Od odpadních surovin až k zeleným chemikáliím a produktům

Jak se vypořádat s potřebou postupného nahrazování fosilních zdrojů a zároveň efektivně využít odpadní suroviny, které jsou aktuálně v převážné míře skládkovány nebo spalovány? Možným řešením obou problémů je produkce tzv. zelených chemikálií. UJEP se na výzkumu technologie jejich výroby podílí už od roku 2018 v rámci projektu CACTU.

Schéma životního cyklu produktů zahrnující využití zelených chemikálií (D. Pilnaj)

Projekt Centrum pokročilých chemických technologií realizovaných v Ústeckochomutovské aglomeraci (CACTU) vznikl ve spolupráci UJEP, výzkumné organizace ORLEN Unicre a.s. a průmyslového partnera ORLEN Unipetrol a.s. Tyto tři organizace se pro řešení projektu spojily a utvořily „Konsorcium 3U“, které je garantem dlouhodobé spolupráce výzkumných organizací s aplikační sférou. V plánu je zároveň i oslovení dalších potenciálních partnerů z průmyslu a navázání nových spoluprací.

Hlavním cílem projektu je transformace lokálních surovin na tzv. zelené chemikálie. Z důvodu komplexnosti výzkumného záměru byla realizace projektu rozdělena na čtyři dílčí výzkumné cíle:

1. Pyrolýza odpadních substrátů – přebytkové biomasy a odpadních plastů

Předmětem této aktivity je optimalizace procesu rozkladu odpadních plastů a biomasy probíhající za zvýšené teploty bez přístupu vzduchu (pyrolýzy). Produkty této přeměny jsou pyrolýzní olej, který může být využit jako zdroj pro výrobu zelených chemikálií popř. dalších petrochemických produktů, pyrolýzní plyn a pevný zbytek (v podstatě koks). Složení výsledného produktu je silně závislé na vstupním materiálu ale i na nastavení podmínek procesu.

2. Esterifikace a transesterifikace olejů a mastných kyselin bioethanolem na biopaliva s vysokým stupněm udržitelnosti

Cílem je najít co nejlepší postup pro výrobu konkurenceschopné bionafty vyráběné z lokálně dostupných odpadních směsí, tuků a olejů za použití bioethanolu a za pomoci snadno oddělitelných a recyklovatelných pevných katalyzátorů. Pro tyto účely se testují různé vstupní suroviny i katalyzátory.

3. Dehydratace bioethanolu na „zelený“ ethylen jako součást petrochemické ethylenové pyrolýzy

Zelený ethylen produkovaný z odpadních surovin (odpadní tuky triglyceridy, bioethanol) je surovinou pro výrobu základních plastů. Postupy pro jeho výrobu jsou v principu dva. Prvním z nich je vysokoteplotní pyrolýza (přes 600 °C) uhlovodíků s dlouhými řetězci (parafínů) získaných z odpadních nepotravinářských olejů a tuků. Další možností je dehydratace bioethanolu, při které dochází k odštěpení molekuly vody.

4. Vliv produktu pyrolýzy na korozi konstrukčních materiálů

Při pyrolýze biomasy a některých plastů vznikají agresivní látky, jejichž přítomnost společně s vysokou teplotou způsobuje korozi konstrukčních materiálů zařízení. Součástí projektu je tedy i sledování odolnosti různých materiálů vůči produktům pyrolýzy.

Tým FŽP UJEP se prostřednictvím svého Centra pokročilých separačních technik podílí na projektu zejména analýzami vznikajících produktů, které slouží k ověření správnosti nastavení a účinnosti vyvíjených technologií. Výzkumníci z Katedry chemie PřF UJEP se krom neustálé optimalizace reakčních podmínek věnují hledání nejúčinnějších a nejlépe regenerovatelných pevných katalyzátorů pro výrobu bionafty. Zaměřují se také na vývoj nových, informačně výnosnějších analytických metod analýz všech složek bionafty z odpadů. Tým vědců z UJEP je doplněn i o odborníky z FSI. Samotný vývoj jednotlivých postupů je převážně v režii ORLEN Unicre a.s.

Řešitelský tým UJEP

V projektu CACTU a Konsorciu 3U dochází k propojení dvou velkých výzkumných infrastruktur, které už mají za sebou řadu výsledků. Výzkumná infrastruktura ORLEN Unicre a.s. Katalytické procesy pro efektivní využití uhlíkatých energetických surovin (CATPRO) se zaměřuje na efektivní využití energetických zdrojů na bázi uhlíku za pomoci katalytických procesů. Účelem CATPRO je překonat propast mezi laboratorním a průmyslovým měřítkem, která reprezentuje jednu z největších výzev ve výzkumu přeměn těchto energetických zdrojů. Předmětem činnosti výzkumné infrastruktury UJEP a dalších partnerů Nanomateriály a nanotechnologie pro ochranu životního prostředí a udržitelnou budoucnost (NanoEnviCZ) je studium nanomateriálů pro ochranu životního prostředí. Díky projektu CACTU bylo už tak kvalitní laboratorní zázemí rozšířeno o další nezbytné vybavení, např. testovací pyrolýzní jednotku, rozšiřující příslušenství k plynovému chromatografu s vysokorozlišovacím hmotnostním detektorem (GC-HRMS) pro identifikaci složek vzorků v laboratoři UJEP., 3D tiskárnu, šestipozicový multireaktor aj.

Přestože projekt je primárně výzkumně zaměřený, zásadní je aplikace jeho výsledků a nových poznatků do reálné praxe. A ta se neobejde bez spolupráce s průmyslovými partnery. V rámci projektu je proto plánováno uspořádání několika seminářů. První z nich se uskutečnil 24. 9. 2020 v Centru přírodovědných a technických oborů UJEP, kde sídlí od roku 2020 Fakulta životního prostředí a Přírodovědecká fakulta.

Seminář k projektu CACTU (vedoucí projektu a týmu UJEP doc. Kuráň a doc. Lederer z ORLEN Unicre a.s.), zdroj: prumyslovaekologie.cz

Projekt CACTU je bezesporu klíčový pro výzkum zelených chemikálií na UJEP a v ORLEN Unicre a.s. Není ale jediným řešeným projektem s touto tématikou. O využití různých odpadních surovin pro výrobu nových chemických produktů mají zájem i další firmy ze severních Čech i Německa v čele s firmou PLASTOIL Europe a.s., která byla hlavním žadatelem obou projektů.

Koncept čistého oblečení z procesu krakování – vývoj výrobního procesu pro recyklaci oblečení (C4)

Projekt C4, na kterém se podílí hned několik výzkumných organizací a podniků v ČR a Německu v rámci spolupráce IraSME (UJEP, ORLEN Unicre, HS Reutlinger, ATG Gröditz, Wonneberger Manufaktur, PLASTOIL, SMS CZ) řeší problematiku vývoje komplexního procesu uzavřeného životního cyklu oděvu vyrobeného ze směsných syntetických materiálů. Cílem projektu je označit, sbírat a recyklovat oblečení vyrobené z různých druhů syntetických vláken. Úkolem německých partnerů je navrhnout uzavřený a kontrolovaný životní cyklus oblečení. Cílem české strany je vyvinout postup chemického přepracování vláken a dovézt jej do fáze poloprovozu.

Výzkum technologie na recyklaci plastového odpadu (POL 2.0)

Projekt POL 2.0 se zaměřuje na využití nechlorovaných odpadních plastů za pomoci pyrolýzy. Unikátnost řešení je především v možném rychlém nasazení do provozu díky modulárnímu systému integrovanému do kontejnerů (forma „Plug&Play“) a vysoké formě automatizace (včetně snímací technologie na detekci nežádoucích materiálů) s minimálními nároky na obsluhu. Dalším cílem projektu je pak vyvinout řídicí software, který bude součástí prototypu POL 2.0.

Projekt CACTU – Centrum pokročilých chemických technologií realizovaných v Ústeckochomutovské aglomeraci (CZ.02.2.69/0.0/0.0/17_049/0008397) je podpořen z OP VVV výzva Dlouhodobá mezisektorová spolupráce pro ITI Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy.

Projekty C4 – Koncept čistého oblečení z procesu krakování – vývoj výrobního procesu pro recyklaci oblečení (CZ.01.1.02/0.0/0.0/19_262/0020350) a POL 2.0 – Výzkum technologie na recyklaci plastového odpadu (CZ.01.1.02/0.0/0.0/19_262/0020316) jsou podpořeny z OP PIK výzva Aplikace VII Ministerstva průmyslu a obchodu.