عندما تلتقي الكيمياء الفيزيائية بالاقتصاد الدائري لحل المشكلات البيئية: كيف يهدف مشروع ReScA إلى استخدام منتجات الانحلال الحراري للنفايات لتحسين وتجديد البيتومين الجزء الأول

خلاصة: إدارة النفايات الحضرية مهمة صعبة: أكثر من 30 في المائة من إجمالي إنتاج العالم من النفايات الصلبة البلدية (MSW) لا يتم التعامل معها بشكل مناسب ، مع بقاء دفن النفايات ممارسة شائعة. مصدر آخر للنفايات هو صناعة رصف الطرق: مع عمر خدمة يبلغ حوالي 10-15 عامًا ، يصبح الأسفلت صلبًا وعرضة للتشققات ، وبالتالي لم يعد مناسبًا لرصف الطرق ، وبالتالي يصبح نفايات. لحل هذه المشكلات في وقت واحد ، تم اقتراح نهج دائري قائم على الاقتصاد من قبل مشروع ReScA ، مما يشير إلى استخدام الانحلال الحراري لمعالجة النفايات الصلبة البلدية (أو أجزاءها على أنها وقود مشتق من النفايات ، RDFs) ، والتي يمكن استخدام بقاياها (الزيت والفحم) مكونات ذات قيمة مضافة لدورة الأسفلت. يمكن استخدام Char لتحضير الأسفلت ذات الأداء الأفضل والمتانة ، ويمكن استخدام الزيت لتجديد أسفلت العادم ، وتجنب دفنها. يوفر النهج المقترح مسارًا مختلفًا وأكثر فائدة في دورة نهاية النفايات (EoW) للنفايات الحضرية. يُقترح إثبات المفهوم هذا من خلال الملاحظتين التاليتين: (1) يتكون Char من جزيئات كربونية متوافقة للغاية مع الطبيعة العضوية للقار ، لذلك يمكن أن تعزز إضافته بنية البيتومين الكلية ، مما يزيد من خواصه الميكانيكية ويبطئ الجزيئية حركية عملية الشيخوخة ؛ (2) النفط غني بالهيدروكربونات ، لذلك يمكنه إثراء الجزء الضعيف من طور مالتين في أسفلت العادم. تم إثبات هذه الفرضيات من خلال اختبار المخلفات المشتقة من الانحلال الحراري لمواد RDF لتحسين الخصائص الميكانيكية لعينة نموذجية من البيتومين وتجديدها بعد التقادم. تم اقتراح النهج المقترح من خلال الدراسة الفيزيائية والكيميائية للمواد المعنية ويهدف إلى إظهار كيف يمكن للمعرفة الكيميائية للأنظمة المعقدة ، مثل المواد البيتومينية ، أن تساعد في حل المشكلات البيئية. نأمل أن يتم اعتبار هذا النهج كنموذج نموذجي للمستقبل.

يمكن أن يزيد الجليكوزيد من cistanche أيضًا من نشاط SOD في أنسجة القلب والكبد ، ويقلل بشكل كبير من محتوى lipofuscin و MDA في كل نسيج ، ويزيل بشكل فعال العديد من جذور الأكسجين التفاعلية (OH- ، H₂O₂ ، إلخ) والحماية من تلف الحمض النووي الناتج عن ذلك. بواسطة OH- الجذور. جليكوسيدات Cistanche phenylethanoid لديها قدرة قوية على إزالة الجذور الحرة ، وقدرة تخفيض أعلى من فيتامين C ، وتحسن نشاط SOD في تعليق الحيوانات المنوية ، وتقليل محتوى MDA ، ولها تأثير وقائي معين على وظيفة غشاء الحيوانات المنوية. يمكن أن يعزز عديد السكاريد القارص نشاط SOD و GSH-Px في كريات الدم الحمراء وأنسجة الرئة للفئران المسنة تجريبياً الناتجة عن D-galactose ، وكذلك تقليل محتوى MDA والكولاجين في الرئة والبلازما ، وزيادة محتوى الإيلاستين ، تأثير الكسح الجيد على DPPH ، وإطالة وقت نقص الأكسجة في الفئران الشائخة ، وتحسين نشاط SOD في مصل الدم ، وتأخير التنكس الفسيولوجي للرئة في الفئران الشائخة تجريبياً مع التنكس المورفولوجي الخلوي ، أظهرت التجارب أن Cistanche لديه قدرة جيدة على مضادات الأكسدة وله القدرة على أن يكون دواءً لمنع وعلاج أمراض شيخوخة الجلد. في الوقت نفسه ، يتمتع إشنكوسايد في Cistanche بقدرة كبيرة على البحث عن الجذور الحرة لـ DPPH ولديه القدرة على البحث عن أنواع الأكسجين التفاعلية ومنع تدهور الكولاجين الناجم عن الجذور الحرة ، وله أيضًا تأثير إصلاح جيد على تلف أنيون الثايمين الجذور الحرة.

انقر على مزايا rou cong rong

【لمزيد من المعلومات: george.deng@wecistanche.com / WhatApp: 86 13632399501】

1 المقدمة

يتم إنتاج حوالي 2.01 مليار طن من النفايات الصلبة البلدية (MSW) في جميع أنحاء العالم كل عام ، منها 33 في المائة لا يتم التعامل معها بشكل كافٍ [1] ؛ في العديد من البلدان ، لا تزال النفايات الحضرية (المنزلية ، المدرسية ، الصناعية ، نفايات المستشفيات ، إلخ. [2]) تعالج بعمليات تفتقر إلى أنشطة إعادة الاستخدام أو إعادة التدوير. تؤدي ممارسات إدارة النفايات الصلبة غير السليمة إلى مشاكل اجتماعية واقتصادية ، ولها تداعيات بيئية كبيرة ، وتزيد من مخاطر صحة الإنسان [1].

بالنظر إلى أوروبا ، في عام 2019 ، تم إنتاج 224.4 مليون طن من النفايات الصلبة البلدية ، تم إعادة تدوير 31 بالمائة منها ، وتم تحويل 27 بالمائة إلى طاقة ، وخضع 18 بالمائة لعلاجات بيولوجية ، و 24 بالمائة تم إلقاؤها في مكب النفايات ، وتم حرق 1 بالمائة. في إيطاليا ، تتماشى النسب المئوية لمعالجة النفايات مع الاتجاه الأوروبي ، ولكن بالمقارنة مع الألمانية ، لوحظ أن عملية إدارة أفضل للنفايات أمر ممكن (النسبة المئوية الإيطالية مقابل الألمانية: معاد التدوير 33 في المائة مقابل 48 في المائة ؛ استعادة الطاقة 21 في المائة مقابل 32 في المائة ، المعالجات البيولوجية 23 في المائة مقابل 18 في المائة ، الدفن 23 في المائة مقابل 1 في المائة ، الحرق 1 في المائة مقابل 1 في المائة على التوالي) [3].

التخلص من مدافن النفايات له العواقب التالية:

- تشوه المناظر الطبيعية للبلد ؛

- تكاليف الصيانة والنقل [4] ، حيث تقع مدافن النفايات غالبًا في مناطق نائية ؛

- المشاكل الصحية بسبب انتشار البكتيريا والحشرات [5] ؛

- تلوث التربة والمياه الجوفية (بسبب ترشيح السوائل من تحلل المواد العضوية) والجو (انبعاث نواتج التحلل الغازي [6] مثل الميثان ، وهو أكثر ضررًا بعشرين مرة من ثاني أكسيد الكربون كغازات دفيئة [7]).

تعتبر عمليات التحويل الكيميائي الحراري (الانحلال الحراري ، التغويز ، الاحتراق ، أو الحرق) استراتيجيات ملائمة لإنتاج الوقود والطاقة من النفايات الصلبة المحلية [8]. بلغت كمية النفايات الصلبة البلدية للمعالجة الحرارية 921 طن / سنة في 2010-2015 [8]. لسوء الحظ ، فإن حرق النفايات وترميدها لهما تأثير بيئي لا يكاد يذكر [9-11]. يجب أن يكون الهدف من المعالجة الحرارية ، في الواقع ، هو توفير تخفيض شامل في التأثير البيئي الذي قد ينشأ من الإدارة غير السليمة للنفايات.

يتم إجراء عملية الانحلال الحراري لتحويل النفايات [8] في غياب O2 في مفاعلات مصممة خصيصًا ، وتحت درجات حرارة وضغوط محددة ، مما يسمح بـ (1) إنتاج ثلاثة منتجات ذات قيمة مضافة (الزيت الحيوي ، والغاز ، والفحم) [8،12–14] ؛ (2) كفاءة أعلى في استعادة الطاقة ، و (3) تقليل الانبعاثات الغازية الملوثة [15].

على الرغم من وجود مزايا لا جدال فيها لاستخدام هذه العملية الكيميائية الحرارية المحددة [8،16] ، وعدم حدوث زيادة كبيرة من حيث انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، فإن العوائد الاقتصادية المرتبطة بالجزء القابل للتكثيف (الزيت الحيوي) والمنتج الصلب (شار) هي لم يتم تعريفه بالكامل للأسباب التالية:

- الزيت الحيوي عبارة عن خليط سائل معقد يحتوي على هيدروكربونات وأنواع مؤكسجة مع مجموعة متنوعة جدًا من الأوزان الجزيئية ، والتي لا يزال من الصعب استغلالها والاستفادة منها ؛

- الفحم عبارة عن مادة صلبة قائمة على الكربون وذات نسبة عالية من المواد غير العضوية (اعتمادًا على المادة الأولية) مما يحد من استغلالها الوظيفي.

دورة أخرى لا تزال مفتوحة في العديد من البلدان هي دورة الأسفلت. بعد حوالي 10 إلى 15 عامًا ، يصبح الإسفلت قديمًا ، وبالتالي يصبح صلبًا وهشًا ، ولم يعد مناسبًا لرصف الطرق ، لذلك يتم استبدالها بأخرى جديدة نظرًا للحاجة إلى معالجات كيميائية باهظة الثمن لتجديدها. في الآونة الأخيرة ، طالبت الحكومات وسلطات الطرق بأن تصبح صناعة الرصف أكثر استدامة من خلال تقليل استهلاك كل من المواد البكر باهظة الثمن والندرة بشكل متزايد وتجنب دفن النفايات. في إيطاليا ، مثل دول الاتحاد الأوروبي الأخرى ، يتم إعادة استخدام 20-30 في المائة فقط من الأسفلت المستصلحة لعمليات الرصف الجديدة ، و8-10 بالوزن. تم دفن في المائة من الأسفلت المستصلحة المتاح في عام 2018 [17،18]. إن إعادة استخدام الأسفلت المزال يمكن أن يقلل بشكل كبير من التكاليف الإجمالية لمواد رصف الطرق الجديدة [18 ، 19]. يمكن أن يساعد استخدام مواد النفايات في تطبيقات الطرق أيضًا في خفض التكلفة ، ويمكن العثور على اتجاه متزايد لاستخدامها في مثل هذا النطاق [20].

في العمل الحالي ، تم اقتراح مسار فعال لاستخدام المخلفات المشتقة من الانحلال الحراري لتحسين أداء الأسفلت وزيادة دورة حياتها ، وبالتالي تقليل التخلص منها في مدافن النفايات. تتجلى جدوى هذه الفكرة من خلال التمويل الأخير لمشروع بحثي (ReScA) يهدف إلى استخدام مفيد لكل من المنتجات الصلبة (الفحم) والسائلة (الزيت الحيوي) المشتقة من الانحلال الحراري للنفايات لإنتاج أكثر متانة وعالية- أداء البيتومين والأسفلت ، وبالتالي ضمان قدر أكبر من السلامة على الطرق وتقليل إنتاج النفايات.

تم تنظيم هذا العمل على النحو التالي: أولاً ، يتم تقديم الأساس الفيزيائي الكيميائي الكامن وراء فكرة استخدام المخلفات المشتقة من الانحلال الحراري لتحسين خصائص الإسفلت (القسم 2) ، ثم جدوى النهج ، وكذلك المنهجية والعمل الذي تم تنفيذه حتى الآن في إطار مشروع ReScA ، تم الإبلاغ عنها في القسمين 3 و 4 ، وتم الإبلاغ عن الآثار المتوقعة في المجالات التكنولوجية والاجتماعية والاقتصادية في القسم 5 ، والاستنتاجات ، جنبًا إلى جنب مع بعض التعليقات النهائية حول وجهات النظر المستقبلية ، تم الإبلاغ عنها في القسم 6 .

2. الأساس الفيزيائي والكيميائي لتكامل النفايات ودورات الأسفلت

تعد البوليمرات من المضافات الشائعة لتحسين خصائص الأسفلت ، ولكن حتى الآن ، كان استخدامها غير اقتصادي بسبب تكلفتها العالية [20]. أظهرت التطورات البحثية الحديثة إمكانية استخدام النفايات ، أو المنتجات المشتقة من الانحلال الحراري للنفايات ، كمضافات البيتومين والأسفلت الناشئة [20-24]. بالإضافة إلى ذلك ، تم مؤخرًا تقييم الأسس الفيزيائية والكيميائية لتحسين الخصائص الميكانيكية الإسفلتية بسبب إضافة شار [25-30]. يعرض الشار خواصًا مضادة للأكسدة ومضادة للشيخوخة عند استخدامه كمادة مضافة للإسفلت ، ويمكن للزيت الحيوي أن يمارس خصائص تجديدية على الأسفلت القديم ، ويعيد مرحلة المالتين بجزيئات منخفضة الوزن الجزيئي [27،31].

يمكن للجسيمات النانوية ، بفضل نسبة السطح إلى الحجم العالية والتركيب الكيميائي القابل للضبط ، أن تمارس تأثيرًا كبيرًا على الخصائص الانسيابية للقار والأسفلت ، حتى عند إضافتها إلى البيتومين بنسب صغيرة جدًا [32]. على وجه الخصوص ، يمكن للجزيئات الدقيقة أن تزيد من سعة تحميل الرصيف وتقلل من تكوين الشقوق بسبب التعب أثناء عمر تشغيل الرصيف. من المتوقع أن تعطي الجسيمات الكربونية نتائج أفضل ، وذلك بفضل توافقها الكيميائي مع القار (كلاهما من المواد الغنية بالكربون) [25]. يتميز الشار ببنية ليفية مسامية ، وهو مسؤول عن التفاعلات القوية مع المادة الرابطة [28]. بالإضافة إلى ذلك ، وجد أن محتواه العالي من الكربون يؤثر على صلابة البيتومين وصلابة [33]. تم اختبار استخدام شار كمعدل للبيتومين من قبل مؤلفين مختلفين [34،35] وفي جميع الحالات ، تم اكتشاف الأداء الميكانيكي المحسن.

يمكن أن يكون للتفاعلات بين شار والبيتومين تأثيرات مضادة للشيخوخة. المنطق الكيميائي الذي يدعم هذه الفرضية هو أن تفاعل الجزء القطبي من الشار مع الطور المالتوجيني للبيتومين من المتوقع أن يقيد الأخير في ديناميكيات أكثر تقييدًا. لذلك ، فإن وجود جزيئات صلبة مثل char ، الذي يعيق ديناميكيات تحويل البيتومين ، يمكن أن يبطئ العمليات المسؤولة عن الشيخوخة ، بما في ذلك الديناميكيات التي تنطوي على مجموعات الأسفلتين ومجموعاتها ، بمقاييس أطوال مختلفة وتتفاعل مع قوى مختلفة [36].

في الآونة الأخيرة جدا ، Rajib et al. في عام 2021 [37] فحص فوائد استخدام الفحم الحيوي لتأخير الأكسدة وشيخوخة الأشعة فوق البنفسجية على كل من المادة الرابطة والأسفلت ، و Kumar et al. [38] قيم استقرار التخزين الحراري للمجلدات المعدلة بنفايات البلاستيك المتحللة حراريًا (PPC). أظهر عملهم أن بقايا الانحلال الحراري يمكن استخدامها كمعدلات في البيتومين ، ولكن تبين أن هناك حاجة إلى الكثير من العمل ، على وجه الخصوص ، لمواجهة مشاكل الاستقرار [38].

تحت الشيخوخة ، يمكن أن تحدث تشققات أو كسور في الأسفلت [39] ، حيث أن المكونات الكيميائية للبيتومين تصبح أقل حركة تحت الضغط المطبق. الشيخوخة هي النتيجة الإجمالية لعدة عمليات ، تتميز كل منها بجداولها الزمنية:

1. تطاير مكونات الولاعة [40] ، وهي ظاهرة تحدث حتى أثناء وضع الأسفلت الجديد [41 ، 42] ؛

2. أكسدة مكونات البيتومين بواسطة الأكسجين الجوي. الجزيئات المؤكسدة هي أكثر قطبية ويمكن أن تعطي تجميعًا ذاتيًا محسنًا [43] ؛

3. تفاعلات كيميائية تسبب البلمرة وتشكيل بنى أكبر داخل البيتومين (متغيرة الانسيابية) [44].

بعد التقادم ، يمكن استعادة ليونة / لزوجة البيتومين الأصلية بطريقة ما عن طريق الإضافة البسيطة لعوامل التليين (تسمى عادةً التدفق) ، مثل زيت التدفق ، وزيت الصويا ، وزيت الطين ، ومخزون التشحيم ، وما إلى ذلك [45،46].

حتى الآن ، تم إجراء طرق أكثر تعقيدًا لاستعادة الكيمياء الأصلية للقار الأنيق وبنيته الأصلية بين الجزيئات [36،47] (التجديد) عن طريق تأخير عمليات الأكسدة والتكتلات والتجميع الذاتي التي تحدث أثناء عملية الشيخوخة بأكملها. تمت صياغته.

فيما يتعلق باستخدام الزيت الحيوي ، فقد ثبت أن تركيبته تجعله عامل تدفق محتمل. يكمن الأساس المنطقي وراء هذا التطبيق في وجود جزيئات برمائية يمكنها التفاعل مع تلك الموجودة بالفعل في البيتومين. يمكن أن يكون التفاعل بين أنواع مختلفة من المواقع البرمائية متنوعًا ، بسبب الطبيعة المعقدة لهذه الجزيئات ، ومع التأثيرات الملحوظة ، خاصةً إذا كانت الجزيئات الحمضية والقاعدية على اتصال داخل النظام ، بسبب الدفع النشط المواتي نحو رابطة H قوية تشكيل أو حتى انتقال بروتون محدد مع تكوين أنواع مشحونة [48]. في هذا الإطار ، يتم تقديم مثال حديث من خلال عمل Ren et al. في عام 2020 [49] ، حيث تم اختبار إضافة الزيت الحيوي المشتق من الانحلال الحراري للكتلة الحيوية إلى البيتومين لتحسين أدائه. تم تطبيق البيتومين المحسن على صفائح تذوب بالحرارة ذاتية اللصق ومخدر. تم اختبار الزيت الحيوي باستخدام معايرة FT-IR و GC-MS و Karl Fischer ، في حين تم تقييم أداء البيتومين باختبارات نقطة التليين ، واختبارات المرونة في درجات الحرارة المنخفضة ، واختبارات قوة التقشير ، واللزوجة ، والكثافة ، والصلابة ، ومقاومة الحرارة. ، وحافظت على اختبارات اللزوجة. تظهر نتائج تقييم الخصائص الفيزيائية أن البيتومين الحيوي هو بديل محتمل في ألواح طلاء البيتومين.

في القسم التالي ، يتم الإبلاغ عن تفاصيل حول كيفية استغلال هذه الجوانب وتحليلها بشكل أكبر داخل مشروع ReScA.

3. المنهجية والنتائج الأولية: مشروع ReScA

يركز مشروع ReScA على الاستخدام العملي لكل من الزيت الحيوي والفحم الناتج عن عمليات الانحلال الحراري لإنتاج أسفلت أفضل وأطول أمدًا ، وكذلك لتجديدها في الموقع بمجرد تقدمها في العمر أو استنفادها. الهدف النهائي لـ ReScA هو دمج النفايات الحضرية ودورات الأسفلت. سيتم إنجازه وفقًا لركيزتين رئيسيتين (الشكل 1): (1) ضبط خصائص منتج الانحلال الحراري من خلال تحسين العملية ؛ (2) استخدام منتجات الانحلال الحراري لتركيب الأسفلت وتجديد شبابه عندما يتقادم العمر أو ينفد.

النهج المقترح يؤدي إلى الفوائد العامة التالية:

1. استبدال المنتجات المشتقة من البترول (مثل النفط الخام) بمنتجات من الانحلال الحراري للنفايات الصلبة الحضرية ؛

2. تحسين الخصائص الميكانيكية وطول عمر الأسفلت من خلال استخدام الفحم.

3. تجديد منخفض التكلفة وفي الموقع للإسفلت المستنفد من خلال الزيت الحيوي.

من المتوقع أن تؤثر الفوائد المذكورة أعلاه بشكل كبير على التخلص من الأسفلت القديم في مدافن النفايات ، وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون ، وتكاليف الإنتاج ، نتيجة لزيادة مدة استخدام الأسفلت. علاوة على ذلك ، فإن مفهوم ReScA ، الذي يتبنى استغلال الانحلال الحراري من تحويل النفايات الحضرية (مع التركيز على الوقود المشتق من النفايات ، RDFs) ، في نفس الوقت ، يسمح باستعادة كبيرة للطاقة [50] (قيمة التسخين عادة حوالي 20 ميجا جول / كجم [51]) وتقليل دفن النفايات ، وإنجاز نموذج الاقتصاد الدائري الذي تم حثه على اعتماده في فترة انتقال ما بعد COVID -19.

3.1. المنهجية (الانحلال الحراري ، الخصائص الريولوجية للأسفلت)

تسعى ReScA إلى الاستغلال غير التقليدي للمنتجات الصلبة والسائلة (الفحم والزيوت الحيوية) من أجل التحويل الحراري للنفايات الحضرية لتعزيز وتحسين الأسفلت ، مما يجعلها أكثر مقاومة وطويلة العمر (من خلال استخدام الفحم) والسماح بتواجدها في الموقع التجديد من خلال استخدام الزيت الحيوي. ReScA هو مشروع متعدد التخصصات يستفيد من تعاون الكيميائيين والفيزيائيين والمهندسين لضمان إنتاج وتوصيف إضافات الأسفلت عن طريق الانحلال الحراري وتوصيف أداء الأسفلت المحسن من وجهة نظر ريولوجية.

3.1.1. نهج الانحلال الحراري مثل تحويل النفايات

تسمح عملية الانحلال الحراري بتحويل المادة الوسيطة ، التي تحتوي في الغالب على نسبة عالية من الكربون (على سبيل المثال ، الكتل الحيوية lignocellulosic ، و RDFs ، والبلاستيك ، والإطارات) ، في ثلاثة منتجات رئيسية:

- جزء قابل للتكثيف (زيت حيوي) غني بالمياه والهيدروكربونات والأنواع المحتوية على الأكسجين [14،52-54] ؛

- خليط من الغازات (بشكل أساسي ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والميثان) يمكن استخدامه ، بفضل قيمة التسخين ، للحفاظ على العملية بقوة [14،52،55-58] ؛

- بقايا صلبة غنية بالكربون (شار) [52،59].

يمكن تعديل نطاقات درجة حرارة التشغيل ، ومعدل التسخين ، والجو (تصنيف الغازات الخاملة) ، ووقت بقاء الأبخرة والمواد الصلبة في غرفة الانحلال الحراري بناءً على المخرجات المرغوبة ، وتجميع عمليات الانحلال الحراري في أربع فئات عريضة: بطيئة ، الانحلال الحراري التقليدي والسريع والفلاش [52]. تختلف معدلات التسخين من 0. 1–1 درجة مئوية / ثانية (انحلال حراري بطيء) إلى ما يزيد عن 1000 درجة مئوية / ثانية (انحلال حراري فلاش) ، بينما تتراوح درجات الحرارة تقليديًا بين 300-600 درجة مئوية.

لتسليط الضوء على تأثير معلمات التشغيل على غلة المنتج ، في الشكل 2 ، تم الإبلاغ عن مقارنة بين عوائد منتجات الانحلال الحراري المشتقة من الكتلة الحيوية ليجنو سليلوز التي تم الحصول عليها عن طريق الاختبارات التي أجريت في درجات حرارة نهائية مختلفة ومعدلات تسخين مختلفة. كمؤشر عام ، تكون ظروف الانحلال الحراري البطيء مناسبة لإنتاج الفحم ، خاصة في درجات الحرارة المنخفضة ، بينما في نفس درجات الحرارة ، تكون ظروف الانحلال الحراري السريع أو الوميض مناسبة لتعظيم إنتاج الغاز والسائل. على وجه الخصوص ، في درجات الحرارة المرتفعة ، إذا تم إجراء العملية في حالة يكون فيها وقت بقاء البخار مطولًا (بمعدل تسخين منخفض ، على سبيل المثال ، ظروف الانحلال الحراري البطيء) ، يصل ناتج جزء الغاز إلى الحد الأقصى منذ التفاعلات الثانوية (على سبيل المثال ، التكسير) ذات الصلة ويتطور الفحم نحو بنية ذات محتوى أكسجين منخفض (يسمى char الأساسي). على العكس من ذلك ، عند معدل تسخين مرتفع (على سبيل المثال ، ظروف الانحلال الحراري السريع والوميض) ، ينخفض ​​إنتاج الغاز لصالح إنتاج أعلى للجزء السائل ، نظرًا لأن التفاعلات الثانوية (على سبيل المثال ، التحلل إلى جزيئات صغيرة) محدودة [52]. يمكن العثور على مزيد من التفاصيل بشأن الانحلال الحراري لأنواع الكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية في المراجعة الأخيرة التي أجراها Giudicianni et al. [52] ، بينما يمكن الاطلاع على التفاصيل المتعلقة بالانحلال الحراري للنفايات الصلبة في مراجعة حسن [60].

يعتبر استهلاك الطاقة لأنواع العمليات المختلفة جانبًا مهمًا آخر يجب أخذه في الاعتبار لأغراض التطبيق. ومع ذلك ، لتقييم الأداء الاقتصادي لعملية معينة ، ينبغي أن تؤخذ في الاعتبار سلسلة الإنتاج بأكملها ، بما في ذلك المستخدمين النهائيين لمنتجات الانحلال الحراري. يصبح تقييم دورة الحياة (LCA) ضروريًا في مثل هذا التقييم.

عملية الانحلال الحراري هي استراتيجية تحويل حراري مرنة حيث يمكن ضبط تركيبة كل منتج انحلال حراري من خلال العمل على معايير مناسبة. يتضمن هذا التحسين التوصيف التفصيلي لتكوين المادة الأولية ، والذي يعد أحد الموضوعات الشائعة الرئيسية في هذا المجال البحثي الواسع [52]. البروتوكولات المعيارية (بروتوكولات ASTM) لتحديد التركيب الأولي (محتويات C ، H ، N ، S بالتحليل النهائي) ، ومحتويات الرطوبة ، والرماد ، والمواد المتطايرة ، والكربون الثابت (عن طريق التحليل التقريبي) ، وقيمة التسخين للمادة الأولية يتم اعتمادها تقليديا [61].

فيما يتعلق بمشروع ReScA ، يتم اشتقاق المواد الأولية المختارة (RDFs) من إدارة النفايات الحضرية واستقرارها وفقًا للتشريعات الحالية. RDF هو الجزء القابل للاحتراق من النفايات الصلبة البلدية التي تتميز بمحتوى عالٍ من الكربون وقيمة عالية من السعرات الحرارية حيث أن تركيبها يشمل: البلاستيك الصلب ، نفايات التغليف ، المنسوجات ، الخشب ، المعادن ، والمطاط [62]. يتم إنتاج RDF في مصانع ميكانيكية - بيولوجية لفرز النفايات الصلبة البلدية ، باعتبارها البقايا النهائية للعمليات المتسلسلة التالية: (1) استعادة المواد القابلة لإعادة التدوير (مثل البلاستيك والمعادن والزجاج والورق) ؛ (2) التثبيت البيولوجي للنفايات القابلة للتحلل البيولوجي ؛ (3) فصل النفايات الخاملة [62].

يتميز RDF بتنوع تركيبي عالٍ يؤثر على سلوكه الحراري العام. متوسط ​​تركيبة RDF التي أبلغ عنها مؤلفون مختلفون هي كما يلي: 15-35٪ بلاستيك ، 15-50٪ ورق وكرتون سيليلوز ، 2-10٪ خشب ، 5-20٪ مواد عضوية ، وحوالي 5-10٪ مواد غير قابلة للاحتراق [ 62-64].

يتأثر التدهور الحراري الكلي لـ RDF بشكل أساسي بالتحلل الحراري للكسرين الأكثر وفرة (كسور السليلوز والبلاستيك) [64]. يتحلل RDF في نطاق درجة حرارة أوسع (200-600 درجة مئوية ، الشكل 4) ، ولكن عند درجة حرارة منخفضة مقارنة بالمواد الغنية بالكربون [65]. إن انخفاض الكربون الثابت ، والمواد شديدة التقلب [64] ، ووجود مادة غير متطايرة بين 10 و 20 في المائة (المعادن يمكن أن تحفز التحلل) هي المسؤولة عن مثل هذا السلوك الانحلال الحراري.

تنظم عمليات إزالة البلمرة وتفتيت المونومر لمكونات RDF الكميات النسبية للكسور الصلبة (الفحم) والسائلة (الزيت الحيوي) والغازية ، خاصة تلك ذات الأوزان الجزيئية المنخفضة.

من أجل فهم أفضل للظواهر التي تحدث في التدهور الحراري لـ RDF ، وكذلك لتسليط الضوء على كيفية تأثير معدل التسخين ودرجة الحرارة النهائية على الأخير ، فقد الكتلة (يقاس بالتحليل الحراري الوزني ، TGA) والإشارة التفاضلية الحرارية ( تم الإبلاغ عن DTG) من RDF ، الذي تم اختياره كدراسة حالة ، في الشكل 3 لمعدلي تسخين مختلفين (5 و 50 درجة مئوية / دقيقة). يعود فقدان الكتلة كدالة لدرجة الحرارة أو وقت الإقامة إلى الظواهر المتزامنة المتمثلة في التحلل والأكسدة وفقدان المواد المتطايرة [66]. أثبتت الفروق التي لوحظت لمنحنيي TG أن آلية التحلل تتأثر بمعدل التسخين ، ونتيجة لذلك ، فإن الكميات النسبية للكسور الثلاثة عند إخراج عملية الانحلال الحراري (الغاز والفحم والزيت الحيوي) يمكن ضبطه من خلال التشغيل على معلمات مختلفة (نطاق درجة الحرارة بشكل أساسي ، ومعدل التسخين ، ووقت بقاء الغاز).

كملاحظة أخيرة ، تم إثبات تفوق المعالجة بالانحلال الحراري للنفايات البلاستيكية للحصول على أداء بيئي شامل أفضل من الخيارات التقليدية ، مثل دفن النفايات أو الحرق ، باستخدام نهج LCA منذ 2005 [67]. في الآونة الأخيرة ، جيسواني وآخرون. [10] أجرى تحليل LCA أعمق يوضح أنه حتى لو كانت معالجة الانحلال الحراري للنفايات البلاستيكية المختلطة لها تأثير أقل بنسبة 50 في المائة لتغير المناخ واستخدام الطاقة لدورة الحياة مقارنة بخيار استعادة الطاقة ، فهناك تأثيرات أخرى مثل التحمض ، والتغذية ، والكيمياء الضوئية وتكوين الأوزون ، أعلى من تلك المستخدمة في إعادة التدوير الميكانيكي واستعادة الطاقة بسبب الطلب المرتفع نسبيًا على الطاقة في عمليات الانحلال الحراري والتنقية. لذلك ، فإن نتائج Jeswani et al. [10] أكد على الحاجة إلى تحسين جهود البحث في المستقبل لزيادة كفاءة تحويل الكربون في الانحلال الحراري للنفايات لتقليل تأثيرها بشكل أكبر.

3.1.2. تحضير الأسفلت والشيخوخة واختبار التجديد والتوصيف الريولوجي

عادةً ما يتم استخدام مجموعة واسعة من الاختبارات الانسيابية القياسية لتوصيف مكونات الأسفلت (الجزء البيتوميني بشكل أساسي) ونماذج الأسفلت.

ضمن مشروع ReScA ، يتم تحضير عينات البيتومين التي تحتوي على كميات مختلفة من الفحم ويتم تقييم ثباتها من خلال تقنيات مختلفة: تجارب درجة الاختراق (EN 1426: 2 0 15) واختبارات الحلقة والكرة (EN 1427: 2015) ، تجارب انتشار الرنين المغناطيسي النووي ، وقياسات المسعر التفاضلي (DSC) ، وقياسات قياس الانسيابية لـ G0 ، G 00 ، ودلتا تان ، ومعلمات التمزق والتعب ، وتحليل المخططات السوداء ، والتصوير المجهري (البصري ، AFM) ، والأشعة تحت الحمراء قياسات التحليل الطيفي. يتم بعد ذلك استخدام البيتومين المعدَّل على شكل شار والذي يظهر ثباتًا جيدًا لإعداد نماذج الإسفلت. يتم تحضير نماذج الإسفلت من خلال البروتوكولات القياسية (UNI EN 12697-31) التي تتضمن ضاغطًا دوارًا. بالتفصيل ، يتم اختيار توزيع حجم الجسيمات غير العضوية وفقًا للمواصفات القياسية الإيطالية [19] ، في نفس الوقت ، مع تلبية الحدود التي تفرضها طريقة أرصفة الأسفلت فائقة الأداء في إطار برنامج البحث الاستراتيجي للطرق السريعة (Superpave SHRP) [20 ]. يتم اختيار التدرجات التجميعية المحددة لإنتاج عينات الأسفلت لضمان حدوث ظاهرة مقاومة التآكل [21] واتباع طريقة تصميم الخلط (UNI EN 933-1). يتم تقييم الثبات باستخدام اختبار مارشال للثبات القياسي (ASTM D6927).

لتقييم التأثيرات المضادة للشيخوخة الناتجة عن إضافة شار ، يتم إجراء اختبارات التقادم على البيتومين المعدل بالفار. يتم تنفيذ محاكاة الشيخوخة من خلال الإجراء القياسي لاختبار فرن الأغشية الرقيقة المتداول (RTFOT) وفقًا للبروتوكول القياسي ASTM D 2872-04 ، واختبار وعاء الشيخوخة بالضغط (PAV) ، وفقًا لـ ASTM D6521 بروتوكول. يتم إجراء توصيف الخواص الميكانيكية بعد عملية الشيخوخة بنفس التقنيات التحليلية المستخدمة في تقييمات الثبات.

لاختبار فعالية الزيت الحيوي كمجدد للحيوية أو كعامل تدفق ، تتميز عينات القار المعمرة بالتقنيات المذكورة أعلاه ومن ثم معالجتها بكميات متزايدة من الزيت الحيوي. يسمح تقييم الخواص الميكانيكية للعينات التي تم الحصول عليها ومقارنة هذه النتائج مع تلك الخاصة بالبيتومين البكر والعتيق بتحديد تأثير إضافة الزيت الحيوي.

من المتوقع أن يؤدي جمع كل نتائج التوصيف هذه إلى تعزيز فهم آليات التفاعل بين مكونات البيتومين والمواد المضافة في شكل جسيمات نانوية مسؤولة عن زيادة أداء ومتانة المادة الرابطة وما ينتج عنها من الإسفلت.

كدليل على النهج المقترح ، تم الإبلاغ عن بعض النتائج الأولية على RDF ، والمواد الأولية المختارة كدراسة حالة ، في القسم التالي.

【لمزيد من المعلومات: george.deng@wecistanche.com / WhatApp: 86 13632399501】