پیرولیز چیست؟

این کلمه خود از دو کلمه Lysis به معنای شکستن و Pyro به معنای تجزیه گاز ساخته شده است. با بررسی این دو بخش معنی واژه پیرولیز را فهمید. پیرولیز تجزیه مولکول­‌های بزرگ‌تر به مولکول­‌های کوچک‌­تر با استفاده از گرما یا دمای بالا است.

در هر دمای معینی، مولکول­‌های هر ماده‌­ای در مرحله ارتعاش هستند. به این پدیده ارتعاش مولکولی می­‌گویند. این ارتعاشات مولکولی با دمای این مولکول­‌ها نیز نسبت مستقیم دارد. در طی واکنش پیرولیز، مولکول‌ها در معرض دمای بسیار بالایی قرار می‌گیرند که منجر به ارتعاشات مولکولی بسیار بالا می‌­شود. در این ارتعاشات مولکولی بالا، هر مولکول در جسم به حدی کشیده و تکان می‌خورد که مولکول‌ها شروع به شکستن به مولکول‌های کوچک‌تر می‌کنند.

ساده ترین مثال پیرولیز، پخت غذا است. هنگامی که غذا می‌پزید، دمای غذا افزایش می‌­یابد. دماهای بالاتر منجر به ارتعاشات مولکولی بالاتر می‌شود که در نهایت مولکول‌های پیچیده‌تر غذا را به مولکول‌های کوچک‌تر و ساده‌تر تجزیه می‌کنند.

پیرولیز، تجزیه شیمیایی مواد آلی (مبتنی بر کربن) از طریق اعمال گرما می‌­باشد. پیرولیز، که همچنین اولین مرحله در تبدیل مواد به گاز و احتراق است، تقریباً  در غیاب اکسیژن رخ می­‌دهد، و بنابراین از احتراق (سوختن)، که تنها در صورت وجود اکسیژن کافی می تواند انجام شود، متمایز است. سرعت پیرولیز با دما افزایش می یابد. در کاربردهای صنعتی، دماهای مورد استفاده اغلب 430 درجه سانتیگراد (حدود 800 درجه فارنهایت) یا بالاتر است، در حالی که در عملیات در مقیاس کوچک­‌تر ممکن است دما بسیار کمتر باشد. دو محصول شناخته شده ایجاد شده توسط تجزیه در اثر حرارت عبارتند از نوعی زغال چوب به نام بیوچار که با حرارت ایجاد می شود، (که به عنوان سوخت صنعتی و محافظ حرارتی استفاده می شود) که با حرارت دادن زغال سنگ ایجاد می شود. پیرولیز همچنین مایعات قابل چگالش (یا قطران) و گازهای غیر قابل تراکم تولید می کند.

روند پیرولیز

پیرولیز مواد آلی را به اجزای گازی آن‌­ها، باقیمانده جامد کربن و خاکستر و مایعی به نام روغن پیرولیتیک (یا روغن زیستی) تبدیل می­‌کند. پیرولیز دو روش اصلی برای حذف آلاینده ها از یک ماده دارد: تخریب و حذف. در تخریب، آلاینده­‌های آلی به ترکیباتی با وزن مولکولی کمتر تجزیه می‌­شوند، در حالی که در فرآیند حذف، این مواد از بین نمی‌­روند بلکه از مواد آلوده جدا می‌­شوند. پیرولیز یک فرآیند مفید برای تصفیه مواد آلی است که تحت حضور گرما تجزیه می­‌شوند. نمونه‌ها شامل بی‌فنیل‌های پلی‌کلرینه (PCB)، دیوکسین‌ها و هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای (PAHs) است. اگرچه پیرولیز برای حذف یا از بین بردن مواد معدنی مانند فلزات مفید نیست، اما می توان از آن در تکنیک هایی استفاده کرد که این مواد را خنثی می­‌کند.

پیرولیز یک عملیات ترموشیمیایی است که می­‌تواند برای هر محصول آلی (مبتنی بر کربن) اعمال شود. این را می توان بر روی محصولات خالص و همچنین مواد مخلوط نیز انجام داد. در این تصفیه، مواد در معرض دمای بالا قرار می‌گیرند و در غیاب اکسیژن از طریق جداسازی شیمیایی و فیزیکی به مولکول‌های مختلف تبدیل می‌شوند. این تجزیه به لطف پایداری حرارتی محدود پیوندهای شیمیایی مواد انجام می‌­شود که به آن‌ها اجازه می دهد با استفاده از گرما تجزیه شوند.

تجزیه حرارتی منجر به تشکیل مولکول های جدید می شود. این اجازه می دهد تا محصولاتی با ویژگی متفاوت و اغلب برتر نسبت به باقیمانده اصلی دریافت کنید. به لطف این ویژگی، پیرولیز به فرآیند مهمی برای صنعت امروز تبدیل می‌شود – زیرا باعث می‌شود ارزش بسیار بیشتری برای مواد و ضایعات رایج ایجاد کند.

پیرولیز اغلب با عملیات حرارتی همراه است. اما برخلاف فرآیندهای احتراق و گازی شدن، که شامل اکسیداسیون کامل یا جزئی مواد است، پیرولیز بر پایه گرمایش در غیاب هوا است. این باعث می‌شود که فرآیند گرماگیر بخش مهمی باشد که محتوای انرژی بالایی را نیز در محصولات دریافتی تضمین می‌کند.

محصولات پیرولیز همیشه گازهای جامد (زغال چوب، بیوچار)، مایع و گازهای غیر قابل تراکم (H2، CH4، CnHm، CO، CO2 و N) تولید می­‌کنند. از آن­جایی که فاز مایع از گاز پیرولیز فقط در حین سرد شدن استخراج می‌شود، در برخی کاربردها، این دو جریان را می‌توان در هنگام ارائه گاز سنتز داغ به طور مستقیم به مشعل یا محفظه اکسیداسیون با هم استفاده کرد.

چه عواملی بر نتایج فرآیند پیرولیز تأثیر می‌­گذارند؟

ترکیب مواد تصفیه شده: هر یک از اجزای اصلی زیست توده و زباله دارای دماهای مختلف تجزیه حرارتی هستند، به این معنی که آن­‌ها به روش‌­های متفاوتی در نتایج فرآیند نقش دارند. با توجه به تنوع بالای ترکیبات مواد، همیشه توصیه می‌شود که آزمایش­‌هایی برای پیش‌بینی عملکرد فرآیند پیرولیز به دقیق‌ترین روش انجام شود.

دمای فرآیند: این عامل تأثیر عمده ای بر نتایج فرآیند پیرولیز دارد. دماهای بالاتر پیرولیز مقدار بیشتری از گازهای غیر قابل تراکم (گاز سنتزی) را فراهم می­‌کند، در حالی که دماهای پایین­تر به نفع تولید محصول جامد با کیفیت بالا (زغال چوب، زغال سنگ زیستی، سوخت های مختلف) است. دما یک عامل کاملاً قابل کنترل در این فرآیند است که امکان تنظیم دقیق شرایط پیرولیز را فراهم می­کند.

زمان ماندن مواد در محفظه پیرولیز: این عامل بر میزان تبدیل حرارتی محصول جامد دریافتی و همچنین زمان ماندن بخار تأثیر می‌گذارد که بر ترکیب بخارها تأثیر می‌گذارد (فاز متراکم / غیرقابل چگالش).

اندازه ذرات و ساختار فیزیکی: این عامل بر سرعتی که در آن مواد در معرض پیرولیز قرار می­‌گیرند، تأثیر می­‌گذارد. به طور کلی، مواد با اندازه ذرات پایین‌­تر سریع‌تر تحت تأثیر تجزیه حرارتی قرار می‌گیرند، که می‌تواند منجر به تولید مقادیر بیشتری از روغن پیرولیز نسبت به اندازه ذرات بزرگ‌تر شود.

زیست توده

زیست توده لیگنوسلولزی فراوان ترین منبع کربن تجدیدپذیر روی زمین است. منابع زیست توده موجود عبارتند از: بقایای جنگل، بقایای محصولات انرژی زا (مانند چمن)، ضایعات حیوانی و مواد غذایی مختلف. این مواد بخش‌های ساختاری فیبری گیاهان هستند و عمدتاً از سلولز، همی سلولز و لیگنین ساخته می‌شوند. در مقایسه با مواد اولیه زیستی نسل اول گیاه مانند قندها، نشاسته‌­ها و روغن­‌های گیاهی، طبیعت این قسمت­‌های گیاهان را برای تجزیه به بلوک‌­های سازنده شیمیایی دشوار کرده است و استفاده از این منبع کربن را به چالشی برای دانشمندان و مهندسان تبدیل کرده است. پالایشگاه‌­های زیستی تأسیساتی هستند که در آن‌­ها زیست توده­‌ها به محصولات مختلفی تبدیل می شوند. محصولات هدف شامل سوخت‌های زیستی هیدروکربنی پیشرفته می­‌باشند که از بنزین، دیزل یا سوخت جت مبتنی بر فسیل و مواد شیمیایی قابل تشخیص نیستند. فناوری‌ها باید برای تبدیل کارآمدتر این منبع کربن تجدیدپذیر توسعه داده شوند تا محصولات زیستی تجدیدپذیر از زیست توده بتوانند از نظر اقتصادی با محصولات تولید شده از منابع فسیلی رقابت کنند.

پیرولیز یکی از فناوری‌های موجود برای تبدیل زیست توده به یک محصول مایع میانی است که می‌تواند به سوخت‌های زیستی هیدروکربنی، افزودنی‌های سوخت اکسیژنه و جایگزین‌های پتروشیمی تصفیه شود. پیرولیز در واقع همان حرارت دادن یک ماده آلی مانند زیست توده در غیاب اکسیژن است. پیرولیز زیست توده معمولاً در دمای 500 درجه سانتیگراد یا بالاتر از آن انجام می‌­شود و گرمای کافی برای تجزیه پلیمرهای زیستی قوی ذکر شده را هم فراهم می­‌کند. از آن­جا که در این شرایط، اکسیژن وجود ندارد، احتراق رخ نمی‌­دهد، بلکه زیست توده از نظر حرارتی به گازهای قابل احتراق و زغال زیستی تجزیه می­‌شود. بیشتر این گازهای قابل احتراق را می توان به مایع قابل احتراق تبدیل کرد که به آن روغن پیرولیز (روغن زیستی) می گویند، اگرچه در این فرآیند برخی گازهای دائمی (CO2، CO، H2، هیدروکربن­‌های سبک) نیز وجود دارند که برخی از آن‌­ها می‌­توانند برای تامین گرما سوزانده شوند. بنابراین، تجزیه در اثر حرارت دادن زیست توده سه محصول تولید می‌کند: یک مایع (روغن زیستی)، یک جامد (زغال‌زیست) و دیگری گازهای سنتزی. نسبت این محصولات به عوامل مختلفی از جمله ترکیب مواد اولیه و پارامترهای فرآیند بستگی دارد. با این حال، اگر همه چیز برابر باشد، بازده روغن زیستی زمانی بهینه می‌شود که دمای پیرولیز در حدود 500 درجه سانتی‌گراد باشد و نرخ گرمایش بالا (1000 درجه سانتی‌گراد در ثانیه) در شرایط پیرولیز سریع باشد. تحت این شرایط، بازده روغن زیستی 60-70 درصد وزنی را می‌­توان از یک ماده اولیه زیست توده معمولی، با بازده 15-25 درصد وزنی زغال زیستی به دست آورد. در این شرایط 10-15 درصد وزنی باقیمانده نیز گاز است. فرآیندهایی که از سرعت گرمایش آهسته‌تر استفاده می‌کنند، پیرولیز آهسته نامیده می‌شوند و بیو زغال معمولاً محصول اصلی چنین فرآیندهایی است. فرآیند پیرولیز می‌تواند خودپایه باشد، زیرا احتراق گاز تولیدشده و بخشی از روغن زیستی یا زغال زیستی هم می‌تواند تمام انرژی لازم را برای هدایت واکنش فراهم کند.

برنامه‌­های کاربردی پیرولیز

پیرولیز کاربردهای متعددی برای فناوری سبز دارد. در استخراج مواد از کالاهایی مانند لاستیک خودرو، حذف آلاینده‌های آلی از خاک و لجن‌های روغنی و ایجاد سوخت زیستی از محصولات کشاورزی و مواد زائد مفید است. پیرولیز می تواند به تجزیه لاستیک های خودرو به اجزای مفید کمک کند، بنابراین بار منفی محیط زیستی ناشی از دور ریختن لاستیک ها را کاهش می‌­دهد. لاستیک­‌ها در بسیاری از مناطق جزء مهم دفن زباله هستند و PAH و فلزات سنگین را هنگام سوختن در هوا آزاد می کنند. با این حال، هنگامی که لاستیک‌ها پیرولیز می‌شوند، به گاز و روغن (قابل استفاده برای سوخت) و کربن سیاه (قابل استفاده به عنوان پرکننده در محصولات لاستیکی، از جمله لاستیک‌های جدید، و به عنوان زغال فعال در فیلترها و سلول‌های سوختی) تجزیه می‌شوند. علاوه بر این، پیرولیز می‌تواند آلاینده‌های آلی مانند هورمون‌های مصنوعی را از لجن فاضلاب حذف کند (مواد نیمه جامد که پس از تصفیه فاضلاب باقی می‌مانند و محتوای آب کاهش می‌یابد) و فلزات سنگین باقی مانده در لجن را نیز خنثی می‌کند، که به لجن امکان استفاده ایمن را به عنوان کودهای کشاورزی می‌دهد.

علاوه بر این، بیومس پیرولیز (مواد بیولوژیکی مانند چوب و نیشکر) نوید بخش تولید منابع انرژی است که می تواند مکمل یا جایگزین انرژی مبتنی بر نفت باشد. پیرولیز باعث می شود که سلولز، همی سلولز و بخشی از لیگنین موجود در زیست توده به مولکول­‌های کوچک‌تر به شکل گاز تجزیه شوند. هنگامی که این گازها سرد می­‌شوند، متراکم شده، به حالت مایع درآمده و­به روغن زیستی تبدیل می شوند، در حالی که باقیمانده (عمدتا لیگنین باقی مانده) به صورت بیوچار جامد و گازهای غیرقابل تراکم باقی می­‌ماند.

پیرولیز پلاستیک شامل تجزیه مولکولی مولکول­‌های پلاستیکی بزرگ­‌تر به مولکول­‌های کوچک­‌تر گاز، نفت و کربن با استفاده از گرما است. پیرولیز با نام‌های ترک حرارتی، ترمولیز، دپلیمریزاسیون و غیره نیز شناخته می‌شود.

نمونه­‌هایی از پیرولیز

چندین فرآیند شناخته شده وجود دارد که شامل پیرولیز می شوند. برخی از نمونه‌های متداول از انواع مختلف فرآیندهایی که در آن‌ها پیرولیز می‌تواند رخ دهد، در زیر فهرست شده‌اند.

• فرآیند تقطیر خشک، که شامل حرارت دادن مواد جامد به منظور به دست آوردن فرآیندهای گازی است، به عنوان نوعی پیرولیز جامدات شناخته شده است. یکی از کاربردهای رایج چنین فرآیندهایی در به دست آوردن اسید سولفوریک از سولفات­‌ها است.
• فرآیند تقطیر مخرب یکی دیگر از کاربردهای مهم پیرولیز است. در این فرآیند، مواد فرآوری نشده (معمولاً در طبیعت آلی) در معرض مقادیر زیادی گرما در اتمسفرهای نسبتاً بی اثر قرار می­‌گیرند تا تجزیه آن‌­ها به مولکول­‌های کوچک‌­تر تسهیل شود. استخراج کک و خاکستر زغال سنگ از زغال سنگ با کمک این تکنیک به دست می آید.
• قهوه‌­ای شدن شکر به کمک حرارت (که معمولاً به عنوان کاراملیزاسیون شناخته می‌­شود) نمونه مهم دیگری از پیرولیز است.
• بسیاری از روش­‌های معمول پخت و پز نیز شامل پیرولیز هستند. نمونه‌­های قابل توجه عبارتند از کباب کردن، سرخ کردن و برشته کردن مواد غذایی مختلف.
• یکی دیگر از کاربردهای قابل توجه پیرولیز زمانی است که چوب در قیر قرار می­‌گیرد و برای به دست آوردن قطران در دمای بالایی حرارت می­‌بیند.
• فرآیند پالایش نفت از فرآیند پیرولیز نیز بهره برداری می‌­کند. در این صنعت، از گرما برای ایجاد شکاف در هیدروکربن‌های نسبتاً بزرگ استفاده می‌شود که تجزیه آن­‌ها را به هیدروکربن‌های کوچک‌تر تسهیل می‌کند.
• فرآیندهای طبیعی که در ایجاد سوخت­‌های فسیلی دخیل هستند نیز شامل پیرولیز می­‌شوند. همچنین می‌­توان به این نکته اشاره کرد که فرآیند کاتاژنز، که فرآیندی است که از طریق آن مواد آلی مدفون در معرض دما و فشارهای بالا در مدت زمان بسیار طولانی (برای تبدیل مواد آلی به زغال سنگ و سایر سوخت­‌های فسیلی) قرار می گیرند؛ نوعی پیرولیز هستند.

نتیجه گیری

امروزه چالش اصلی فرآیند پیرولیز، بهبود این فرآیند با افزایش کیفیت و کمیت محصول و همچنین کاهش هزینه­‌ها و کاهش اثرات خطرناک زیست محیطی آن است.

انتخاب مناسب زیست توده یک عامل حیاتی برای به دست آوردن بازده نفت زیستی بالا است. در این مورد، زیست توده حاوی محتوای سلولز بالا را می­توان انتخاب کرد، زیرا روغن‌­های زیستی عمدتاً از آن مشتق می‌­شوند. این در حالی است که زیست توده مبتنی بر لیگنین را می­‌توان برای تولید بیوچار استفاده کرد. علاوه بر این، زیست توده با محتوای رطوبت کم برای کاهش هزینه­‌های خشک کردن و افزایش کیفیت روغن استخراج شده نیز انتخاب مناسبی است. اگرچه مطالعات زیادی در مورد دیدگاه‌های اقتصادی استفاده از فرآیند پیرولیز انجام شده است، اما اکثر آن­‌ها برای تولید در مقیاس کوچک یا آزمایشی محدود شده­‌اند. محاسبه جزئیات مختلف برای کارخانه پیرولیز در مقیاس صنعتی برای افتتاح این فناوری برای کاربردهای فاز عملی تا حد قابل توجهی ضروری است.