Όταν η Φυσικοχημεία συναντά την κυκλική οικονομία για την επίλυση περιβαλλοντικών ζητημάτων: Πώς το έργο ReScA στοχεύει στη χρήση προϊόντων πυρόλυσης αποβλήτων για τη βελτίωση και την αναζωογόνηση των ασφάλτων Μέρος 1

Αφηρημένη: Η διαχείριση των αστικών απορριμμάτων είναι ένα δύσκολο έργο: περισσότερο από το 30 τοις εκατό της συνολικής παγκόσμιας παραγωγής Αστικών Στερεών Αποβλήτων (ΑΣΑ) δεν αντιμετωπίζεται επαρκώς, με την υγειονομική ταφή να παραμένει κοινή πρακτική. Μια άλλη πηγή απορριμμάτων είναι η βιομηχανία οδοστρωμάτων: με διάρκεια ζωής περίπου 10-15 χρόνια, οι άσφαλτοι γίνονται άκαμπτες, επιρρεπείς σε ρωγμές και επομένως δεν προσαρμόζονται πλέον για οδόστρωμα, με αποτέλεσμα να γίνονται απόβλητα. Για την ταυτόχρονη επίλυση αυτών των προβλημάτων, προτείνεται μια προσέγγιση βασισμένη στην κυκλική οικονομία από το έργο ReScA, προτείνοντας τη χρήση της πυρόλυσης για την επεξεργασία ΑΣΑ (ή τα κλάσματά τους ως καύσιμα που προέρχονται από απορρίμματα, RDF), των οποίων τα υπολείμματα (πετρέλαιο και κάρβουνο) μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συστατικά προστιθέμενης αξίας για τον κύκλο της ασφάλτου. Το Char μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή ασφαλτών με καλύτερη απόδοση και ανθεκτικότητα και το λάδι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγέννηση των ασφάλτων εξάτμισης, αποφεύγοντας την υγειονομική ταφή τους. Η προτεινόμενη προσέγγιση παρέχει μια διαφορετική και πιο χρήσιμη διαδρομή στον κύκλο των αστικών απορριμμάτων στο τέλος των αποβλήτων (EoW). Αυτή η απόδειξη της ιδέας υποδηλώνεται από τις ακόλουθες δύο παρατηρήσεις: (i) Το Char αποτελείται από ανθρακούχα σωματίδια πολύ συμβατά με την οργανική φύση των ασφαλτών, επομένως η προσθήκη του μπορεί να ενισχύσει τη συνολική δομή της πίσσας, αυξάνοντας τις μηχανικές της ιδιότητες και επιβραδύνοντας τη μοριακή κινητική της διαδικασίας γήρανσής του· (ii) το πετρέλαιο είναι πλούσιο σε υδρογονάνθρακες, επομένως μπορεί να εμπλουτίσει το φτωχό κλάσμα της φάσης μαλτενίου στις άσφαλτες εξάτμισης. Αυτές οι υποθέσεις έχουν αποδειχθεί με τον έλεγχο των υπολειμμάτων που προέρχονται από την πυρόλυση των RDF για τη βελτίωση των μηχανικών χαρακτηριστικών ενός αντιπροσωπευτικού δείγματος πίσσας και την αναγέννησή του μετά τη γήρανση. Η προτεινόμενη προσέγγιση προτείνεται από τη φυσικοχημική μελέτη των εμπλεκόμενων υλικών και στοχεύει να δείξει πώς η χημική γνώση περίπλοκων συστημάτων, όπως τα ασφαλτικά υλικά, μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση περιβαλλοντικών ζητημάτων. Ελπίζουμε ότι αυτή η προσέγγιση θα θεωρηθεί ως πρότυπο μέθοδος για το μέλλον.

Το γλυκοσίδιο του cistanche μπορεί επίσης να αυξήσει τη δραστηριότητα του SOD στους ιστούς της καρδιάς και του ήπατος και να μειώσει σημαντικά την περιεκτικότητα σε λιποφουσκίνη και MDA σε κάθε ιστό, καθαρίζοντας αποτελεσματικά διάφορες δραστικές ρίζες οξυγόνου (OH-, H2O2, κ.λπ.) και προστατεύοντας από βλάβη του DNA που προκαλείται από ρίζες ΟΗ. Οι φαινυλαιθανοειδείς γλυκοσίδες του Cistanche έχουν ισχυρή ικανότητα δέσμευσης ελεύθερων ριζών, υψηλότερη αναγωγική ικανότητα από τη βιταμίνη C, βελτιώνουν τη δραστηριότητα του SOD στο εναιώρημα σπέρματος, μειώνουν την περιεκτικότητα σε MDA και έχουν μια ορισμένη προστατευτική δράση στη λειτουργία της σπερματικής μεμβράνης. Οι πολυσακχαρίτες Cistanche μπορούν να ενισχύσουν τη δραστηριότητα των SOD και GSH-Px σε ερυθροκύτταρα και ιστούς πνευμόνων πειραματικά γηρασμένων ποντικών που προκαλούνται από D-γαλακτόζη, καθώς και να μειώσουν την περιεκτικότητα σε MDA και κολλαγόνο στους πνεύμονες και στο πλάσμα και να αυξήσουν την περιεκτικότητα σε ελαστίνη. ένα καλό αποτέλεσμα σάρωσης στο DPPH, παρατείνει το χρόνο της υποξίας σε γηρασμένα ποντίκια, βελτιώνει τη δραστηριότητα του SOD στον ορό και καθυστερεί τον φυσιολογικό εκφυλισμό του πνεύμονα σε πειραματικά γηρασμένα ποντίκια Με τον κυτταρικό μορφολογικό εκφυλισμό, τα πειράματα έχουν δείξει ότι το Cistanche έχει την καλή αντιοξειδωτική ικανότητα και έχει τη δυνατότητα να είναι φάρμακο για την πρόληψη και τη θεραπεία ασθενειών της γήρανσης του δέρματος. Ταυτόχρονα, η εχινακοσίδη στο Cistanche έχει σημαντική ικανότητα να καθαρίζει τις ελεύθερες ρίζες DPPH και έχει την ικανότητα να καθαρίζει δραστικά είδη οξυγόνου και να αποτρέπει την αποικοδόμηση του κολλαγόνου που προκαλείται από ελεύθερες ρίζες, και έχει επίσης μια καλή επίδραση επιδιόρθωσης στη βλάβη των ανιόντων από τις ελεύθερες ρίζες θυμίνης.

Κάντε κλικ στα προνόμια rou cong rong

【Για περισσότερες πληροφορίες:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

1. Εισαγωγή

Περίπου 2,01 δισεκατομμύρια τόνοι αστικών στερεών αποβλήτων (ΑΣΑ) παράγονται παγκοσμίως κάθε χρόνο, εκ των οποίων το 33% δεν αντιμετωπίζεται επαρκώς [1]. Σε πολλές χώρες, πράγματι, τα αστικά απόβλητα (οικιακά, σχολικά, βιομηχανικά, νοσοκομειακά απόβλητα, κ.λπ. [2]) εξακολουθούν να αντιμετωπίζονται με διαδικασίες που στερούνται δραστηριότητες επαναχρησιμοποίησης ή ανακύκλωσης. Οι ακατάλληλες πρακτικές διαχείρισης στερεών αποβλήτων προκαλούν κοινωνικά και οικονομικά προβλήματα, έχουν σημαντικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις και αυξάνουν τους κινδύνους για την ανθρώπινη υγεία [1].

Κοιτάζοντας την Ευρώπη, το 2019, παρήχθησαν 224,4 εκατομμύρια τόνοι ΑΣΑ, εκ των οποίων το 31 τοις εκατό ανακυκλώθηκε, το 27 τοις εκατό μετατράπηκε σε ενέργεια, το 18 τοις εκατό υποβλήθηκε σε βιολογικές επεξεργασίες, το 24 τοις εκατό πετάχτηκε σε χωματερή και το 1 τοις εκατό αποτεφρώθηκε. Στην Ιταλία, τα ποσοστά επεξεργασίας απορριμμάτων συμβαδίζουν με την ευρωπαϊκή τάση, αλλά σε σύγκριση με τα γερμανικά, σημειώθηκε ότι είναι εφικτή μια καλύτερη διαδικασία διαχείρισης απορριμμάτων (Ποσοστά ιταλικών έναντι γερμανικών: ανακυκλωμένο 33% έναντι 48 τοις εκατό, ανάκτηση ενέργειας 21 τοις εκατό έναντι 32 τοις εκατό, βιολογικές επεξεργασίες 23 τοις εκατό έναντι 18 τοις εκατό, υγειονομική ταφή 23 τοις εκατό έναντι 1 τοις εκατό, αποτέφρωση 1 τοις εκατό έναντι 1 τοις εκατό, αντίστοιχα) [3].

Η διάθεση των χωματερών έχει τις ακόλουθες συνέπειες:

- παραμόρφωση του τοπίου της χώρας.

- κόστος συντήρησης και μεταφοράς [4], δεδομένου ότι οι χωματερές βρίσκονται συχνά σε απομακρυσμένες περιοχές.

- προβλήματα υγείας λόγω του πολλαπλασιασμού βακτηρίων και εντόμων [5].

- ρύπανση του εδάφους, των υπόγειων υδάτων (λόγω της διήθησης υγρών από την αποσύνθεση οργανικής ύλης) και της ατμόσφαιρας (εκπομπή αέριων προϊόντων αποσύνθεσης [6] όπως το μεθάνιο, το οποίο είναι είκοσι φορές πιο επιβλαβές από το CO2 ως αέριο θερμοκηπίου [7]).

Οι διαδικασίες θερμοχημικής μετατροπής (πυρόλυση, αεριοποίηση, καύση ή αποτέφρωση) είναι βολικές στρατηγικές για την παραγωγή καυσίμου και ενέργειας από ΑΣΑ [8]. Η ποσότητα των ΑΣΑ για θερμική επεξεργασία έφτασε τους 921 τόνους/έτος το 2010-2015 [8]. Δυστυχώς, η καύση και η αποτέφρωση των απορριμμάτων έχουν μη αμελητέες περιβαλλοντικές επιπτώσεις [9-11]. Ο στόχος της θερμικής επεξεργασίας, πράγματι, θα πρέπει να είναι η πρόβλεψη συνολικής μείωσης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που μπορεί να προκύψουν από την ακατάλληλη διαχείριση των αποβλήτων.

Η διαδικασία πυρόλυσης για τον μετασχηματισμό αποβλήτων [8] πραγματοποιείται απουσία O2 σε ειδικά σχεδιασμένους αντιδραστήρες, υπό συγκεκριμένες θερμοκρασίες και πιέσεις, επιτρέποντας (i) την παραγωγή τριών προϊόντων προστιθέμενης αξίας (βιοέλαιο, αέριο και κάρβουνο) [8,12-14]; (ii) υψηλότερη απόδοση ανάκτησης ενέργειας και (iii) μείωση των ρυπογόνων αερίων εκπομπών [15].

Παρόλο που υπάρχουν αδιαμφισβήτητα πλεονεκτήματα στη χρήση αυτής της συγκεκριμένης θερμοχημικής διεργασίας [8,16], και δεν σημειώνεται σημαντική αύξηση όσον αφορά τις εκπομπές CO2, οι οικονομικές αποδόσεις που σχετίζονται με το συμπυκνώσιμο κλάσμα (βιο-έλαιο) και το στερεό προϊόν (ξυλάνθρακα) είναι δεν ορίζεται πλήρως γιατί:

- το βιοέλαιο είναι ένα σύνθετο υγρό μείγμα που περιέχει υδρογονάνθρακες και οξυγονωμένα είδη με πολύ μεγάλη ποικιλία μοριακών βαρών, τα οποία είναι ακόμα δύσκολο να αξιοποιηθούν και να χρησιμοποιηθούν.

- το κάρβουνο είναι ένα στερεό υλικό με βάση τον άνθρακα με υψηλό ανόργανο κλάσμα (ανάλογα με την πρώτη ύλη) που περιορίζει τη λειτουργική του εκμετάλλευση.

Ένας άλλος κύκλος που είναι ακόμα ανοιχτός σε αρκετές χώρες είναι ο κύκλος της ασφάλτου. Μετά από ~ 10–15 χρόνια, οι άσφαλτοι γερνούν, και ως εκ τούτου σκληρές και εύθραυστες, και δεν είναι πλέον κατάλληλες για οδόστρωμα, επομένως αντικαθίστανται με νέες, καθώς απαιτούνται ακριβές χημικές επεξεργασίες για την αναγέννησή τους. Πρόσφατα, οι κυβερνήσεις και οι οδικές αρχές ζήτησαν να γίνει πιο βιώσιμος ο κλάδος των οδοστρωμάτων μειώνοντας την κατανάλωση τόσο δαπανηρών παρθένων όσο και ολοένα πιο σπάνιων υλικών και αποφεύγοντας την υγειονομική ταφή. Στην Ιταλία, όπως και σε άλλες χώρες της ΕΕ, μόνο το 20-30 τοις εκατό των ανακτημένων ασφαλτών επαναχρησιμοποιούνται για νέες διαδικασίες επίστρωσης και 8-10 wt. τοις εκατό των διαθέσιμων ανακτημένων ασφαλτών υγειονομικής ταφής το 2018 [17,18]. Η επαναχρησιμοποίηση της αφαιρεθείσας ασφάλτου μπορεί να μειώσει σημαντικά το συνολικό κόστος των νέων υλικών οδοστρώματος [18,19]. Η χρήση απορριμμάτων υλικών σε οδικές εφαρμογές μπορεί επίσης να βοηθήσει στη μείωση του κόστους, και μπορεί να βρεθεί μια αυξανόμενη τάση για τη χρήση τους για τέτοιου είδους εμβέλεια [20].

Στην παρούσα εργασία, προτείνεται μια ενάρετη οδός για τη χρήση υπολειμμάτων που προέρχονται από πυρόλυση για τη βελτίωση των επιδόσεων της ασφάλτου και την αύξηση του κύκλου ζωής τους, μειώνοντας έτσι τη διάθεση στους ΧΥΤΑ. Η σκοπιμότητα αυτής της ιδέας αποδεικνύεται από την πρόσφατη χρηματοδότηση ενός ερευνητικού έργου (ReScA) που στοχεύει στην πλεονεκτική χρήση τόσο στερεών (απανθρακωμάτων) όσο και υγρών (βιοέλαιο) προϊόντων που προέρχονται από την πυρόλυση αποβλήτων για την παραγωγή πιο ανθεκτικών και υψηλής εκτελώντας ασφαλτόπανα και ασφαλτόπανα, διασφαλίζοντας έτσι μεγαλύτερη οδική ασφάλεια και χαμηλότερη παραγωγή απορριμμάτων.

Αυτή η εργασία οργανώνεται ως εξής: αρχικά, εισάγεται η φυσικοχημική βάση στην οποία βασίζεται η ιδέα της χρήσης υπολειμμάτων που προέρχονται από πυρόλυση για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών της ασφάλτου (Ενότητα 2), στη συνέχεια, η σκοπιμότητα της προσέγγισης, καθώς και η μεθοδολογία και το έργο που εκτελείται μέχρι στιγμής στο πλαίσιο του έργου ReScA, αναφέρονται στις Ενότητες 3 και 4, οι αναμενόμενες επιπτώσεις σε τεχνολογικούς, κοινωνικούς και οικονομικούς τομείς αναφέρονται στην Ενότητα 5 και τα συμπεράσματα, μαζί με ορισμένα τελικά σχόλια για τις μελλοντικές προοπτικές, αναφέρονται στην Ενότητα 6 .

2. Η Φυσικοχημική Βάση για την Ένταξη Αποβλήτων και Κύκλων Ασφάλτου

Τα πολυμερή είναι κοινά πρόσθετα για τη βελτίωση των ιδιοτήτων της ασφάλτου, αλλά μέχρι τώρα, η χρήση τους ήταν αντιοικονομική λόγω του υψηλού κόστους τους [20]. Οι πρόσφατες ερευνητικές πρόοδοι κατέδειξαν την πιθανή χρήση αποβλήτων ή προϊόντων που προέρχονται από την πυρόλυση αποβλήτων, ως αναδυόμενα πρόσθετα ασφάλτου και ασφάλτου [20-24]. Επιπλέον, πρόσφατα, αξιολογήθηκαν οι φυσικοχημικές βάσεις της βελτίωσης των μηχανικών χαρακτηριστικών της ασφάλτου λόγω προσθήκης απανθράκωσης [25-30]. Το Char παρουσιάζει αντιοξειδωτικές και αντιγηραντικές ιδιότητες όταν χρησιμοποιείται ως πρόσθετο ασφάλτου και το βιοέλαιο μπορεί να ασκήσει αναγεννητικές ιδιότητες σε παλαιωμένες άσφαλτες, αποκαθιστώντας τη φάση μαλτενίου με μόρια χαμηλού μοριακού βάρους [27,31].

Τα νανοσωματίδια, χάρη στην υψηλή αναλογία επιφάνειας προς όγκο και τη ρυθμίσιμη χημική τους σύνθεση, μπορούν να ασκήσουν σημαντική επίδραση στις ρεολογικές ιδιότητες των ασφαλτών και των ασφαλτών, ακόμη και όταν προστίθενται στην άσφαλτο σε πολύ μικρά ποσοστά [32]. Συγκεκριμένα, τα λεπτά σωματίδια μπορούν να αυξήσουν την ικανότητα φόρτωσης του οδοστρώματος και να μειώσουν το σχηματισμό ρωγμών λόγω κόπωσης κατά τη διάρκεια ζωής του οδοστρώματος. Τα ανθρακούχα σωματίδια αναμένεται να δώσουν καλύτερα αποτελέσματα, χάρη στη χημική συμβατότητά τους με την άσφαλτο (και τα δύο είναι πλούσια σε άνθρακα υλικά) [25]. Ο άνθρακας, που χαρακτηρίζεται από μια πορώδη και ινώδη δομή, είναι υπεύθυνος για ισχυρές αλληλεπιδράσεις με το συνδετικό [28]. Επιπλέον, η υψηλή περιεκτικότητά του σε άνθρακα έχει βρεθεί ότι επηρεάζει τη σκληρότητα και τη σκληρότητα της ασφάλτου [33]. Η χρήση του άνθρακα ως τροποποιητή ασφάλτου έχει δοκιμαστεί από διαφορετικούς συγγραφείς [34,35] και σε όλες τις περιπτώσεις, ανιχνεύθηκαν βελτιωμένες μηχανικές επιδόσεις.

Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ξυλάνθρακα και ασφάλτου μπορεί επίσης να έχουν αντιγηραντικά αποτελέσματα. Ο χημικός συλλογισμός που υποστηρίζει αυτή την υπόθεση είναι ότι η αλληλεπίδραση του πολικού τμήματος του απανθρακώματος με τη μαλτογονική φάση της πίσσας αναμένεται να περιορίσει τη δεύτερη σε πιο περιορισμένη δυναμική. Ως εκ τούτου, η παρουσία στερεών σωματιδίων όπως το ξυλάνθρακα, που εμποδίζουν τη δυναμική μετασχηματισμού της πίσσας, θα μπορούσε να επιβραδύνει τις διεργασίες που είναι υπεύθυνες για τη γήρανση, συμπεριλαμβανομένης της δυναμικής που περιλαμβάνει συστάδες ασφαλτενίου και τα αδρανή τους, σε διαφορετικές κλίμακες μήκους και αλληλεπιδρώντας με διαφορετικές αντοχές [36].

Πολύ πρόσφατα, οι Rajib et al. το 2021 [37] εξέτασε τα οφέλη από τη χρήση βιοαπανθράκων για την καθυστέρηση της οξείδωσης και της γήρανσης με υπεριώδη ακτινοβολία τόσο στο συνδετικό όσο και στην άσφαλτο, και οι Kumar et al. [38] αξιολόγησε τη θερμική σταθερότητα αποθήκευσης συνδετικών τροποποιημένων με πυρολυμένα πλαστικά απόβλητα (PPC). Η εργασία τους έδειξε ότι τα υπολείμματα πυρόλυσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως τροποποιητές σε πίσσα, αλλά προκύπτει ότι χρειάζεται ακόμη πολλή δουλειά, ιδιαίτερα για την αντιμετώπιση προβλημάτων σταθερότητας [38].

Κατά τη γήρανση, μπορεί να συμβούν ρωγμές ή ρωγμές στην άσφαλτο [39], καθώς τα χημικά συστατικά της πίσσας γίνονται όλο και λιγότερο ευκίνητα υπό την εφαρμοζόμενη τάση. Η γήρανση είναι το συνολικό αποτέλεσμα πολλών διαδικασιών, καθεμία από τις οποίες χαρακτηρίζεται από τα χρονοδιαγράμματα:

1. Εξάτμιση ελαφρύτερων εξαρτημάτων [40], φαινόμενο που εμφανίζεται ακόμη και κατά την τοποθέτηση νέας ασφάλτου [41,42].

2. οξείδωση των συστατικών της πίσσας από το ατμοσφαιρικό οξυγόνο. Τα οξειδωμένα μόρια είναι πιο πολικά και μπορούν να δώσουν βελτιωμένη αυτοσυναρμολόγηση [43].

3. χημικές αντιδράσεις που προκαλούν πολυμερισμό και σχηματισμό μεγαλύτερων δομών μέσα στην άσφαλτο (θιξοτροπία) [44].

Μετά τη γήρανση, η αρχική ολκιμότητα/ιξώδες της πίσσας μπορεί να αποκατασταθεί κατά κάποιο τρόπο με την απλή προσθήκη μαλακτικών (συνήθως αποκαλούμενων fluxing) παραγόντων, όπως λάδι ροής, σογιέλαιο, πολτό, λιπαντικό κ.λπ. [45,46].

Μέχρι σήμερα, έχουν γίνει πιο εξελιγμένες μέθοδοι για την αποκατάσταση της αρχικής χημείας της καθαρής πίσσας και της αρχικής διαμοριακής της δομής [36,47] (αναζωογόνηση) καθυστερώντας τις διαδικασίες οξειδώσεων, συσσωματώσεων και αυτοσυναρμολόγησης που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας γήρανσης. διατυπωθεί.

Όσον αφορά τη χρήση του βιοελαίου, έχει αποδειχθεί ότι η σύνθεσή του το καθιστά πιθανό παράγοντα ροής. Το σκεπτικό πίσω από αυτήν την εφαρμογή έγκειται στην παρουσία αμφιφιλικών μορίων που μπορούν να αλληλεπιδράσουν με εκείνα που υπάρχουν ήδη στην άσφαλτο. Η αλληλεπίδραση μεταξύ διαφορετικών τύπων αμφιφιλικών θέσεων μπορεί να είναι ποικίλη, λόγω της πολύπλοκης φύσης τέτοιων μορίων, και με αξιοσημείωτα αποτελέσματα, ειδικά εάν όξινα και βασικά μόρια έρχονται σε επαφή μέσα στο σύστημα, λόγω μιας ευνοϊκής ενεργειακής ώθησης προς ισχυρό δεσμό Η. σχηματισμό ή, ακόμη και μια οριστική μεταφορά πρωτονίων με το σχηματισμό φορτισμένων ειδών [48]. Σε αυτό το πλαίσιο, ένα πρόσφατο παράδειγμα προσφέρεται από την εργασία των Ren et al. το 2020 [49], όπου η προσθήκη βιοελαίου που προέρχεται από πυρόλυση βιομάζας στην άσφαλτο έχει δοκιμαστεί για τη βελτίωση της απόδοσής της. Η βελτιωμένη άσφαλτος εφαρμόστηκε σε αυτοκόλλητα και ντοπαρισμένα φύλλα θερμής τήξης. Το βιοέλαιο δοκιμάστηκε με τιτλοδότηση FT-IR, GC-MS και Karl Fischer, ενώ οι επιδόσεις της πίσσας αξιολογήθηκαν με δοκιμές σημείου μαλακώματος, δοκιμές ευκαμψίας σε χαμηλή θερμοκρασία, δοκιμές αντοχής αποκόλλησης, ιξώδες, πυκνότητα, σκληρότητα και προσδιορισμούς αντοχής στη θερμότητα , και διατηρήθηκαν δοκιμές κολλητικότητας. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης των φυσικών ιδιοτήτων καταδεικνύουν ότι η βιοάσφαλτος είναι ένα πιθανό υποκατάστατο σε φύλλα επικάλυψης ασφάλτου.

Στην επόμενη ενότητα, αναφέρονται λεπτομέρειες σχετικά με το πώς αυτές οι πτυχές αξιοποιούνται και αναλύονται περαιτέρω στο πλαίσιο του έργου ReScA.

3. Μεθοδολογία και προκαταρκτικά αποτελέσματα: The ReScA Project

Το έργο ReScA επικεντρώνεται στην εφικτή χρήση τόσο του βιοελαίου όσο και του ξυλάνθρακα από τις διεργασίες πυρόλυσης για την παραγωγή καλύτερων και μακροχρόνιων ασφάλτων, καθώς και για την αναγέννησή τους επί τόπου μόλις παλαιωθούν ή εξαντληθούν. Απώτερος στόχος του ReScA είναι η ενοποίηση των αστικών απορριμμάτων και των κύκλων ασφάλτου. Θα επιτευχθεί σύμφωνα με δύο βασικούς πυλώνες (Εικόνα 1): (i) ο συντονισμός των χαρακτηριστικών του προϊόντος πυρόλυσης μέσω της βελτιστοποίησης της διαδικασίας. (ii) τη χρήση προϊόντων πυρόλυσης για σύνθεση ασφάλτου και αναζωογόνηση όταν έχουν παλαιώσει ή έχουν εξαντληθεί.

Η προτεινόμενη προσέγγιση οδηγεί στα ακόλουθα γενικά οφέλη:

1. Αντικατάσταση προϊόντων που προέρχονται από πετρέλαιο (π.χ. αργό πετρέλαιο) με προϊόντα από την πυρόλυση αστικών στερεών αποβλήτων.

2. Βελτίωση των μηχανικών χαρακτηριστικών και της μακροζωίας των ασφαλτών με τη χρήση ξυλάνθρακα.

3. Χαμηλού κόστους και επιτόπια αναζωογόνηση των εξαντλημένων ασφαλτών μέσω βιοελαίου.

Τα προαναφερθέντα οφέλη αναμένεται να επηρεάσουν σε μεγάλο βαθμό τη διάθεση παλαιωμένων ασφάλτων σε χώρους υγειονομικής ταφής, τις εκπομπές CO2 και το κόστος παραγωγής, ως συνέπεια της αυξημένης διάρκειας της ασφάλτου. Επιπλέον, η ιδέα ReScA, υιοθετώντας την εκμετάλλευση της πυρόλυσης από τον μετασχηματισμό αστικών απορριμμάτων (με εστίαση σε καύσιμα που προέρχονται από απορρίμματα, RDF), επιτρέπει ταυτόχρονα σημαντική ανάκτηση ενέργειας [50] (η τιμή θέρμανσης είναι συνήθως περίπου 20 MJ /kg [51]) και τη μείωση της υγειονομικής ταφής, ολοκληρώνοντας το παράδειγμα της κυκλικής οικονομίας που καλείται να υιοθετηθεί στη μετάβαση μετά την COVID-19.

3.1. Μεθοδολογία (Πυρόλυση, Ρεολογικές Ιδιότητες Ασφαλτών)

Η ReScA επιδιώκει τη μη συμβατική εκμετάλλευση στερεών και υγρών προϊόντων (ξυλάνθρακα και βιοέλαιο) για τη θερμομετατροπή των αστικών απορριμμάτων για την ενίσχυση και τη βελτίωση της ασφάλτου, καθιστώντας τις πιο ανθεκτικές και μακρόβιες (μέσω της χρήσης ξυλάνθρακα) και επιτρέποντας την επί τόπου αναγέννηση μέσω της χρήσης βιοελαίου. Το ReScA είναι ένα διεπιστημονικό έργο που εκμεταλλεύεται τη συνεργασία χημικών, φυσικών και μηχανικών για να εξασφαλίσει τόσο την παραγωγή όσο και τον χαρακτηρισμό προσθέτων για άσφαλτες με πυρόλυση και τον χαρακτηρισμό των βελτιωμένων επιδόσεων ασφάλτου από ρεολογική άποψη.

3.1.1. Προσέγγιση πυρόλυσης ως θερμομετατροπή αποβλήτων

Η διαδικασία πυρόλυσης επιτρέπει τη μετατροπή μιας πρώτης ύλης, κυρίως με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα (π.χ. λιγνοκυτταρινικές βιομάζες, RDF, πλαστικά, ελαστικά), σε τρία κύρια προϊόντα:

- ένα συμπυκνώσιμο κλάσμα (βιο-έλαιο) πλούσιο σε νερό, υδρογονάνθρακες και είδη που περιέχουν οξυγόνο [14,52-54].

- ένα μείγμα αερίων (κυρίως CO, CO2 και CH4) που μπορεί να χρησιμοποιηθεί, χάρη στη θερμαντική του αξία, για να διατηρήσει ενεργειακά τη διαδικασία [14,52,55–58].

- ένα στερεό υπόλειμμα πλούσιο σε άνθρακα (char) [52,59].

Το εύρος της θερμοκρασίας λειτουργίας, του ρυθμού θέρμανσης, της ατμόσφαιρας (η τυπολογία των αδρανών αερίων) και του χρόνου παραμονής των ατμών και των στερεών στον θάλαμο πυρόλυσης μπορούν να ρυθμιστούν με βάση τις επιθυμητές εξόδους, συγκεντρώνοντας τις διαδικασίες πυρόλυσης σε τέσσερις μεγάλες κατηγορίες: αργή, συμβατική, γρήγορη και αστραπιαία πυρόλυση [52]. Οι ρυθμοί θέρμανσης ποικίλλουν από 0.1–1 ◦C/s (αργή πυρόλυση) έως πάνω από 1000 ◦C/s (flash pyrolysis), ενώ συμβατικά, οι θερμοκρασίες της διαδικασίας κυμαίνονται μεταξύ 300–600 ◦C.

Για να τονιστεί η επίδραση των παραμέτρων λειτουργίας στις αποδόσεις του προϊόντος, στο Σχήμα 2, αναφέρεται μια σύγκριση μεταξύ των αποδόσεων των προϊόντων πυρόλυσης που προέρχονται από λιγνοκυτταρινική βιομάζα που λαμβάνεται από δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν σε διαφορετικές τελικές θερμοκρασίες και διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης. Ως γενική ένδειξη, οι συνθήκες αργής πυρόλυσης είναι κατάλληλες για την παραγωγή απανθράκων, ειδικά σε χαμηλές θερμοκρασίες, ενώ για τις ίδιες θερμοκρασίες, οι συνθήκες γρήγορης ή φλας πυρόλυσης είναι κατάλληλες για τη μεγιστοποίηση της παραγωγής αερίου και υγρού. Ειδικότερα, σε υψηλές θερμοκρασίες, εάν η διεργασία διεξάγεται σε συνθήκες όπου ο χρόνος παραμονής του ατμού είναι παρατεταμένος (σε χαμηλό ρυθμό θέρμανσης, π.χ. συνθήκες αργής πυρόλυσης), η απόδοση του κλάσματος αερίου φτάνει στο μέγιστο από δευτερογενείς αντιδράσεις (π.χ. , ρωγμές) γίνονται σχετικές και το κάρβουνο εξελίσσεται προς μια δομή με μειωμένη περιεκτικότητα σε οξυγόνο (που ονομάζεται πρωτογενής απανθράκωση). Αντίθετα, σε υψηλό ρυθμό θέρμανσης (π.χ. συνθήκες γρήγορης και ταχείας πυρόλυσης), η απόδοση αερίου μειώνεται για να ευνοήσει μια υψηλότερη παραγωγή του υγρού κλάσματος, καθώς οι δευτερεύουσες αντιδράσεις (π.χ. η αποσύνθεση σε μικρά μόρια) είναι περιορισμένες [52]. Περαιτέρω λεπτομέρειες σχετικά με την πυρόλυση τύπων λιγνοκυτταρινικής βιομάζας μπορούν να βρεθούν στην πρόσφατη ανασκόπηση των Giudicianni et al. [52], ενώ λεπτομέρειες σχετικά με την πυρόλυση των ΑΣΑ μπορούν να βρεθούν στην ανασκόπηση του Hasan [60].

Οι ενεργειακές καταναλώσεις των διαφόρων τύπων διεργασιών είναι μια άλλη σημαντική πτυχή που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη για σκοπούς εφαρμογής. Ωστόσο, για την αξιολόγηση της οικονομικής απόδοσης μιας δεδομένης διαδικασίας, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη ολόκληρη η παραγωγική αλυσίδα, συμπεριλαμβανομένων των τελικών χρηστών των προϊόντων πυρόλυσης. Η αξιολόγηση του κύκλου ζωής (LCA) καθίσταται απαραίτητη σε μια τέτοια αξιολόγηση.

Η διαδικασία πυρόλυσης είναι μια ευέλικτη στρατηγική θερμομετατροπής αφού η σύνθεση κάθε προϊόντος πυρόλυσης μπορεί να ρυθμιστεί ενεργώντας σε κατάλληλες παραμέτρους. Αυτή η βελτιστοποίηση συνεπάγεται τον λεπτομερή χαρακτηρισμό της σύνθεσης της αρχικής πρώτης ύλης, η οποία είναι ένα από τα κύρια θέματα τάσης αυτής της ευρείας ερευνητικής περιοχής [52]. Τυποποιημένα πρωτόκολλα (πρωτόκολλα ASTM) για τον καθορισμό της στοιχειακής σύνθεσης (περιεχόμενα C, H, N, S με τελική ανάλυση), τα περιεχόμενα υγρασίας, τέφρας, πτητικών και σταθερού άνθρακα (με προσεγγιστική ανάλυση) και τη θερμαντική αξία μιας πρώτης ύλης υιοθετούνται συμβατικά [61].

Όσον αφορά το έργο ReScA, οι επιλεγμένες πρώτες ύλες (RDF) προέρχονται από τη διαχείριση αστικών απορριμμάτων και σταθεροποιούνται σύμφωνα με την κείμενη νομοθεσία. Το RDF είναι το εύφλεκτο κλάσμα των ΑΣΑ που χαρακτηρίζεται από υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα και υψηλή θερμογόνο δύναμη, καθώς η σύνθεσή του περιλαμβάνει: σκληρά πλαστικά, απορρίμματα συσκευασίας, υφάσματα, ξύλο, μέταλλα και καουτσούκ [62]. Το RDF παράγεται σε μηχανικές-βιολογικές εγκαταστάσεις για τη διαλογή των ΑΣΑ, ως το τελικό υπόλειμμα των ακόλουθων διαδοχικών διεργασιών: (i) ανάκτηση ανακυκλώσιμων υλικών (π.χ. πλαστικά, μέταλλα, γυαλί, χαρτί). (ii) τη βιολογική σταθεροποίηση των βιοαποδομήσιμων αποβλήτων. (iii) ο διαχωρισμός των αδρανών αποβλήτων [62].

Το RDF χαρακτηρίζεται από υψηλή μεταβλητότητα σύνθεσης που επηρεάζει τη συνολική θερμική του συμπεριφορά. Η μέση σύνθεση RDF που αναφέρεται από διαφορετικούς συγγραφείς είναι η ακόλουθη: 15-35 τοις εκατό πλαστικά, 15-50 τοις εκατό κυτταρινικό χαρτί και χαρτόνι, 2-10 τοις εκατό ξύλο, 5-20 τοις εκατό οργανικά και περίπου 5-10 τοις εκατό άκαυστη ύλη. 62–64].

Η συνολική θερμική αποικοδόμηση του RDF επηρεάζεται κυρίως από τη θερμική αποικοδόμηση των δύο πιο άφθονων κλασμάτων (κυτταρινικών και πλαστικών κλασμάτων) [64]. Το RDF αποσυντίθεται σε ένα ευρύτερο εύρος θερμοκρασιών (200–600 ◦C, Εικόνα 4), αλλά σε χαμηλότερη θερμοκρασία σε σύγκριση με υλικά πλούσια σε άνθρακα [65]. Ο χαμηλός του σταθερός άνθρακας, η εξαιρετικά πτητική ύλη [64] και η παρουσία μη πτητικής ύλης μεταξύ 10 και 20 τοις εκατό (τα μέταλλα μπορούν να καταλύουν τις αποσυνθέσεις) είναι υπεύθυνα για μια τέτοια πυρολυτική συμπεριφορά.

Οι διαδικασίες αποπολυμερισμού και κατακερματισμού μονομερών των συστατικών RDF ρυθμίζουν τις σχετικές ποσότητες στερεών (char), υγρών (βιο-ελαίου) και αέριων κλασμάτων, ειδικά εκείνων με χαμηλότερο μοριακό βάρος.

Για καλύτερη κατανόηση των φαινομένων που συμβαίνουν στη θερμική υποβάθμιση του RDF, καθώς και για να τονιστεί πώς ο ρυθμός θέρμανσης και η τελική θερμοκρασία μπορούν να επηρεάσουν το τελευταίο, την απώλεια μάζας (μετρούμενη με θερμοβαρυμετρική ανάλυση, TGA) και το διαφορικό θερμοβαρυμετρικό σήμα ( DTG) ενός RDF, που επιλέχθηκε ως μελέτη περίπτωσης, αναφέρονται στο Σχήμα 3 για δύο διαφορετικούς ρυθμούς θέρμανσης (5 και 50 ◦C/min). Η απώλεια μάζας ως συνάρτηση της θερμοκρασίας ή του χρόνου παραμονής οφείλεται στα παράλληλα φαινόμενα αποσύνθεσης, οξείδωσης και απώλειας πτητικών [66]. Οι διαφορές που παρατηρήθηκαν για τις δύο καμπύλες TG έδειξαν ότι ο μηχανισμός αποδόμησης επηρεάζεται από τον ρυθμό θέρμανσης και, κατά συνέπεια, ότι οι σχετικές ποσότητες των τριών κλασμάτων στην έξοδο της διαδικασίας πυρόλυσης (αέριο, κάρβουνο και βιοέλαιο) μπορεί να ρυθμιστεί λειτουργώντας σε διαφορετικές παραμέτρους (κυρίως εύρος θερμοκρασίας, ρυθμός θέρμανσης και χρόνος παραμονής αερίου).

Ως τελευταία παρατήρηση, η ανωτερότητα της επεξεργασίας πυρόλυσης των πλαστικών αποβλήτων για την επίτευξη συνολικών περιβαλλοντικών επιδόσεων καλύτερες από εκείνες των συμβατικών επιλογών, όπως η υγειονομική ταφή ή η αποτέφρωση, έχει αποδειχθεί χρησιμοποιώντας την προσέγγιση LCA από το 2005 [67]. Πιο πρόσφατα, οι Jeswani et al. [10] έχουν πραγματοποιήσει μια βαθύτερη ανάλυση LCA που δείχνει ότι ακόμη και αν η επεξεργασία με πυρόλυση μικτών πλαστικών απορριμμάτων έχει 50 τοις εκατό χαμηλότερο αντίκτυπο στην κλιματική αλλαγή και χρήση ενέργειας στον κύκλο ζωής από την επιλογή ανάκτησης ενέργειας, άλλες επιπτώσεις όπως η οξίνιση, ο ευτροφισμός και η φωτοχημική και ο σχηματισμός όζοντος, είναι υψηλότερες από εκείνες για μηχανική ανακύκλωση και ανάκτηση ενέργειας λόγω της σχετικά μεγάλης ζήτησης ενέργειας στις διαδικασίες πυρόλυσης και καθαρισμού. Επομένως, τα αποτελέσματα των Jeswani et al. [10] υπογραμμίζουν την ανάγκη να βελτιωθεί, στο μέλλον, η ερευνητική προσπάθεια για αύξηση της αποτελεσματικότητας μετατροπής άνθρακα της πυρόλυσης αποβλήτων, ώστε να μειωθεί περαιτέρω ο αντίκτυπός της.

3.1.2. Προετοιμασία Ασφαλτών, Γήρανση, Δοκιμές Αναζωογόνησης και Ρεολογικός Χαρακτηρισμός

Συνήθως χρησιμοποιείται ένα ευρύ φάσμα τυπικών ρεολογικών δοκιμών για τον χαρακτηρισμό των συστατικών ασφάλτου (κυρίως ασφαλτούχου κλάσματος) και των πρωτοτύπων ασφάλτου.

Στο πλαίσιο του έργου ReScA, παρασκευάζονται δείγματα ασφάλτου που περιέχουν διαφορετικές ποσότητες απανθράκωσης και η αξιολόγηση της σταθερότητάς τους επιτυγχάνεται με διαφορετικές τεχνικές: πειράματα βαθμού διείσδυσης (EN 1426: 2015), δοκιμές δακτυλίου και μπάλας (EN 1427: 2015), πειράματα διάχυσης NMR, μετρήσεις θερμιδομετρίας διαφορικής σάρωσης (DSC), μετρήσεις ρεομετρίας για G0, G00 και μαύρισμα δέλτα, παράμετροι αυλάκωσης και κόπωσης, ανάλυση μαύρων διαγραμμάτων, απεικόνιση μικροσκοπίου (οπτική, AFM) και υπέρυθρες φασματοσκοπικές μετρήσεις. Οι άσφαλτες που έχουν τροποποιηθεί με απανθρακωμένο και παρουσιάζουν καλή σταθερότητα χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για την παρασκευή πρωτοτύπων ασφάλτου. Η προετοιμασία των πρωτοτύπων ασφάλτου πραγματοποιείται με τυπικά πρωτόκολλα (UNI EN 12697-31) που περιλαμβάνουν περιστροφικό συμπιεστή. Αναλυτικά, η κατανομή μεγέθους των ανόργανων σωματιδίων επιλέγεται σύμφωνα με τις Ιταλικές Πρότυπες Προδιαγραφές [19], τηρώντας ταυτόχρονα τα όρια που επιβάλλονται από τη μέθοδο Superior Performing Asphalt Pavements στο πλαίσιο του Strategic Highway Research Program (Superpave SHRP) [20 ]. Συγκεκριμένες διαβαθμίσεις αδρανών για την παραγωγή δειγμάτων ασφάλτου επιλέγονται για να διασφαλιστούν φαινόμενα κατά της αυλάκωσης [21] και να ακολουθηθεί μια μέθοδος σχεδιασμού ανάμειξης (UNI EN 933-1). Η αξιολόγηση σταθερότητας επιτυγχάνεται με τη χρήση της τυπικής δοκιμής σταθερότητας Marshall (ASTM D6927).

Για την αξιολόγηση των αντιγηραντικών επιδράσεων που δίνει η προσθήκη ξυλανθράκων, πραγματοποιούνται δοκιμές γήρανσης σε άσφαλτες τροποποιημένες με απανθρακωμένο. Η προσομοίωση γήρανσης πραγματοποιείται με την τυπική διαδικασία της δοκιμής κυλιόμενου φούρνου λεπτής μεμβράνης (RTFOT) σύμφωνα με το πρότυπο πρωτόκολλο ASTM D2872-04 και τη δοκιμή του δοχείου γήρανσης υπό πίεση (PAV), σύμφωνα με το ASTM D6521 πρωτόκολλο. Ο χαρακτηρισμός των μηχανικών ιδιοτήτων μετά τη διαδικασία γήρανσης γίνεται με τις ίδιες αναλυτικές τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τις αξιολογήσεις σταθερότητας.

Για να ελεγχθεί η αποτελεσματικότητα του βιοελαίου ως αναζωογονητικό ή ως παράγοντα ροής, τα δείγματα παλαιωμένης πίσσας χαρακτηρίζονται από τις προαναφερθείσες τεχνικές και στη συνέχεια επεξεργάζονται με αυξανόμενες ποσότητες βιοελαίου. Η αξιολόγηση των μηχανικών ιδιοτήτων των ληφθέντων δειγμάτων και η σύγκριση τέτοιων αποτελεσμάτων με εκείνα της παρθένας και παλαιωμένης πίσσας επιτρέπει τον ορισμό της επίδρασης της προσθήκης βιοελαίου.

Η συλλογή όλων αυτών των αποτελεσμάτων χαρακτηρισμού αναμένεται να ενισχύσει την κατανόηση των μηχανισμών αλληλεπίδρασης μεταξύ των συστατικών της πίσσας και των προσθέτων με τη μορφή νανοσωματιδίων που ευθύνονται για την αύξηση της απόδοσης και της ανθεκτικότητας του συνδετικού και της ασφάλτου που προκύπτει.

Ως απόδειξη της προτεινόμενης προσέγγισης, ορισμένα προκαταρκτικά αποτελέσματα σε ένα RDF, πρώτη ύλη που επιλέχθηκε ως μελέτη περίπτωσης, αναφέρονται στην επόμενη ενότητα.

【Για περισσότερες πληροφορίες:george.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】