Solvent techniques for closed-loop recycling of plastic waste

Abstract

There is an urgent need to close the loop of plastic waste. The main challenges faced towards plastic recycling are related with the low cost of the virgin material and the complexity of this waste stream. Post-consumer plastic waste is typically composed of different types of polymers whose composition is unknown and difficult to predict. Some of these polymers may be already degraded as a consequence of its life service, which affects its mechanical properties. Multilayer materials composed not only of different polymers but also of other materials, like aluminum layers, can also be present, which increases the complexity of the plastic waste stream. Finally, contaminants such as organic residues, paper, wood, inks, glues, among others may also be present, as well as a vast variety of additives that are added to the plastics during their manufacturing processes. The presence of all these substances causes challenges during recycling for the quality of the secondary resource. Currently, many efforts are being made to develop recycling technologies able to deal with this complex plastic stream. In this PhD thesis the goal is to study and gain insight on solvent-based recycling technologies for plastics, with focus on polystyrene. Solvent-based recycling is a promising approach for closed-loop recovery of plastic-containing waste as it allows to clean the polymer of contaminants and additives, whilst avoiding the energy costs to depolymerize the plastics. The first Chapter of this PhD thesis introduces the circular economy possibilities for plastics and gives an overview on the different stages of the current life cycle. The second Chapter addresses the state-of-the-art of polymer solutions viscosity, especially relevant in solvent-based recycling. In the third Chapter a systematic study is performed on the viscosity of polystyrene solutions. The fourth Chapter studies the influence of solvent properties, temperature, particle size and reactor design on the dissolution rate of polymers, with focus on polystyrene. The fifth Chapter gives insight on separation technologies for the removal of several insoluble substances from polystyrene packaging waste. In the sixth and last Chapter, the main conclusions of this PhD thesis are drawn and future perspectives on technical development of solvent-based recycling processes are made.

Το πρόβλημα της ανακύκλωσης των πλαστικών απορριμμάτων είναι ένα από τα πλέον επίκαιρα σήμερα παγκοσμίως. Υπάρχει επείγουσα ανάγκη να κλείσει ο βρόχος των πλαστικών απορριμμάτων. Οι κύριες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η ανακύκλωση των πλαστικών σχετίζονται με το χαμηλό κόστος του παρθένου υλικού και την πολυπλοκότητα αυτού του ρεύματος αποβλήτων. Τα πλαστικά απορρίμματα μετά την κατανάλωση αποτελούνται συνήθως από διαφορετικούς τύπους πολυμερών των οποίων η σύνθεση είναι άγνωστη και δύσκολο να προβλεφθεί. Μερικά από αυτά τα πολυμερή μπορεί να έχουν ήδη αποικοδομηθεί ως συνέπεια της χρήσης τους, γεγονός που επηρεάζει τις μηχανικές του ιδιότητες. Μπορούν επίσης να υπάρχουν πολυστρωματικά υλικά που αποτελούνται όχι μόνο από διαφορετικά πολυμερή αλλά και από άλλα υλικά, όπως στρώματα αλουμινίου, γεγονός που αυξάνει την πολυπλοκότητα του ρεύματος των πλαστικών απορριμμάτων. Τέλος, μπορεί να υπάρχουν και μολυσματικές ουσίες, όπως οργανικά υπολείμματα, χαρτί, ξύλο, μελάνια, κόλλες, μεταξύ άλλων, καθώς και μια τεράστια ποικιλία πρόσθετων που προστίθενται στα πλαστικά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παρασκευής τους. Η παρουσία όλων αυτών των ουσιών θέτει αρκετές προκλήσεις κατά την ανακύκλωση των πλαστικών όσον αφορά την ποιότητα των ανακτούμενων υλικών. Επί του παρόντος, καταβάλλονται πολλές προσπάθειες για την ανάπτυξη προηγμένων τεχνολογιών ανακύκλωσης, ικανών να αντιμετωπίσουν αυτό το πολύπλοκο ρεύμα πλαστικών απορριμμάτων. Στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η κατανόηση των τεχνολογιών ανακύκλωσης πλαστικών που βασίζονται σε διαλύτες, δίνοντας έμφαση στην ανακύκλωση του πολυστυρενίου. Η ανακύκλωση με βάση διαλύτες είναι μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για ανάκτηση κλειστού βρόχου απορριμμάτων που περιέχουν πλαστικά, καθώς επιτρέπει τον καθαρισμό του πολυμερούς από ρύπους και πρόσθετα, αποφεύγοντας ταυτόχρονα το ενεργειακό κόστος για τον αποπολυμερισμό των πλαστικών. Το πρώτο κεφάλαιο αυτής της διδακτορικής διατριβής εισάγει τις δυνατότητες της κυκλικής οικονομίας όσον αφορά την ανακύκλωση των πλαστικών και δίνεται μια επισκόπηση των διαφορετικών σταδίων του κύκλου ζωής τους. Στη συνέχεια, γίνεται ανασκόπηση όλων των διεθνών δεδομένων όσον αφορά το ιξώδες διαλυμάτων πολυμερών, που είναι πολύ σημαντικό στην περίπτωση ανακύκλωσης με χρήση διαλυτών, κυρίως μέσω αλγεβρικών μοντέλων που έχουν αναπτυχθεί. Στο τρίτο Κεφάλαιο πραγματοποιείται συστηματική μελέτη όσον αφορά το ιξώδες διαλυμάτων πολυστυρενίου. Το τέταρτο κεφάλαιο μελετά την επίδραση των ιδιοτήτων του διαλύτη, της θερμοκρασίας, του μεγέθους των σωματιδίων και του αντιδραστήρα στον ρυθμό διάλυσης των πολυμερών, με έμφαση στο πολυστυρένιο. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρέχονται πληροφορίες για τις τεχνολογίες διαχωρισμού για την απομάκρυνση αδιάλυτων ουσιών από απορρίμματα συσκευασίας πολυστυρενίου. Στο έκτο και τελευταίο κεφάλαιο εξετάζεται πώς η απομάκρυνση των διαλυμένων ουσιών από τα πλαστικά απόβλητα εξακολουθεί να αποτελεί πρόκληση και εξάγονται τα κύρια συμπεράσματα αυτής της διδακτορικής διατριβής και διατυπώνονται μελλοντικές προοπτικές για την τεχνική ανάπτυξη των διαδικασιών ανακύκλωσης με βάση διαλύτες.