Valorizzazione industriale dei rifiuti - Compendio

Valorizzazione industriale dei rifiuti

Appunti riassuntivi

Rachele Monnetti

ANNO 2020/21

Sommario

• Le materie plastiche .......................................................................................................................................... 5
• Processi per il trattamento dei rifiuti plastici ................................................................................................ 6
• Metodi di sintesi dei polimeri ........................................................................................................................ 6
• Polimeri termoplastici e termoindurenti ....................................................................................................... 6
• Peso molecolare medio ................................................................................................................................. 7
• Peso molecolare medio numerico ............................................................................................................. 7
• Peso molecolare medio ponderale ............................................................................................................ 7
• Meccanismi di degradazione termica ............................................................................................................ 7
• Processi di trattamento dei rifiuti ..................................................................................................................... 8
• Potere calorifico (PCI) .................................................................................................................................... 8
• Embodied Energy (EE) ................................................................................................................................... 8
• Life Cycle Assessment (LCA) .......................................................................................................................... 9
• Cumulative Energy Demand (CED) ............................................................................................................ 9
• Carbon Footprint (CFP) ............................................................................................................................ 10
• Economia circolare ...................................................................................................................................... 10
• Responsabilità estesa del produttore ...................................................................................................... 10
• Imballaggi riutilizzabili, biodegradabili, oxodegradabili .......................................................................... 10
• Il riciclo ............................................................................................................................................................. 12
• Tipologie di riciclo ........................................................................................................................................ 12
• Confronto fra riciclo meccanico e riciclo chimico/termochimico ............................................................... 12
• Il riciclo meccanico .......................................................................................................................................... 14
• Fasi del riciclo meccanico ............................................................................................................................ 14
• Tecnologie di smistamento e selezione delle plastiche .......................................................................... 15
• Degradazione dei polimeri .......................................................................................................................... 16
• Degrado termico dei polimeri ................................................................................................................. 17
• Degrado foto-ossidativo dei polimeri ...................................................................................................... 17
• Esempi di riciclo meccanico ......................................................................................................................... 17
• Riciclo meccanico di PMD – Plastics, Metals, Drinkkarton ...................................................................... 17
• Riciclo meccanico di mix plastici .............................................................................................................. 18
• Riciclo meccanico di RAEE ....................................................................................................................... 18
• Riciclo meccanico del polimero ABS ........................................................................................................ 20
• Riciclo meccanico del PET ........................................................................................................................ 21
• Il riciclo chimico ............................................................................................................................................... 26
• Sostenibilità economica del riciclo chimico ................................................................................................. 26
• Processi di chemiolisi ................................................................................................................................... 26
• Esempi di riciclo chimico ............................................................................................................................. 27
• Riciclo chimico del PET ............................................................................................................................ 27
• Riciclo chimico di poliammidi .................................................................................................................. 29
• Riciclo chimico di poliuretani ................................................................................................................... 29
• Il riciclo termochimico ..................................................................................................................................... 31
• Confronto fra gassificazione e pirolisi ......................................................................................................... 31
• Gassificazione .............................................................................................................................................. 33
• Prodotti della gassificazione .................................................................................................................... 33
• Fasi della gassificazione ........................................................................................................................... 33
• Reazioni della gassificazione.................................................................................................................... 34
• Parametri operativi della gassificazione .................................................................................................. 35
• Reattori di gassificazione ......................................................................................................................... 35
• Problema della formazione del tar nella gassificazione .......................................................................... 36
• Gassificazione della biomassa ................................................................................................................. 37
• Gassificazione di rifiuti plastici ................................................................................................................ 40
• Confronto fra gassificazione ed altri processi termochimici ................................................................... 42
• Gassificazione con acqua supercritica ..................................................................................................... 43
• Pirolisi .......................................................................................................................................................... 45
• Pirolisi per il trattamento dei rifiuti ......................................................................................................... 45
• Prodotti di pirolisi .................................................................................................................................... 46
• Parametri operativi della pirolisi ............................................................................................................. 46
• Tipologie di pirolisi ................................................................................................................................... 46
• Pirolisi di biomassa .................................................................................................................................. 49
• Pirolisi di plastiche ................................................................................................................................... 56
• Metodi idrotermi ......................................................................................................................................... 66
• Carbonizzazione idroterma (HTC) ............................................................................................................ 67
• I vettori energetici ........................................................................................................................................... 68
• Ciclo di vita del vettore energetico ............................................................................................................. 68
• Stato fisico dei vettori energetici ................................................................................................................ 68
• Vettori energetici convenzionali e innovativi .............................................................................................. 68
• Gas naturale e metano ................................................................................................................................ 69
• Idrogeno ...................................................................................................................................................... 69
• Fonti di idrogeno ..................................................................................................................................... 69
• Processi per produrre idrogeno............................................................................................................... 69
• Densità energetica per unità di massa e di volume dell’idrogeno .......................................................... 70
• Metodi di stoccaggio dell’idrogeno ......................................................................................................... 70
• La bioraffineria ................................................................................................................................................ 71
• Biomassa ...................................................................................................................................................... 71
• Tipologie di bioraffinerie ............................................................................................................................. 71
• Bioraffineria lignino-cellulosica ............................................................................................................... 72
• Bioraffineria di zuccheri e materia amidacea .......................................................................................... 73
• Bioraffineria di trigliceridi ........................................................................................................................ 74
• Bioraffineria degli idrocarburi ................................................................................................................. 75
• Conversioni biochimiche e termochimiche ................................................................................................. 75
• Processo Fischer-Tropsch ............................................................................................................................ 75
• Produzione di FT fuels per intermedio Syngas ........................................................................................ 76
• Reazioni coinvolte nel processo FT .......................................................................................................... 76
• Tipologie di FT fuels ................................................................................................................................. 76
• Distribuzione dei prodotti idrocarburici .................................................................................................. 77
• Catalizzatori per processi FT .................................................................................................................... 77
• Processi FT ad alta e bassa temperatura ................................................................................................. 78
• Meccanismo di reazione .......................................................................................................................... 78
• Progetto RE-CORD di trattamento dei fanghi di depurazione e dei rifiuti organici urbani ............................. 79
• Feedstock dei processi................................................................................................................................. 79
• Fanghi di depurazione ............................................................................................................................. 79
• Rifiuti organici urbani .............................................................................................................................. 81
• Processi termochimici ................................................................................................................................. 81
• Processo HTC (carbonizzazione idroterma) ............................................................................................. 81
• Pirolisi ...................................................................................................................................................... 82

Le materie plastiche

I materiali plastici utilizzati nel packaging sono ormai ubiquitari, e dal momento che hanno una vita molto breve, se confrontati con i materiali impiegati nel settore delle costruzioni, automotive, nei consumer products (giocattoli, devices elettronici, ecc.) e un ingombro elevato, costituiscono uno dei maggiori problemi ambientali. Circa la metà della quantità di plastica prodotta annualmente viene impiegata per produrre articoli monouso o imballaggi che diventano rifiuti entro l'anno.

Nel packaging entrano tutti i “big” (con l’eccezione del PVC), ovvero: high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE), polypropylene (PP) e polyethylene tereftalate (PET). Attualmente, la maggior parte dei materiali plastici deriva da fonti fossili (gas naturale, olio o carbone), ma è importante evidenziare che soltanto dal 4% al 6% di tutto l’olio ed il gas usati in Europa sono impiegati nella produzione di materiali plastici.

• PP: Packaging alimentare, parti di automotive, ecc.
• LDPE ed LLDPE: Borse riutilizzabili, contenitori, film per il packaging alimentare, ecc.
• HDPE ed MDPE: Giocattoli, cartoni di latte, packaging di cosmetici, ecc.
• PVC: Cornici di finestre, profili, copertura di muri e pavimenti, ecc.
• PU: Isolamento per edifici, cuscini e materassi, schiume isolanti per frigoriferi, ecc.
• PET: Bottiglie per bevande, ecc.
• PS e PSE: Montature per occhiali, tazze di plastica, packaging, isolamento per edifici, custodia per dispositivi elettronici, ecc.

Nel 2016, il 42% dei materiali plastici è stato destinato alla termovalorizzazione, il 31% al riciclaggio ed il 27% al confinamento in discarica.

Processi per il trattamento dei rifiuti plastici

Oltre a tali processi, è importante ricordare il processo HTL idrotermo che permette di ottenere bio-olio.

Metodi di sintesi dei polimeri

I polimeri possono essere suddivisi in tre classi:

• Polimeri di policondensazione (processo a stadi)
• Polimeri di poliaddizione radicalica/cationica/anionica (processo a catena)
• Polimeri di polimerizzazione per apertura d’anello (processo a catena)

Polimeri termoplastici e termoindurenti

I polimeri possono inoltre essere classificati in due categorie, a seconda del loro comportamento col variare della temperatura:

• Polimeri termoplastici – sono una famiglia di polimeri che possono essere fusi quando riscaldati e induriti quando raffreddati. Queste caratteristiche sono reversibili, dunque un polimero termoplastico può essere riscaldato, rimodellato e congelato ripetutamente. Esempi di polimeri termoplastici sono: PE, PP, PS, PET, PVC, PA, PC, PMMA.
• Polimeri termoindurenti – sono una famiglia di polimeri che subiscono una variazione chimica quando sono riscaldati, creando una reticolazione tridimensionale. Dopo esser stati riscaldati e modellati, questi polimeri non possono essere nuovamente fusi e modellati. Esempi di polimeri termoindurenti sono: PU, poliesteri insaturi, resine epossidiche, melamminiche, fenoliche, acriliche, urea-formaldeide, fenolo-formaldeide, silicone.

Peso molecolare medio

Peso molecolare medio numerico

Viene calcolato tenendo conto del contributo delle singole specie polimeriche sulla base della loro frazione molare (cioè del loro numero sul numero complessivo delle specie presenti).

Peso molecolare medio ponderale

Viene calcolato tenendo conto del contributo delle singole specie polimeriche sulla base della loro frazione ponderale (cioè del loro peso sul peso complessivo di tutte le specie presenti, ovvero sul peso del campione).

Meccanismi di degradazione termica

Si individuano quattro vie degradative principali dei polimeri plastici:

• End-chain scission o unzipping, che porta alla formazione di unità monomeriche; questo tipo di degradazione interessa soprattutto il PS e il PMMA.
• Random-chain scission/frammentazione, che riguarda principalmente polimeri quali il PE ed il PP; mentre il PE viene convertito soprattutto in cere (wax) e oli, dal PP si ottiene una miscela di prodotti ramificati.
• Chain-stripping/eliminazione di catene laterali o molecole stabili, che interessa polimeri quali PVC (che dà HCl), PVA (che dà acido acetico), PVOH (che danno acqua).
• Cross-linking a seguito dell’eliminazione di catene laterali, che riguarda principalmente polimeri termoindurenti.

Una poliolefina satura, quale PE o PP, quando sottoposta a riscaldamento va incontro alla scissione omolitica delle catene polimeriche, con formazione di catene radicaliche (macroradicali); queste possono poi evolvere t