увеличить свои инвестиции в переработку отходов. Asahi Kasei, например, получила право на закупку 3 тыс. т пиролизного масла в год у CFP в течение 10 лет.

Японии еще предстоит пройти путь по переработке отходов в химию. По данным Японского института управления пластиковыми отходами, в 2022 финансовом году в стране было произведено 8,2 млн т пластиковых отходов, которые примерно поровну распределились между потребительскими и промышленными отходами. Страна переработала впечатляющие 87% своих пластиковых отходов, но более двух третей из них было сожжено и только 280 тыс. т было переработано химическими методами, такими как те, которые используют Resonac и CFP.

Йошиока, профессор экологических исследований, говорит, что Японии необходимо сократить термическую переработку и заменить ее химической переработкой, и этот сдвиг, по его словам, возможен, если технология продолжит развиваться.

Эксперт отмечает, что если можно будет построить крупные центры сбора и сортировки, подобные тем, что есть в Европе, и если можно будет создать систему, в которой можно будет сконцентрировать различные процессы переработки химии и материалов, то можно будет создать конкурентоспособную на международном уровне индустрию переработки полимерных отходов.