Термокаталитический крекинг отходов полистирола для получения ценных продуктов

Актуальность

Полистирол обладает высоким спросом и широкой сферой применения. Из него производят упаковку для продуктов питания, одноразовую посуду и даже медицинские инструменты. Вспененный полистирол (пенопласт) – один из главных упаковочных материалов. Рост производства полистирола вызывает потребность переработки его отходов. Постоянно накапливающиеся отходы требуют разработки новых методов их переработки в полезные химические соединения. Один из подходов переработки – селективное растворение пластика в нефтяных фракциях из смеси бытовых отходов. Использование чистых ароматических растворителей для переработки стирола является слишком дорогим. По этой причине растворение полистирола в дешёвых фракциях, например, таких как тяжёлый газойль каталитического крекинга (ТГКК), представляет особый интерес.

Цель

Изучение процессов переработки полистирола в химические соединения, а также анализ полученных данных о составе продукта

Задачи

1. Приготовить раствор полистирола в тяжёлом газойле каталитического крекинга

2. Провести эксперимент по крекингу раствора полимера в присутствии катализатора

3. Провести эксперимент по крекингу раствора полимера без катализатора (термический крекинг)

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Установка для каталитического крекинга Grace Davison SCT-MAT (short contact time – micro activity test)

• Хроматограф «Кристаллюкс 4000М» с детектором ПИД/ДТП

• Насадочная колонка с молекулярным ситом типа CaX (3 м х 3 мм)

• Капиллярная колонка HP-Plot Al₂O₃/Na₂SO₄ (Agilent, 50 м, 0,32 мм)

Описание

В качестве образца полистирола автором была взята полистироловая крышка из-под кофе, а в качестве растворителя выступал тяжёлый газойль. Процесс растворения происходил в течение двух часов на электрической печке при температуре 150 °С при помощи магнитной мешалки. Всего на тяжёлый газойль пришлось 10 % полимера. Далее с раствором полимера был произведён термический крекинг при температуре 560 °С, продукт деструкции – стирол; затем был проведён каталитический крекинг при той же температуре, но в присутствии цеолитного катализатора, продукт крекинга – ароматические углеводороды. Эти эксперименты были проведены на установке каталитического крекинга. Вначале печь установки прогревали до температуры 560 °С. Дальше включался ток подачи азота со скоростью 30 мл/мин. Затем взвешивали основной приёмник для сбора продукта, получившегося в результате крекинга, и вспомогательный приёмник-ловушку. В шприц автор набирал раствор полимера в тяжёлом газойле и только после этого взвешивал. Потом собиралась сама установка. Внизу, под печью, закрепляли с помощью зажимов приёмники. Вокруг приёмников автор поместил лёд, для того чтобы продукт сконденсировался (т. е. чтобы произошёл переход вещества из газообразного в жидкое состояние). Итак, первый приёмник поместили в лёд с солью, здесь температура составляла –5 °С. В сосуд Дюара автор наливал раствор спирта, застывающий при низкой температуре, и помещал в него второй приёмник. Спирт охлаждался жидким азотом до –50 °С. Ловушка сконденсировала углеводороды С5–С6.

Длительность эксперимента составила 12 минут; после завершения эксперимента установку разбирали, взвешивали шприц и два приёмника.

Результаты работы/выводы

Гистограмма сравнения селективностей по ароматическим углеводородам для термического и каталитического крекинга в расчёте на чистый полимер

Было установлено, что в реакции каталитического крекинга образуются преимущественно ароматические углеводороды ряда С6–С8 – это бензол, толуол, изомеры ксилола и винилбензол; селективность по данной фракции составляет свыше 90 %. При этом термический крекинг позволяет получать винилбензол с селективностью до 94,8 %.

Перспективы использования результатов работы

Данная работа показывает, что полистирол возможно экстрагировать из смеси отходов и перерабатывать его как в мономеры, так и в ценные ароматические фракции.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН (ИНХС РАН), лаборатории химии нефти и нефтехимического синтеза.