Väitös konetekniikan alalta, DI Shouzhuang Li

Uusi ja kestävä prosessi PET-muovijätteen muuntamiseksi vedyksi ja korkean lisäarvon kemikaaleiksi.

Polyeteenitereftalaatti (PET) on yleinen muovi, jota käytetään laajalti pakkaus- ja tekstiilimateriaalina. Euroopan unionin maissa vain 10 prosenttia PET-muovista kierrätetään suljetussa kierrossa, ja loput päätyvät luontoon. Ratkaisuksi tässä työssä on ehdotettu uutta aurinkolämpöavusteista sorptiolla tehostettua kaasutusta, jonka avulla PET-muovijäte muuntuu vedyksi ja muiksi arvokkaiksi kemikaaleiksi kiertotalouden edistämiseksi. Tämän tutkimuksen tavoitteena on suunnitella ja tutkia prosessin suorituskykyä.

Tutkimuksessa tehtiin ensin PET vesihöyryhöyrykaasutuskokeet ilman katalyyttiä, sekä sen jälkeen sekä katalyyttinä, että CO2 sorbenttina toimivan CaO kanssa. Tutkittiin prosessin toimintaa myös aurinkolämmöllä käytettävän Ca-looping CO2 talteenottomenetelmän yhteydessä. Vastepintamenetelmää sovellettiin eri toimintaparametrien yhteisvaikutusten tutkimiseksi. Kokeellisten tulosten perusteella suoritettiin prosessisimulointi AspenPlus -ohjelmalla koko prosessin teknistaloudellisen suorituskyvyn arvioimiseksi.

Tulokset osoittivat, että PET vesihöyrykaasutuksessa, H2, CO2 ja bentseeni olivat päätuotteita kaasujen ja tervan osalta, ja lämpötilalla oli merkittävä vaikutus tuotteiden koostumukseen verrattuna muihin toimintaparametreihin. Kun lämpötila oli 700 °C–800 °C, CaO läsnäolo lisäsi merkittävästi vedyn saantoa ja vähensi tervan saantoa, mutta CO2 talteenotto oli vaikeaa sen alhaisen osapaineen vuoksi. Näin ollen matalamman lämpötilan synteesikaasun jalostus otettiin käyttöön hiilidioksidin talteen ottamiseksi, ja vedyn saannon parantamiseksi vesikaasunsiirtoreaktion avulla. CaO regeneroimiseksi tutkittiin kalsinointireaktiota, jonka tarvitsema lämpö saataisiin auringosta. CaO deaktivointi, aurinkoenergian kantokyky ja lämmönsiirto kalsinoinnista kaasutukseen saivat optimaaliset arvot kun karbonointi- ja kalsinointilämpötilat olivat 650 °C ja 800 °C. Näiden tulosten perusteella rakennettiin prosessimalli AspenPlus-ohjelmalla, ja teknis-taloudellinen analyysi osoitti, että energia- ja eksergiahyötysuhteet olivat 60–70 prosenttia sekä päivä- että yö-käytössä. Hanke on taloudellisesti toteuttamiskelpoinen, kun bentseenin hinta on yli 1092 euroa/tonni ja hiilidioksidin hinta yli 80–120 euroa/tonni.

Kehitetty prosessi tarjoaa uudenlaisen menetelmän PET-muovijätteen kierrättämiseksi kestävästi ilman hiilidioksidipäästöjä ja uusiutuvan lämmönlähteen hyödyntämiseksi ilman lisäpolttoaineiden polttamista, jotta tulevaisuudessa saavutetaan muovijätteen nollatavoite.

Tohtoriopiskelija: Shouzhuang Li

Vastaväittäjä: Prof. Cristoph Pfeifer, University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna

Kustos: Prof. Mika Järvinen, Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulu, konetekniikan laitos

Väitöstilaisuus järjestetään Luentosalissa D, Otakaari 1 ja Zoom-issa

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/

Tohtoriopiskelijan yhteystiedot:

Tekniikan korkeakoulujen väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/49