วันพฤหัสบดีที่ 22 ธันวาคม พ.ศ. 2554

การเปลี่ยนพลาสติกเป็นน้ำมัน MO Memoir : Thursday 22 December 2554


เมื่อตอนต้นสัปดาห์ที่แล้วมีเพื่อนคนหนึ่งโทรศัพท์มาหา ฝากขอความเห็นเรื่องที่บริษัทหนึ่งมีแนวความคิดที่จะซื้ออุปกรณ์เปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นน้ำมันจากประเทศญี่ปุ่น โดยคิดจะนำมาบริจาคให้กับทางมหาวิทยาลัยเอามาทำวิจัย ผมเอาเรื่องดังกล่าวมาคิดอยู่สัปดาห์กว่า พอรวบรวมความคิดได้ก็เลยส่งอีเมล์ตอบกลับไป คิดว่าเรื่องดังกล่าวคงมีประโยชน์กับพวกคุณในด้านการพิจารณาจากมุมมองต่าง ๆ เลยขอคัดลอกนำอีเมล์ดังกล่าวส่งมาให้พวกคุณได้อ่านกันด้วย ตั้งแต่ย่อหน้าถัดไปคือจดหมายที่ผมตอบกลับไป


ความเห็นเรื่องการเปลี่ยนพลาสติกเป็นน้ำมัน

ขออนุญาตให้ความเห็นโดยจะสมมุติว่าผู้อ่านนั้นไม่ได้ทำงานที่ใช้วิชาเคมีโดยตรง หรือไม่ได้ใช้ความรู้ทางนี้มานานแล้วและได้ลืมเลือนไปแล้ว

ผมขอให้ความเห็นในส่วนเรื่องการเปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นน้ำมันก่อน เรื่องที่ว่าจะทำวิจัยอะไรคงเอาไว้ทีหลัง ก่อนอื่นอยากให้ลองพิจารณากันก่อนว่า โดยสภาพแวดล้อมที่มีอยู่นั้น เหมาะสมที่จำเอาอุปกรณ์กล่าวมาใช้หรือไม่

นิยาม
PE ย่อมาจาก polyethylene สูตรโครงสร้าง -[-CH2-CH2-]n-
PP ย่อมาจาก polypropylene สูตรโครงสร้าง -[-CH(CH3)-CH2-]n-
PS ย่อมาจาก polystyrene สูตรโครงสร้าง -[-CH(C6H5)-CH(C6H5)-]n-

เท่าที่ดูจาก catalogue ของผู้จำหน่ายนั้น ไม่ได้ให้รายละเอียดใด ๆ เกี่ยวกับการทำงานของเครื่อง แต่คาดเดาว่าใช้หลักการให้ความร้อนเพียงอย่างเดียวจนโมเลกุลของพอลิเมอร์แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง (ปฏิกิริยาที่เรียกว่า Pyrolysis)

ถ้าเป็นพลาสติกที่หลอมได้ง่าย ก็อาจเริ่มต้นได้จากการนำพลาสติกที่เป็นของแข็งมาให้ความร้อนจนหลอมเหลว และสายโซ่พอลิเมอร์แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง

ถ้าเป็นพลาสติกที่หลอมได้ยาก ก็อาจเริ่มด้วยการเติมไฮโดรคาร์บอน (หรือตัวทำละลายอื่นที่เหมาะสม แต่คงต้องเป็นพวกที่มีจุดเดือดสูงในระดับเดียวกันกับน้ำมันที่ผลิตได้) ลงไปก่อนเพื่อช่วยให้พลาสติกละลายกลายเป็นของเหลวได้ง่ายขึ้น

การทำให้สายโซ่พอลิเมอร์แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลง (สายโซ่ที่สั้นลง) อาจใช้ความร้อนเพียงอย่างเดียวหรือใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยก็ได้

ในการเกิดพอลิเมอร์นั้นจะนำเอาโมเลกุลโมโนเมอร์ (monomer) มาต่อเข้าด้วยกัน ปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ดังนั้นการทำให้สายโซ่พอลิเมอร์แตกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กลงจะเป็นปฏิกิริยาดูดความร้อน ดังนั้นในกระบวนการผลิตพลาสติกเป็นน้ำมันนั้นจะต้องมีการใส่พลังงานเข้าไป

พอลิเมอร์ที่เหมาะสมที่โมเลกุลแตกแล้วจะได้โครงสร้างที่ "เทียบเท่า" น้ำมันจะเป็นพวก PE และ PP
ตรงนี้คงต้องทำความเข้าใจก่อนว่าคำว่า ตัวน้ำมันนั้นเป็นสารที่ไม่มีจุดเดือดที่แน่นอน เป็นสารผสมระหว่างสารที่มีจุดเดือดต่าง ๆ กัน ดังนั้นในการบอกคุณสมบัติของน้ำมันจึงมีการใช้อุณหภูมิการกลั่น ซึ่งเป็นการวัดอุณหภูมิและปริมาณน้ำมันที่ระเหย โดยเริ่มตั้งแต่เริ่มการระเหยจนน้ำมันระเหยหมด
"น้ำมันแก๊สโซลีน - gasoline" (หรือที่เราเรียกว่าน้ำมันเบนซิน) หมายถึงสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนอยู่ในช่วงประมาณ 6-12 อะตอมและ

"น้ำมันดีเซล - Diesel" นั้นหมายถึงสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอนอยู่ในช่วงประมาณ 12-20 อะตอม

น้ำมันก๊าด - Kerosene จะอยู่ตรงรอยต่อระหว่างน้ำมันแก๊สโซลีนหนัก (ส่วนของน้ำมันแก๊สโซลีนที่มีจุดเดือดสูง) กับน้ำมันดีเซลเบา (ส่วนของน้ำมันดีเซลที่มีจุดเดือดต่ำ)

ไฮโดรคาร์บอนเหลวที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอน 6-12 อะตอมจัดอยู่ในช่วงของน้ำมันแก๊สโซลีน แต่ไม่ได้หมายความว่าสามารถเอาน้ำมันนั้นไปใช้กับเครื่องยนต์เบนซินได้ทันที เพราะน้ำมันแก๊สโซลีนที่เหมาะสมกับเครื่องยนต์เบนซินนั้นยังมีคุณสมบัติข้ออื่นอีก เช่นเลขออกเทน ปริมาณไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว สิ่งปนเปื้อน ฯลฯ

ในทำนองเดียวกันไฮโดรคาร์บอนเหลวที่มีจำนวนอะตอมคาร์บอน 12-20 อะตอมจัดอยู่ในช่วงของน้ำมันดีเซล แต่ไม่ได้หมายความว่าสามารถเอาน้ำมันนั้นไปใช้กับเครื่องยนต์ดีเซลได้ทันที เพราะน้ำมันดีเซลที่เหมาะสมกับเครื่องยนต์ดีเซลนั้นยังมีคุณสมบัติข้ออื่นอีก เช่นเลขซีเทน ปริมาณสารประกอบอะโรแมติก (aromatics) กำมะถัน สิ่งปนเปื้อน ฯลฯ

ด้วยเหตุนี้จึงเข้าใจว่าทางผู้ผลิตอุปกรณ์จึงใช้คำว่า "เทียบเท่า - equivalent" ในการโฆษณา เช่น gasoline equivalent kerosene equivalent และ diesel equivalent และไม่ได้โฆษณาว่าเอาไปใช้กับเครื่องยนต์ได้ แต่บอกว่าเอาไปเผาเป็นเชื้อเพลิงได้

โดยปรกติถ้านำ PE และ PP มาให้ความร้อน ของเหลว (น้ำมัน) ที่ได้น่าจะประกอบด้วยสารประกอบไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวที่มีขนาดความยาวโซ่ต่างกัน (อาจเป็นโซ่ตรงหรือโซ่กิ่ง ที่จัดว่าเป็นพวก aliphatic hydrocarbon เป็นหลัก โดยอาจมีพวกวงแหวนเกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียงได้) ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและเวลาที่ใช้ การใช้อุณหภูมิสูงและเวลาที่นานก็จะทำให้ได้โมเลกุลที่เล็กลง แต่ถ้าใช้อุณหภูมิและ/หรือเวลามากเกินไปก็จะสูญเสียไปเป็นแก๊สมากขึ้น

PE และ PP พวก Injection grade จะมีโมเลกุลที่มีสายโซ่สั้น ทำให้หลอมเหลวได้ง่าย ฉีดขึ้นรูปกับแม่แบบที่มีช่องว่างเล็ก ๆ ได้ง่าย (เช่นพวกทำฝาน้ำอัดลม ปลอกปากกา) พวกที่เป็น film grade ที่ใช้ทำถุงนั้นจะเป็นโมเลกุลที่มีสายโซ่ยาวกว่า ต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่าในการหลอมเหลว ความยาวสายโซ่พอลิเมอร์ของพวกที่เป็น blow molding grade (เช่นที่ใช้ทำขวด) จะอยู่ตรงกลางระหว่าง Injection grade กับ film grade

ดังนั้นถ้าทำน้ำมันโดยเริ่มจากพลาสติกพวก Injection grade (เช่นฝาขวดน้ำอัดลมที่เป็นพลาสติก ซึ่งดูเหมือนในเว็บของผู้ขายจะมีตัวอย่างนี้อยู่ - รูปข้างล่าง) เพียงอย่างเดียว ก็น่าจะเกิดน้ำมันได้ง่ายกว่าการใช้พวก blow molding grade หรือ film grade เพียงอย่างเดียว

รูปที่ ๑ รูปจากเว็บของบริษัท ที่แสดงให้เห็นว่าใช้ฝาขวดเป็นวัตถุดิบ (http://www.blest.co.jp/seihin-1englis.html)

ผมเดาเอาว่าถ้าทำน้ำมันจากพลาสติกพวก blow molding grade หรือ film grade ก็ควรที่จะผสมพลาสติกพวก Injection grade ลงไปด้วย เพื่อให้พวก Injection grade ละลายก่อน และจะไปช่วยในการละลายของพวก blow molding grade และ film grade

PS นั้นแม้ว่าจะจัดเป็นไฮโดรคาร์บอนได้ (เพราะโมเลกุลประกอบด้วย C และ H) แต่โมเลกุล PS ประกอบด้วยโครงสร้างที่เป็นวงแหวนเบนซีน (C6H5-) ซึ่งโครงสร้างนี้มีเสถียรภาพสูง ไม่แตกตัวด้วยความร้อนง่าย ๆ ดังนั้นถ้านำ PS มาให้ความร้อนก็น่าจะได้โมเลกุลตระกูล alkyl benzene คือเป็นสารที่มีส่วนที่เป็นวงแหวนเบนซีนและส่วนที่เป็นสารโซ่ไฮโดรคาร์บอนอยู่ในโมเลกุลเดียวกัน ซึ่งในเอกสารของบริษัทเรียกว่าstyrene monomer styrene dimer และ styrene trimer (styrene monomer - C6H5-CH=CH2 ถ้าเป็น styrene dimer ก็คือ styrene monomer สองโมเลกุลต่อเข้าด้วยกัน styrene trimer ก็คือ styrene monomer สามโมเลกุลต่อเข้าด้วยกัน) ซึ่งโครงสร้างนี้ไม่เหมาะสำหรับจะใช้เป็นน้ำมันสำหรับเครื่องยนต์ดีเซล (น้ำมันดีเซลที่ดีควรต้องมีไฮโดรคาร์บอนโซ่ตรง (ไม่มีกิ่ง) จำนวนมาก ไม่มีโมเลกุลที่เป็นโครงสร้างอะโรแมติก)

ดังนั้นถ้าจะเปลี่ยน PS เป็นน้ำมัน ก็ควรที่จะผสม PE และ PP ลงไปด้วย ในตัวอย่างของบริษัทก็แสดงให้เห็นว่าต้องผสม PS กับตัวอื่นก่อน ไม่มีการใช้ PS เพียงตัวเดียว

จะว่าไปแล้วถ้าสามารถแยกพลาสติกออกเป็นชนิดต่าง ๆ ได้ การนำพลาสติกเหล่านั้นไปขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์อื่น (ที่ไม่ต้องการพลาสติกความบริสุทธิ์สูง) น่าจะคุ้มค่าและปกป้องสิ่งแวดล้อมมากกว่าการที่นำเอาพลาสติกนั้นไปใช้เป็นเชื้อเพลิง พลาสติกที่นำไปใช้เป็นเชื้อเพลิงควรเป็นประเภทที่ไม่สามารถแยกเอากลับไปหมุนเวียนใช้ใหม่ได้

และถ้านำไปเผาเป็นเชื้อเพลิง การนำพลาสติกไปเผาเป็นเชื้อเพลิงให้ความร้อนโดยตรงจะประหยัดกว่าการที่นำไปเปลี่ยนเป็นน้ำมันก่อนแล้วจึงเอาน้ำมันที่ได้ไปเผา เพราะการเปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นน้ำมันต้องมีค่าใช้จ่ายด้านพลังงานในการเปลี่ยน และยังมีการสูญเสียพลาสติกไปเป็นแก๊สซึ่งไม่สามารถรวบรวมเอามาเผาได้ แต่ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับว่าทางผู้ใช้ใช้วิธีการใดในการเผาเชื้อเพลิง ถ้าระบบที่มีอยู่เดิมเป็นการเผาเชื้อเพลิงเหลว การนำเอาพลาสติกไปเปลี่ยนเป็นน้ำมันก่อนก็จะทำให้ใช้งานกับระบบที่มีอยู่เดิมได้ แต่ถ้ามีระบบที่สามารถเผาเชื้อเพลิงแข็งได้ ก็น่าจะพิจารณาการนำเอาพลาสติกไปเผาโดยตรงโดยไม่ต้องเปลี่ยนเป็นของเหลวก่อน

ผมเดาเอาว่าในต่างประเทศทางซีกโลกเหนือ ในฤดูหนาวอาคารต่าง ๆ จะให้ความอบอุ่นในอาคารโดยการต้มน้ำร้อน และส่งน้ำร้อนนี้ไปตามท่อไปยังห้องต่าง ๆ ในอาคาร เชื้อเพลิงที่ใช้ต้มน้ำจะเป็นน้ำมันดีเซล ซึ่งเป็นน้ำมันที่ปลอดภัยกว่าเบนซิน (ไวไฟสูง) และใช้งานได้ง่ายกว่าน้ำมันเตา (ความหนืดสูง)
ดังนั้นถ้าเขาต้องการเอาขยะพลาสติกมาใช้เป็นแหล่งพลังงานในการต้มน้ำ ก็จำเป็นต้องนำขยะพลาสติกมาเปลี่ยนเป็นน้ำมันก่อน ซึ่งจะทำให้ลดปริมาณน้ำมันที่ต้องใช้ในการต้มน้ำลงได้
การนำขยะพลาสติกมาใช้เป็นเชื้อเพลิงในอาคารจึงเป็นการลดปริมาณขยะที่ต้องลำเลียงไปทิ้งนอกอาคารด้วย

แต่ถ้ามองอีกแง่หนึ่ง การเปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นน้ำมันจำเป็นต้องใช้พลังงาน "ไฟฟ้า" ดังนั้นจึงเหมือนกับว่า "ลด" การใช้น้ำมัน แต่ "เพิ่ม" การใช้ไฟฟ้า ถ้าพิจารณาว่า

() เอาพลังงานไฟฟ้ามาเปลี่ยนพลาสติกให้กลายเป็นน้ำมัน และเปลี่ยนน้ำมันให้กลายเป็นพลังงานความร้อนในน้ำร้อน และให้พลังงานความร้อนในน้ำร้อนเปลี่ยนเป็นความร้อนให้กับอากาศในห้อง เปรียบเทียบกับ

() เอาพลังงานไฟฟ้าไปเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนให้กับอากาศโดยตรง (ติดตั้ง heater ที่ใช้ไฟฟ้าในห้อง)

ทำให้สงสัยว่าการทำตามข้อ () จะคุ้มค่ากว่าการทำตามข้อ () หรือไม่

อีกประเด็นที่ต้องพิจารณาคือ เนื่องจากพลาสติกนั้นมีสารเติมแต่งหลายอย่างผสมอยู่ และแม้แต่ตัวพลาสติกเองก็ตามเวลาที่เกิดการเปลี่ยนแปลง ก็สามารถเกิดเป็นของเสียที่เป็นของแข็ง ซึ่งคงมีคำถามต่อไปอีกว่าจะกำจัดของเสียที่เป็นของแข็งนี้อย่าง่ไร

แต่ถ้ามองอีกแง่หนึ่ง การแยกขยะพลาสติกเพื่อนำพลาสติกไปหลอมใช้งานใหม่นั้น จะมีปัญหาเรื่องแรงงานที่ต้องใช้แยก และความสะอาดของขยะพลาสติกที่รวบรวมได้ ซึ่งคงต้องมีการทำความสะอาดขยะพลาสติกก่อนที่จะนำไปหลอมขึ้นรูปเป็นเม็ดพลาสติกใช้แล้ว แต่การเปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นน้ำมันหรือการเอาขยะพลาสติกไปเผาเป็นเชื้อเพลิงโดยตรงนั้นอาจทำได้โดยไม่ต้องทำความสะอาดขยะพลาสติกที่ได้ เพราะสิ่งที่ไม่ย่อยสลายเป็นน้ำมันหรือไม่เผาไหม้ก็จะกลายเป็นกากของแข็งตกค้างอยู่ในเครื่อง

เรื่องการเปลี่ยนขยะพลาสติกเป็นน้ำมันนั้น เคยมีข่าวคนไทยออกแบบสร้างโรงงานนี้เหมือนกันเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา ลองค้นหาจาก google ใช้คำ "เปลี่ยนพลาสติกเป็นน้ำมัน" ก็จะเจอ

เพิ่มเติมอีกนิดนึง ถ้าจะเปลี่ยนพลาสติก (พวก PE PP) เป็นน้ำมันเพื่อเอาไปใช้เป็นเชื้อเพลิง คิดว่าน่าจะขยายรวมไปถึงการเปลี่ยนยางรถยนต์ที่ไม่ใช้แล้วเป็นน้ำมันด้วย เพราะส่วนที่เป็นยางธรรมชาติที่นำมาใช้ผลิตยางรถยนต์นั้นคือ Polyisoprene เมื่อตัดโมเลกุลนี้ออกก็ควรจะได้สารประกอบพวก aliphatic hydrocarbon ด้วย แต่ยางรถยนต์นั้นจะมีปัญหาเรื่องกำมะถัน (ที่ต้องผสมลงไปเพื่อทำให้เกิด cross link ระหว่างโมเลกุลยาง) และยังมีส่วนของเส้นใยเหล็กและพอลิเอสเทอร์ ซึ่งเป็นส่วนที่ไม่สามารถเปลี่ยนเป็นน้ำมันได้ แต่การเปลี่ยนยางรถยนต์เป็นน้ำมันนั้นคงต้องใช้เครื่องจักรขนาดใหญ่ เพราะถ้าใช้เครื่องขนาดเล็กก็ต้องมีการตัดยางรถยนต์ให้กลายเป็นชิ้นเล็ก ๆ ซึ่งคิดว่าคงไม่ใช่งานที่ง่ายเท่าใดนัก

คำถาม-คำตอบที่ปรากฏในเว็บของบริษัท (http://www.blest.co.jp/s-5english.html)
Small-Scale Continuous Waste Plastic Oiling System Blester B120
Capacity Approx. 5kg/H* (It depends on the kind of waste plastic)
Main Body Dimension 2500 (W) × 1950 (D) × 2450 (H) mm
Weight Approx. 2400kg
Feature 24 hours continuous operation is possible
  Simple Operation
  Oil ratio is approx. 80%. (It depend on plastic waste)

Q&A
Q1 What kind of plastics can be converted to oil?
A Recyclable plastics are polypropylene (PP), polyethylene (PE) and polystyrene (PS).
Plastics should be clean before putting into the Blest Machine.

Q2 What kind of oil is converted from plastics?
A Recycled oil can be used as fuel for boilers and incinerators and so on.
In case of PP and PE
PP and PE will be converted to oil, which contains gasoline equivalent, kerosene equivalent, diesel equivalent and heavy oil. So, we call this oil "Mixed Oil".
In case of PS
PS oil does not contain gasoline equivalent, kerosene equivalent, diesel equivalent and heavy oil.
PS oil contains styrene monomer, styrene dimer and styrene trimer. PS oil can be used as assitant fuel.
Or, if you purify PS oil, you can get Styrene monomer rich, which is raw material for plastic.
So, if you need gasoline equivqalent or diesel equivalent, please process PP & PE.

Q3 How much oil can oiling machine convert 1kg plastic waste to oil?
A. Averagely, 1Kg plastic waste is converted to 1 L oil. It depends on plastic waste.