Poliüretan Malzemelerde Geri Dönüşüm
Artan su ve toprak kirliliği, hammaddelerin tükenme olasılığı ve plastiklerin fiziksel ve kimyasal etkenlere karşı direnci, sentetik polimer atıkların geri dönüşümü, geri kazanımı ve çevre dostu bertaraf yöntemlerinin öneminin artmasına neden olmaktadır.
Poliüretanlar (PU), çok çeşitli uygulamalara sahip çok yönlü sentetik polimerlerdir. Bu araştırma yazısında poliüretan malzemelerin geri dönüşüm sürecini, bu alanda yapılan çalışmaları derledik.
Son yıllarda test edilen ve uygulanan çeşitli yöntemler, PU atıklarının işlenmesinin ekonomik ve ekolojik olarak faydalı olabileceğini kanıtlamıştır. Şu anda mekanik geri dönüşüm ve glikoliz geri dönüşüm yöntemleri arasında en önemli olanlardır.
Aynı zamanda poliüretanların biyolojik bozunması, hem tüketim sonrası hem de üretim sonrası atıklar için oldukça ümit vericidir. Biyolojik yöntemler için ise bir olasılık, biyolojik bozunmaya duyarlı PU malzemelerin sentezidir.
Sonuç olarak mevcut çalışmalar, gelecekte yeniden işlenmemiş poliüretan atıkların ortadan kaldırılmasının mümkün olduğunu öngörmektedir. Poliüretanlar, plastiklerin yaklaşık olarak %8’ini oluşturur ve bu da dünyada en çok kullanılan 6. polimer olduğu anlamına gelmektedir.
Poliüretanlar; köpükler ve CASE’ler (Kaplamalar, yapıştırıcılar, sızdırmazlık malzemeleri, elastomerler) olarak sınıflandırılabilir.
Aynı zamanda poliüretan köpükler de kendi içlerinde esnek ve sert olarak ayrılmaktadır. Kullanıldığı alanlara bakarsak ise; örneğin esnek poliüretan süngerlerden yatak ve otomotiv koltuklarında yararlanılırken sert poliüretan köpüklerden ise bina izolasyonunda ve buzdolaplarında yararlanılabilir.
CASE’ler çoğunlukla spor ayakkabı, atletizm pistleri, elektronik ürünler ve gemi yapılarının parçası olarak kullanılmaktadır. Yapılan araştırmalara göre Avrupa, Orta Doğu ve Afrika nihai poliüretan ürünleri pazarı incelendiğinde; esnek köpüklerin %36, sert köpüklerin %32 ve CASE’lerin de %32 yer kapladığı; yani neredeyse eşit üretim oranlarına sahip oldukları görülmüştür.
Üstün özellikler sunduğu (esneklik, yüksek ısı dayanımı, mukavemet vb.) ve çeşitli uygulamalarda bu malzemelerden yararlanılabildiği için her yıl artan miktarda poliüretan atığı ortaya çıkmaktadır. Bu tür atıklar, ömrünü tamamlamış (EOL) ve tüketici sonrası
(PC) ürünleri ve ayrıca poliüretan üretiminden kaynaklanan artıkları içerir. Aynı zamanda üretim ve işleme yöntemlerinden kaynaklanan sebeplerle de atık oluşabilir.
Poliüretanların geri dönüşümünde iki farklı yöntem kullanılabilir; bu yöntemlerden biri mekanik geri dönüşüm, diğeri ise kimyasal geri dönüşümdür.
Poliüretan Atıkları Geri Dönüştürme Yöntemleri
Mekanik Geri Dönüşüm
Mekanik geri dönüşüm, PU’ları geri dönüştürmenin en kolay ve en temel yoludur. Katı atığın pullara, granüllere veya toza dönüştürülmesini içerir. Bu geri dönüşüm; parçalanma, öğütme, kesme veya yırtma yoluyla elde edilebilir.
1. Rebond Esnek Köpük: Bu yöntemde doğranmış esnek poliüretan köpükler halı altlığı, paspas vb. ürünler oluşturmak için bir bağlayıcı ile yapıştırılır.
2. Öğütme veya Toz Haline Getirme: Poliüretan parçaları kullanım ömrü sonrası öğütülür ve ince bir toz haline getirilir. Çıkan toz, yeni poliüretan köpüğü ya da enjeksiyon parça kalıplama reaksiyonu oluşturmak için saf malzemelerle karıştırılır.
3. Presleme/Yapıştırma: Bu geri dönüşüm yöntemi; otomotiv, beyaz eşya ve endüstriyel atıklarda yüksek oranda çıkan poliüretan malzemelerde kullanılmaktadır.
Poliüretan malzemeler öğütülür ve bir bağlayıcı veya yapıştırıcı ile levha haline getirmek veya farklı kalıplama şekilleri için sıcaklık ve basınç altında sıkıştırılır. Ortaya çıkan ürün ses yalıtımı uygulamalarında, su ve elastikiyete ihtiyaç duyulan yer döşemelerinde, su geçirmez mobilyalarda kullanılabilir.
4. Sıkıştırmalı Kalıplama: Bu geri dönüşüm prosesinde, kalıplama enjeksiyon reaksiyonu (RIM) ve güçlendirilmiş RIM parçaları ince parçacıklar halinde öğütülür.
Devamında ise yüksek sıcaklık ve basınç uygulanarak %100 geri dönüşüm elde edilir. Elde edilen bu malzeme orijinal malzemeye yakın özellikler gösterir.
Kimyasal Geri Dönüşüm
Hammadde geri dönüşüm yöntemlerinden diğeri ise kimyasal geri dönüşümdür. Bu yöntem genel olarak polimer zincirlerinin kimyasal işlemler yoluyla daha küçük moleküllere dönüştürülmesine yol açan bir polimer yeniden işleme türüdür.
Kimyasal geri dönüşüm yöntemleri arasında hidroliz, glikoliz, piroliz, gazlaştırma,
hidrojenasyon bulunur. Poliüretanların önemli bir özelliği, yapı taşlarının geri kazanılmasına izin veren polimerizasyonu tersine çevirme olasılığıdır. Maliyetler, uygulanan sıcaklık ve ek yüzeyler göz önüne alındığında, kimyasal geri dönüşüm mekanikten çok daha zahmetlidir.
1. Glikoz (Glycolysis)
Günümüzde glikoliz, sert ve esnek poliüretan için en çok kullanılan kimyasal geri dönüşüm yöntemidir. Glikolden bir hidroksil grubunun, bir üretan bağının bir karbonil karbonunu içeren ester grubunun yerini aldığı bir transesterifikasyon reaksiyonuna dayanır.
Bu reaksiyon ile, özellikleri bir dereceye kadar kontrol edilebilen ve orijinal malzemeninkine benzer olabilen polioller üretir. Poliüretan üretiminde kullanılabilirler.
Glikolizin iki ana yönü vardır. İlki, esnek poliüretan köpük üretimi için poliollerin geri kazanılmasına yol açar. İkinci olarak, ayrık fazlı glikoliz (SPG) olarak adlandırılan, sert ve esnek poliollerle sonuçlanır. Oluşan bu poliollerin kimyasal fonksiyonları, orijinal poliol
malzemeye yakındır ve birçok farklı uygulamada kullanılabilmektedir.
2. Hidroliz (Hydrolysis)
Hidroliz, poliüretan atıkları, özellikle esnek köpükleri geri dönüştürmek için geliştirilen ilk kimyasal yöntemdir. Bu prosesde, kullanılan poliüretanlar ve su arasında yeni bir reaksiyon oluşturulur.
Reaksiyon sonucunda da polioller ve çeşitli ara kimyasallar ortaya çıkar. Ortaya çıkan polioller, amin ara ürünlerini ve karbon dioksiti içerir. Bu polioller yakıt ve ara madde
şeklinde, poliüretanlar için de hammadde şeklinde kullanılır.
Hidrolizin en önemli avantajı, hem üretim artıkları, hem de tüketici sonrası atıklar için uygulama imkanı sağlar. Proses anaerobik ortamda ve yüksek sıcaklıkta (150–320°C’nin üzerinde) gerçekleştirilir.
Hidrolizin en büyük dezavantajı, partiyi ısıtmak veya yüksek basınç uygulamak için reaktöre yüksek enerji girdisi gerektirmesi ve bu işlemin ekonomik olmamasıdır.
3. Piroliz (Pyrolysis)
Bu proseste, gaz ve yağ üretmek için poliüretanlar oksijensiz bir ortamda yıkılır. Piroliz, uzun polimerik zincirlerin yüksek basınçta anaerobik koşullar altında daha az karmaşık moleküllere termal ayrışma işlemidir.
Piroliz işleminden sonra az miktarda atık kalması ve elde edilen ürünlerin diğer petrokimyasal işlemlerde kullanma olasılığı avantajları arasındadır. Ne yazık ki, tek tek ürünlerin oranlarının nicel olarak belirlenememesi ve istenen özelliklere sahip ürünlerin elde
edilmesinin zorluğu nedeniyle bu her zaman mümkün olmamaktadır.
Hidrojenasyon (Hydrogenation): Hidrojenasyon, pirolize benzer bir süreçtir. Isı, basınç ve hidrojen karışımı ile kullanılan poliüretandan gaz ve yağ üretir. Gaz ve petrol oluşumuna yol açar. Bu işlem ile piroliz arasındaki temel fark, inert gaz yerine yüksek basınçlı hidrojen kullanılmasıdır.
Bu yöntemin yararlı olabilmesi için, önceki süreçte olduğu gibi iki önemli konunun ele alınması gerekir: elde edilen petrol ve gazın bileşimi ve bunların daha sonra kimyasal süreçlerde enerji malzemeleri ve substratlar olarak kullanılabilecek fonksiyonel ürünlere dönüştürülme maliyeti.
Gazlaştırma: Gazlaştırma, karbonat malzemelerinin kısmi oksidasyonunun oldukça ekzotermik bir reaksiyonudur. Başlıca ürünleri “syngas” (esas olarak karbon monoksit ve hidrojen karışımı) ve küldür.
Bu oldukça ekzotermik bir reaksiyondur. Gazlaştırmanın en önemli avantajlarından biri atıkların ayrıştırılmasına gerek olmamasıdır. Ayrıca diğer hammaddelerle karıştırılmış poliüretanlar da proseste kullanılabilir.
Araştırmalara göre, gazlaştırma işlemleri önemli miktarlarda toksik hidrojen siyanür
ve nitrojen dioksit üretiyor. Uygun bir katalizörün eklenmesi bu emisyonu bir dereceye kadar azaltabiliyor.
Biyolojik Bozunma
Biyobozunma, organik maddelerin canlı organizmalar veya onların enzimleri tarafından parçalanması anlamına gelir. Polimer zincirlerinin kısalmasına ve bazı parçalarının ortadan kalkmasına neden olur.
Bu, moleküler ağırlığının azalmasına yol açar ve uygun koşullarda, bozulmuş malzemenin tamamen mineralleşmesine bile neden olabilir. Bununla birlikte, daha büyük polimerlerin tamamen bozunması genellikle birkaç farklı organizmanın işbirliğini gerektirir.
Birkaç aşamadan oluşabilir: polimerin monomerlere parçalanması, bunların daha basit bileşiklere indirgenmesi ve (anaerobik koşullar altında) karbondioksit, su ve metana nihai bozunma.
Biyolojik bozunma, yüksek sıcaklıklar ve karmaşık reaktifler gerektirmediğinden genellikle kimyasal bozunmaya göre daha çevre dostudur. Ayrıca, tüketici sonrası atıkların bozunmasına da uygulanabilir. Literatürde poliüretanların biyolojik bozunmasına ilişkin çok sayıda kayıt bulunmaktadır.
Ne yazık ki çoğu, bu konunun sınırlı bir bölümünü açıklayan araştırmalardan oluşmaktadır. Genellikle sadece bir tür mikroorganizma veya poliüretan için geçerlidirler.
Poliüretan atıkları geri kazanmanın pek çok yolu vardır fakat bu konuda iyileştirmeler ve araştırmalar hala sürmektedir. Sıklıkla kullanılan yöntem mekanik geri dönüşümdür. Bu geri dönüşüm yöntemi nispeten ucuzdur, ancak birçok sınırlaması vardır. Ayrıca orijinal poliüretan malzemeden çok daha düşük özellikte ürünler vermektedir.
Kimyasal ve hammadde geri dönüşümü, yüksek sıcaklıklar ve agresif reaktifler gerektirir ve şu anda bu süreçlerden yalnızca biri daha büyük ölçekte uygulanmaktadır. Biyolojik
bozunma, makul bir sıcaklık gerektirir ve herhangi bir tehlikeli kimyasal gerektirmez, ancak teknolojik ölçekte uygulanabilmesi için araştırmalar devam etmektedir.
Amerika’da Yapılan Araştırmada Yeni Bir Yöntem Bulundu
Poliüretan malzemelerin geri dönüştürülmesine dair araştırmalardan bir tanesi de Illinois Üniversitesi’nde gerçekleştirildi. Üniversitedeki bir ekip, poliüretan atıklarını parçalamak ve diğer faydalı ürünlere dönüştürmek için bir yöntem geliştirdi.
Polioller genellikle petrol esaslı oldukları için parçalanamazlar. Fakat ekip poliole daha kolay bozulan bir kimyasal birim olan bir asetal ile müdahale etti. Poliüretanlar suya dayanıklı olduklarından, araştırmacılar su dışındaki çözücülerde parçalanan asetal bir çözelti icat ettiler.
Yapılan araştırma sonucunda bileşene bir trikloroasetik asit ve diklorometan kombinasyonu
eklendiğinde, malzemenin oda sıcaklığında şişerek ve hızla bozunmaya başladığını keydettiler
Araştırmacılar yapılan çalışma sonucunda ortaya çıkan ürünlerin ise yeni malzemeler için hammadde olarak kullanılabildiğini saptadılar. Örneğin; lastik bantlarda, ambalajlamada ve otomobil parçalarında kullanılan bir tür poliüretan olan elastomerleri, bir tutkal haline getirdiler.
Araştırmacılar bu yöntemdeki en büyük zorluğun başlangıç malzemesinin pahalılığı olduğunu da vurguladı ve daha iyi, daha ucuz bir yol bulmak için çalıştıklarını aktardı.
Kaynak:
https://mag.turkishplastics.net/index.php/tr/poliuretan-atiklarina-ikinci-bir-sans
http://rustempolat.com/makale-detay/poliuretan-geri-donusumu
Polyurethane Recycling and Disposal: Methods and Prospects by Aleksandra Kemona and Małgorzata
Piotrowska
Hazırlayan ve Derleyen: Nilsu Kotil
