Riciclo nell’industria chimica

Il riciclo dei materiali è diventata una pratica comune negli ultimi venti anni circa, con le famiglie in molti paesi incoraggiate a separare a fine vita lattine, vetro, plastica, carta e rifiuti da giardino usati. Questi vengono poi riciclati per due ragioni principali.

Una è locale, per risparmiare spazio che altrimenti verrebbe utilizzato come discarica per i rifiuti. Nella sola Unione Europea vengono prodotti 1,3 miliardi di tonnellate di rifiuti – di cui circa 40 milioni di tonnellate di rifiuti pericolosi – ogni anno. Ciò equivale a circa 3,5 tonnellate di rifiuti solidi per ogni persona. Oltre a questo ci sono anche altre 700 milioni di tonnellate di rifiuti agricoli da smaltire. L’altra ragione ha un significato più globale: aiutare a conservare risorse preziose, come metalli, legno ed energia.

Questa unità è dedicata al riciclo di metalli, alcuni prodotti chimici di base e polimeri, il tutto nel contesto dell’industria chimica.

Riciclo di prodotti chimici di base

Acido solforico

Una parte dell’acido solforico è prodotto dall’acido “esaurito” (usato) e da composti a questo correlati come il solfato di ammonio, che è un sottoprodotto della fabbricazione del 2-metilpropenoato di metile.
L’acido e questi composti sono solitamente in soluzione diluita che viene evaporata sotto vuoto per produrre soluzioni concentrate. Questi vengono immessi in un forno con ossigeno a circa 1200 K per produrre anidride solforosa:

L’anidride solforosa viene essiccata mediante passaggio attraverso acido solforico concentrato. Viene quindi ossidata a triossido di zolfo e quindi acido solforico utilizzando un processo di contatto (unità 50).

Acido cloridrico

L’industria siderurgica è un importante utilizzatore di acido cloridrico per il processo di decapaggio per rimuovere le impurità. L’industria utilizza un processo noto come piridrolisi per recuperare l’acido esaurito, che però alla fine contiene una miscela contenente cloruri di ferro. Il liquido esaurito allora viene prima concentrato in un evaporatore, con l’HCl disciolto che viene evaporato e raccolto. Il liquido concentrato viene quindi introdotto in una torrefazione a circa 800-1000 K che converte i cloruri di ferro in HCl e ossido di ferro (III), quindi l’HCl viene nuovamente raccolto. Per esempio:

L’HCl da entrambi i flussi viene assorbito in acqua per produrre una soluzione al 18% di acido cloridrico per il riutilizzo. Tuttavia, è difficile raccogliere tutto il gas HCl e le emissioni nell’aria sono un problema con questo processo.

Riciclo all’interno dei processi

Molti processi riciclano reagenti e prodotti al fine di conservare i materiali e rendere i processi il più efficienti possibile. Un esempio è nella produzione di cloroetene (cloruro di vinile), il monomero per la produzione di PVC. Il cloroetene è ottenuto dall’etene tramite 1,2-dicloroetano, che viene poi spezzato:

Il cloruro di idrogeno viene riciclato e fatto reagire con ossigeno e altro etene. La reazione complessiva può essere rappresentata da:

Riciclo di polimeri

L’aspetto più chiacchierato riguardo ai polimeri non è la loro enorme utilità ma i problemi che questi composti portano come rifiuti. Ciò non sorprende, poiché la produzione annuale mondiale di plastica è di quasi 300 milioni di tonnellate. La Cina ne produce circa il 24% e il resto dell’Asia un altro 16%, l’Europa il 20% e il NAFTA (Accordo di libero scambio nordamericano: Stati Uniti, Canada e Messico) un altro 20%. Per mettere questi numeri in prospettiva, 20.000 bottiglie grandi possono essere prodotte con una sola tonnellata di plastica. Inoltre, l’industria della plastica utilizza quasi il 5% della fornitura mondiale di petrolio.

Uno dei grandi problemi che l’industria deve affrontare è garantire che la plastica possa essere riciclata. Questo racconto riguarda il riciclaggio all’interno dell’industria chimica, la questione del riciclo di tutte le plastiche prodotte è trattata brevemente in una sezione successiva.

Cina	56,7 milioni di tonnellate
Resto dell’Asia	38,1 milioni di tonnellate
Paesi NAFTA	48 milioni di tonnellate
America Latina	11,8milioni di tonnellate
Europa	49,2 milioni di tonnellate
Russia*	7,2 milioni di tonnellate
Medio Oriente e Africa	17,4 milioni di tonnellate
Giappone	11,8 milioni di tonnellate

Riutilizzo della plastica

Riutilizzare la plastica sarebbe l’ideale, e già accade, ad esempio, con le cassette delle bottiglie. A prima vista, la raccolta di materie plastiche che possono essere rimodellate, ad esempio le termoplastiche, come poli(etene) e poli(propene), sembrerebbe una soluzione interessante. Tuttavia, la raccolta e lo smistamento di articoli di plastica in polimeri specifici è un processo costoso e difficile. Viene spesso eseguita manualmente da personale qualificato che classifica le plastiche in tipo di polimero e / o colore. È stata introdotta una tecnologia per smistare la plastica automaticamente, utilizzando varie tecniche spettroscopiche.

In primo luogo, la spettrometria a infrarossi viene utilizzata per distinguere tra plastica trasparente e traslucida. Successivamente un sensore di visione a colori, programmato per ignorare le etichette, identifica varie plastiche colorate (Figura 1). La spettrometria a raggi X viene quindi utilizzata per rilevare l’atomo di Cloro nel poli(cloroetene) (PVC). Infine, uno spettrometro nel vicino infrarosso viene utilizzato per rilevare il tipo di resina, soprattutto per la separazione di poli (etene) (HDPE) ad alta densità e poliestere come il PET. Le velocità di smistamento tipiche sono dell’ordine di 3 articoli al secondo. Per questo motivo schiacciare le bottiglie quando si buttano può rendere più difficoltoso il riconoscimento automatico; d’altra parte il trasporto di bottiglie vuote non schiacciate è antieconomico.

La plastica può anche essere separata in base alla densità mediante flottazione. Un metodo sviluppato di recente prevede la spalmatura della plastica e il suo passaggio attraverso una serie di tubi in sospensione in acqua. La portata della plastica dipende dalla densità, consentendo il prelievo di flussi in diversi punti lungo il tubo.

Il riciclaggio di poliesteri, ad esempio PET (in bottiglie), è ora ampiamente utilizzato. Le bottiglie recuperate vengono lavate, macinate in scaglie, fuse ed estruse come fibre. Le fibre vengono poi utilizzate per realizzare prodotti come i tappeti.

Il poli(etene) ad alta densità, HDPE, utilizzato per bottiglie di succhi e latte, viene anche macinato in scaglie, fuso e pressato in fogli per essere trasformato, ad esempio, in sacchi per contenitori o modellato in contenitori.

Il riciclaggio dei sacchetti di plastica consente di risparmiare circa due terzi dell’energia utilizzata per produrre un nuovo sacchetto. Il PVC è allo stesso modo riciclato ed estruso per tubi o utilizzato per infissi.

Conversione di polimeri in monomeri

Alcuni polimeri possono essere depolimerizzati per riformare i monomeri, che possono quindi essere purificati mediante distillazione e polimerizzati nuovamente per produrre il polimero. Questo ha ancora l’inconveniente che i rifiuti polimerici devono essere smistati prima di essere riscaldati.

Ad esempio, i rifiuti di PET vengono sciolti nell’estere dimetilico dell’acido benzene-1,4-dicarbossilico (acido dimetil tereftalico) e quindi riscaldati con metanolo sotto pressione a 600 K. Ciò produce i due monomeri del PET, etano-1,2- diolo e l’estere dimetilico che vengono successivamente purificati per distillazione.

La poliammide 6 (nylon 6), utilizzata nei tappeti, viene riconvertita nel suo monomero, caprolattame. Il supporto viene rimosso dal tappeto e il tappeto viene quindi sminuzzato e polverizzato. Al riscaldamento, la poliammide 6 depolimerizza:

Dopo purificazione, mediante distillazione, il monomero viene nuovamente polimerizzato per fornire poliammide 6. In un altro processo, non è necessario rimuovere il supporto (che è una spesa aggiuntiva). Invece, le fibre di poliammide 6 vengono riscaldate in un flusso di vapore surriscaldato e depolimerizzate.

È meno facile riutilizzare la poliammide 6,6 che è composta da due monomeri. Tuttavia, DuPont ha un processo in cui i tappeti, senza il supporto, realizzati sia in poliammide 6 che in poliammide 6,6 vengono triturati e polverizzati prima di essere riscaldati fortemente in un’atmosfera di gas ammoniacale. Tra i prodotti vi sono il caprolattame (dalla poliammide 6) e l’1,6-diamminoesano, spesso noto come esametilendiammina, (dalla poliammide 6,6). Questi vengono purificati per distillazione e riutilizzati per produrre le poliammidi.

Le poliammidi da moquette riciclata vengono utilizzate per creare nuovi tappeti e per realizzare cuscini e pavimenti resilienti. Sebbene molti programmi di riciclaggio siano limitati alla raccolta di tappeti usati commercialmente (ad esempio in grandi hotel e uffici), anche questo sta per cambiare e i tappeti domestici saranno utilizzati più ampiamente.

Rompere il polimero

I polimeri, come altri composti organici ad alta massa molecolare come gli alcani nell’olio, possono essere fessurati ad alte temperature per formare molecole più piccole. Ad esempio, se sono crackizzati con vapore, polimeri come poli (etene) e poli (propene) danno alcheni e alcani di piccola massa molecolare che possono essere utilizzati allo stesso modo di quelli formati nel cracking della nafta. A questo scopo vengono costruiti piccoli impianti di cracking.

Le miscele di polimeri possono essere convertite in composti utili mediante pirolisi o ossidazione. Ciò ha il vantaggio che le plastiche non devono essere selezionate rigorosamente prima di essere trattate. La miscela di polimeri viene riscaldata in un flusso di idrogeno a circa 500 K. Se i polimeri contengono cloro (ad esempio PVC), si forma acido cloridrico che viene lavato via. I restanti gas vengono quindi riscaldati a circa 700 K e crackizzati per formare la consueta miscela di idrocarburi (alcani, alcheni, aromatici) che può essere alimentata nel flusso di idrocarburi formato dallo steam cracking di frazioni oleose.

In alternativa, i gas formati dal riscaldamento della miscela di polimeri e dopo la rimozione del cloruro di idrogeno, vengono miscelati con aria e fatti passare attraverso un forno a circa 1500 K per formare una miscela di monossido di carbonio e idrogeno, gas di sintesi. Questo viene quindi immesso nel gas di sintesi prodotto con i metodi usuali. Quest’ultimo processo, attualmente, sembra essere il più favorito.

Polimeri come combustibili

I polimeri possono essere bruciati per produrre energia. I problemi sono che l’incenerimento può produrre fumi nocivi che devono essere intrappolati e il carbonio non viene riciclato anche se l’energia può essere utilizzata.

Gestione dei rifiuti

Questa unità si è occupata del riciclo della plastica nell’industria chimica. Tuttavia, la questione del riciclo della plastica in un contesto più ampio è estremamente importante. In Europa, il 26% della plastica viene riciclata e un altro 36% viene utilizzato per produrre energia. Ciò lascia ancora il 38% (circa 10 milioni di tonnellate) da finire in discarica. Ciò contrasta con un obiettivo zero per le discariche entro il 2020, che viene promosso all’interno dell’Unione europea.

Gli imballaggi rappresentano oltre il 62% dei rifiuti di plastica, ma oltre il 69% viene riutilizzato. Questa proporzione varia molto ampiamente. Quasi tutto viene riutilizzato tramite riciclaggio o produzione di energia in 9 paesi europei (Austria, Svizzera, Germania, Lussemburgo, Danimarca, Svezia, Belgio, Paesi Bassi e Norvegia). Al contrario, grandi paesi come Italia (72%), Francia (67%), Polonia (64%), Spagna (57%) e Regno Unito (38%) sono in ritardo.

Riciclo dei metalli

Il riciclo dei metalli (spesso indicato come produzione secondaria) sta diventando sempre più importante con la produzione di più alluminio e piombo da fonti riciclate che dai loro minerali, e anche grandi quantità di acciaio e rame vengono prodotte tramite riciclo.

I processi sono descritti nelle unità dedicate ai singoli metalli: alluminio, rame, acciaio, piombo e zinco.

In tutti i casi le proprietà dei metalli dopo il riciclo sono completamente inalterate. La loro qualità è la stessa del metallo prodotto dal minerale.

I materiali per il riciclo provengono da tre fonti. Una è il materiale di scarto generato dalla produzione e dalla lavorazione iniziale del metallo. La seconda è il materiale di scarto dalla fabbricazione dei metalli in prodotti. Entrambe queste fonti sono indicate come nuovo scarto. L’ultima, più comunemente considerata dal pubblico come riciclo in senso stretto, è lo stesso prodotto a base di metallo scartato (vecchi rottami). Pertanto, nella produzione di un’auto, ciascuna delle tre fonti di metallo riciclabile diventa disponibile dall’acciaieria stessa, dalla fabbrica che produce le auto e infine quando l’auto stessa viene eventualmente riciclata.

Ultimo aggiornamento 24/02/2021