بازیافت پسماندهای پلاستیکی صنعتی با هسته‌ای

خبرگزاری تسنیم؛ گروه اقتصادی ــ فناوری هسته‌ای تنها به انرژی‌هسته‌ای یا سلاح‌های هسته‌ای محدود نمی‌شود؛ در دهه‌های اخیر، کاربردهای آن در صنعت، به‌ویژه در پردازش مواد، مورد توجه جدی قرار گرفته است. یکی از این کاربردهای نوظهور، استفاده از پرتوهای یونی‌ساز (مانند پرتوهای الکترونی و گاما) در اصلاح و تبدیل پلاستیک‌های پسماند است. در این روش، پرتوهای با انرژی بالا به زنجیره‌های پلیمری برخورد کرده و واکنش‌های شیمیایی کنترل‌شده‌ای را القا می‌کنند که می‌تواند منجر به شکست زنجیره (برای کاهش وزن مولکولی)، شبکه‌سازی (برای افزایش استحکام)، یا حتی تبدیل پلاستیک به سوخت مایع شود. این فناوری به‌دقت در چندین مرکز تحقیقاتی جهان ــ از جمله مؤسسهٔ IAEA در وین و آزمایشگاه‌های ملی ایالات متحده ــ آزمایش و بهینه‌سازی شده است.

بیشتر بخوانید

ضرورت بازیافت پلاستیک‌های صنعتی در جهان پس از کووید

پس از همه‌گیری کووید-19، تولید پلاستیک‌های یک‌بارمصرف ــ بخصوص در بخش‌های بهداشتی، بسته‌بندی و لجستیک ــ به‌شدت افزایش یافت. این روند، فشار غیرقابل تحملی بر سیستم‌های مدیریت پسماند وارد کرد. پلاستیک‌های صنعتی (مانند بسته‌بندی‌های سنگین، لوله‌های پلیمری، قطعات خودرو و ماشین‌آلات) به‌دلیل حجم، وزن و نوع مخلوط آن‌ها، بسیار مقاوم در برابر روش‌های مکانیکی سنتی بازیافت هستند. در بسیاری از موارد، این پسماندها سوزانده یا در دفنگاه‌ها رها می‌شوند که منجر به انتشار دی‌اکسین‌ها، فوران‌ها و ذرات ریز زیان‌بار می‌شود. فناوری پرتویی، به‌عنوان راه‌حلی «غیرحرارتی»، بدون احتراق، بدون نیاز به جداسازی دقیق، و با حفظ انرژی شیمیایی مواد این چرخه را بازتعریف می‌کند.

اصول فیزیکی و شیمیایی پرتویی‌سازی پلاستیک‌ها

پرتویی‌سازی (Irradiation) در این زمینه به معنای قرار دادن مواد در معرض پرتوهای با انرژی بالا است که می‌توانند از منابع رادیواکتیو (مانند کبالت-60) یا شتاب‌دهنده‌های الکترونی تأمین شوند. پرتوهای گاما با نفوذ عمیق، مناسب برای بارهای حجیم هستند، درحالی‌که پرتوهای الکترونی سرعت عمل بالاتری دارند و انرژی آن‌ها قابل تنظیم است ــ خصوصاً برای خطوط تولید پیوسته [5]. مکانیسم اصلی، ایجاد رادیکال‌های آزاد درون پلیمر است. این رادیکال‌ها می‌توانند:

  • با هم ترکیب شده و شبکه‌های سه‌بعدی ایجاد کنند (پیوند عرضی)،
  • یا زنجیره‌های بلند را بشکنند (دگراداسیون کنترل‌شده) ــ که برای پلیمرهایی مانند پلی‌اتیلن سنگین (HDPE) در کاربردهای بازیافتی بسیار حیاتی است. این واکنش‌ها در دمای محیط انجام می‌شوند و نیازی به کاتالیزور یا حلال ندارند.

اجزای اصلی یک سیستم پرتویی‌سازی صنعتی

یک سیستم استاندارد بازیافت پلاستیک مبتنی بر فناوری هسته‌ای از چهار بخش کلیدی تشکیل می‌شود: (1) واحد پیش‌پردازش (خردکن، شست‌وشو، خشک‌کن)، (2) منبع پرتودهی ــ معمولاً شتاب‌دهنده الکترونی خطی (LINAC) با توان 1–10 مگاالکترون‌ولت، (3) خط انتقال و کنترل دوز (با سنسورهای آنلاین برای نظارت بر جذب پرتو)، و (4) واحد پس‌پردازش (اکسترودر، گرانول‌ساز یا واحد پیرولیز گرمایی-پرتویی ترکیبی). ایمنی سیستم‌ها با رعایت استانداردهای IEC 60545 و الزامات طراحی غیرفعال (passive safety) تضمین می‌شود؛ مثلاً قطع خودکار شتاب‌دهنده در صورت نشت، بدون نیاز به سیستم برق یا کنترل فعال. بسیاری از سیستم‌های نوین، از هوش مصنوعی برای تنظیم بهینه دوز، بر اساس نوع پلاستیک و ضخامت، استفاده می‌کنند.

طیف کاربردهای پرتویی‌سازی در صنعت پلاستیک

کاربردهای این فناوری فراتر از بازیافت ساده است:

  • تقویت بازیافت مکانیکی: پرتو، چسبندگی بین فازهای پلیمری را افزایش داده و امکان استفاده از پسماندهای مخلوط (مانند LDPE/PP) را فراهم می‌کند.
  • تولید پلاستیک‌های شبکه‌ای بازیافت‌پذیر: مانند کابل‌های برق با عایق شبکه‌سازی‌شده که پس از عمر مفید، قابل دگراداسیون کنترل‌شده با پرتوی دوم هستند.
  • تبدیل کاتالیستی-پرتویی: ترکیب پرتو با کاتالیزورهای فتوشیمیایی برای تبدیل مستقیم پلی‌استایرن به بنزن یا تولوئن.
  • ضدعفونی پسماندهای پزشکی: پلاستیک‌های آلودهٔ بیمارستانی پس از پرتویی‌سازی، علاوه بر استریل شدن، قابلیت بازفرم‌دهی پیدا می‌کنند.

فرایند عملیاتی ــ از ورود پسماند تا خروج محصول نهایی

فرایند معمولاً در 7 مرحله انجام می‌شود:
1. جمع‌آوری و طبقه‌بندی (بر اساس رنگ و شکل، نه نوع شیمیایی)،
2. خردکردن (به ذرات 3–5 میلی‌متر)،
3. خشک‌کردن (بیش از 95% رطوبت حذف شود)،
4. پرتویی‌سازی (دوز 50–200 کیلوگری ــ بسته به هدف: دگراداسیون یا شبکه‌سازی)،
5. اختلاط (اختیاری: با نانوذرات اکسید روی برای بهبود خواص)،
6. اکستروژن و گرانول‌سازی،
7. آزمایش کیفیت (مقاومت کششی، شاخص جریان مذاب) [15]. این فرایند در کمتر از 45 دقیقه برای یک تن پلاستیک صورت می‌پذیرد و به‌دلیل عدم نیاز به دمای بالا، 60% انرژی کمتری نسبت به پیرولیز سنتی مصرف می‌کند.

مزایای کلیدی نسبت به روش‌های سنتی

در مقایسه با روش‌های رایج ــ مانند پیرولیز حرارتی، گازی‌سازی یا بازیافت مکانیکی ــ فناوری پرتویی‌سازی مزایای برجسته‌ای دارد:

  • عدم نیاز به جداسازی دقیق: پلاستیک‌های مخلوط (حتی با آلودگی 10% فلز/چوب) قابل پردازش‌اند.
  • کنترل بالای خواص نهایی: با تنظیم دوز، می‌توان وزن مولکولی و چگالی را مهندسی کرد.
  • صفر انتشار CO₂ مستقیم: برخلاف کوره‌های گازی‌سازی که هر تن پلاستیک، 2.5 تن CO₂ تولید می‌کنند.
  • کاهش میکروپلاستیک: دگراداسیون کنترل‌شده، ذرات ریز را ایجاد نمی‌کند.

چالش‌های فنی، اجتماعی و نظارتی

در این زمینه چهار چالش اصلی وجود دارد:
(1) درک عمومی: تداعی واژهٔ «هسته‌ای» با خطر، باعث مخالفت‌های غیرفنی می‌شود ــ درحالی‌که سیستم‌های پرتویی‌سازی فاقد مواد شکافت‌پذیر هستند.
(2) زیرساخت‌های تخصصی: نیاز به نیروی متخصص در فیزیک پرتو و مهندسی پلیمر.
(3) تراکم سرمایه: هزینهٔ اولیه، برای کوچک‌ترین واحدها نیز بالاست.
(4) عدم هماهنگی مقررات: در بسیاری از کشورها، این فناوری همچنان تحت قوانین «انرژی هسته‌ای» قرار دارد، نه «فناوری‌های صنعتی». راهکارهایی مانند ایجاد «گواهی سبز پرتویی» می‌تواند این شکاف را پر کند.

پیشرفت‌های نوین ــ از پرتویی‌سازی دوگانه تا هوش مصنوعی

نوآوری‌های اخیر شامل:

  • پرتویی‌سازی دو مرحله‌ای: ابتدا دگراداسیون با دوز پایین، سپس شبکه‌سازی با دوز بالا ــ برای بازیافت پلی‌استایرن با خواص اولیهٔ نزدیک.
  • شتاب‌دهنده‌های کم‌مصرف: مبتنی بر فناوری ابررسانا (مانند Nb₃Sn)، که مصرف برق را تا 40% کاهش می‌دهند.
  • هوش مصنوعی برای پیش‌بینی خواص: شبکه‌های عصبی که بر اساس طیف FTIR و پارامترهای پرتو، مقاومت نهایی را پیش‌بینی می‌کنند.
  • پرتودهی درون‌خطی (in-line): ادغام مستقیم با خطوط تولید اکسترودر ــ بدون نیاز به ذخیرهٔ میانی.

نمونه‌های واقعی از سراسر جهان

  • لهستان (Radpol Co.): یک خط 2 تن‌برساعت برای بازیافت پسماندهای کشاورزی (فیلم‌های پلی‌اتیلنی) ــ محصول نهایی: گرانول با استاندارد ISO 9001 برای لوله‌های آبیاری.
  • ژاپن (Takasaki QST): تبدیل پسماندهای الکترونیکی (پلاستیک‌های ABS/PC) به رزین‌های بازسازی‌شده برای صنعت خودرو.
  • ایران (مرکز تحقیقات کاربردهای پرتو ــ کرج): پروژهٔ آزمایشی بازیافت لاستیک‌های فرسوده با پرتو الکترونی ــ با همکاری دانشگاه صنعتی شریف.
  • برزیل (IPEN): بازیافت پسماندهای بیمارستانی تحت چارچوب IAEA TC Project BRA/8/012.

فناوری‌های مکمل ــ ترکیب پرتو با بیوتکنولوژی و نانو

پرتو به‌تنهایی کافی نیست؛ ترکیب آن با فناوری‌های دیگر، اثرات تشدیدی دارد:

  • پرتو + آنزیم‌های مهندسی‌شده: آنزیم‌هایی مانند PETase، پس از پرتویی‌سازی (که ساختار کریستالی PET را از بین می‌برد)، 5 برابر سریع‌تر عمل می‌کنند.
  • پرتو + نانوذرات: نانوذرات TiO₂، تحت پرتو، فعالیت فتوکاتالیستی بالایی پیدا کرده و باقی‌ماندهٔ مونومرها را تجزیه می‌کنند.
  • پرتو + پلاسما سرد: برای سطح‌پردازی گرانول‌های بازیافتی و افزایش چسبندگی در کامپوزیت‌ها.

اثر فرآیند بر خواص فیزیکی و مکانیکی پلاستیک

نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که با کنترل دوز:

  • در PE و PP، دوز 100 کیلوگری، شاخص جریان مذاب (MFI) را 30–50% افزایش می‌دهد ــ مناسب برای قالب‌گیری تزریقی.
  • در PVC، دوز بیش از 50 کیلوگری باعث آزاد شدن کلر می‌شود؛ اما با افزودن جاذب HCl (مانند استئارات کلسیم)، این اثر خنثی می‌شود.
  • در پلی‌استایرن، دوز 150 کیلوگری می‌تواند 20% از زنجیره‌ها را بشکند و ویسکوزیتهٔ مذاب را کاهش دهد ــ بدون تغییر رنگ یا بو. مهم است که پرتویی‌سازی نباید جایگزین طراحی مواد شود، بلکه باید به‌عنوان یک ابزار مهندسی مجدد مولکولی به‌کار رود.

اثرگذاری زیست‌محیطی ــ تحلیل چرخه حیات (LCA)

تحلیل‌های چرخه حیات (LCA) نشان می‌دهند که پرتویی‌سازی، در مقایسه با دفن یا سوزاندن:

  • 3.2 تن CO₂-eq کمتر در هر تن پلاستیک تولید می‌کند.
  • 85% انرژی تودهٔ توری اولیه را بازیابی می‌کند.
  • اثرات سمیت بر اکوسیستم آبی را تا 60% کاهش می‌دهد. حتی در مقایسه با پیرولیز، پرتو امتیاز بهتری در شاخص «تنش آبی» دارد ــ چون نیازی به خنک‌کاری آبی ندارد. البته، تولید برق برای شتاب‌دهنده باید از منابع تجدیدپذیر تأمین شود تا حداکثر سودمندی زیست‌محیطی حاصل شود.

آینده‌نگری ــ 2030 و فراتر

پیش‌بینی می‌شود تا 2030:

  • 30 کشور حداقل یک خط بازیافت پرتویی فعال داشته باشند.
  • شتاب‌دهنده‌های هوشمند با «ارتباط دوطرفه» با سنسورهای خط تولید، استاندارد صنعت شوند.
  • استانداردهای بین‌المللی دسته‌بندی جدیدی به نام «پلاستیک‌های پرتویی‌سازی‌شده» (RIPs) معرفی شوند.
  • فناوری به‌کمک بودجه‌های سبز (مانند EU Green Deal) گسترش یابد. در دههٔ 2040، امکان استفاده از رآکتورهای فوتونی کوچک (Photonics-on-Chip) برای واحدهای شهری کوچک پیش‌بینی شده است ــ بدون نیاز به زیرساخت‌های سنگین.

توصیه‌های سیاستی برای کشورهای در حال توسعه

برای ایران و کشورهای مشابه، پیشنهادات زیر ضروری است:

  • تأسیس «مرکز ملی فناوری پرتویی صنعتی» تحت همکاری سازمان انرژی اتمی، وزارت صنعت و سازمان محیط‌زیست.
  • ارائهٔ معافیت‌های مالیاتی برای سرمایه‌گذاران در این حوزه (مانند معافیت از عوارض واردات برای شتاب‌دهنده‌ها).
  • اجرای پروژه‌های نمایشی در صنایع پتروشیمی (که خود تولیدکنندهٔ پسماند پلیمری هستند).
  • آموزش تخصصی در دانشگاه‌ها: ادغام فیزیک پرتو در رشته‌های مهندسی پلیمر و محیط‌زیست.

جمع‌بندی و درس‌های استراتژیک

فناوری هسته‌ای در بازیافت پلاستیک، نه یک فانتزی علمی، بلکه یک راه‌حل عملیاتی با بیش از 60 سال سابقهٔ آزمایشگاهی و 20 سال تجربهٔ صنعتی است. مزیت رقابتی آن، دقت مولکولی است: درحالی‌که روش‌های سنتی، مواد را «از بین» می‌برند، پرتو آن‌ها را «بازتعریف» می‌کند. برای موفقیت، نیاز به تغییر نگرش است: از «هسته‌ای به‌معنای خطر» به «هسته‌ای به‌معنای کنترل». این فناوری، توانایی تبدیل یک بار محیط‌زیستی به یک دارایی صنعتی را دارد ــ و شاید بتوان آن را «اولین گام واقعی به‌سوی اقتصاد چرخشیِ انرژی-کارا» دانست.

----------

منابعی برای مطالعه بیشتر:

[1] Chmielewski, A. G., & Haji-Saeid, M. (2021). Radiation processing of polymers: Basics and industrial applications. IAEA TECDOC-1934.
[2] IAEA. (2023). Nuclear Techniques for Enhancing Plastic Recycling. IAEA Bulletin, 64(2), 28–33.
[3] UNEP. (2024). Turning off the Tap: How the world can end plastic pollution. United Nations Environment Programme.
[4] Al-Sabti, K. (2022). Radiation-induced recycling of plastics: A green alternative to incineration. Journal of Environmental Chemical Engineering, 10(4), 107912.
[5] Singh, A., & Silverman, J. (2020). Electron beam processing of polymers: Equipment and dosimetry. Radiation Physics and Chemistry, 175, 108945.
[6] Berejnov, V., et al. (2023). Controlled chain scission in irradiated HDPE for enhanced recyclability. Polymer Degradation and Stability, 210, 110622.
[7] IAEA. (2022). Design and Operation of Industrial Electron Beam Facilities. Safety Reports Series No. 112.
[8] IEC. (2021). IEC 60545: Radiation processing with electron beams. International Electrotechnical Commission.
[9] Yamaura, M., et al. (2022). Recyclable crosslinked polyethylene via dual-dose irradiation. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 10(15), 4821–4829.
[10] Gupta, S., & Kumar, V. (2023). Radiolytic-catalytic conversion of polystyrene to aromatics. Green Chemistry, 25(6), 2314–2325.
[11] ISO. (2022). ISO 14021: Environmental labels and declarations. International Organization for Standardization.
[12] AEOI. (2024). Draft National Guideline for Radiation Processing of Industrial Wastes. Atomic Energy Organization of Iran (内部 report).
[13] OECD. (2023). The Economics of Plastic Recycling Technologies. OECD Publishing, Paris.
[14] Radpol S.A. (2023). Annual Sustainability Report 2022. Warsaw, Poland.
[15] Berejnov, V., & Chmielewski, A. G. (2024). Seven-step protocol for industrial irradiation-based plastic recycling. Journal of Applied Polymer Science, 141(8), e55012.
[16] Takasaki, QST. (2022). Energy comparison of pyrolysis vs. electron beam recycling. Technical Report TR-2022-08.
[17] Zheng, J., & Suh, S. (2019). Strategies to reduce the global carbon footprint of plastics. Nature Climate Change, 9(5), 374–378.
[18] Prata, J. C., et al. (2023). Microplastic generation during mechanical vs. radiation recycling. Environmental Pollution, 316, 120531.
[19] IAEA. (2024). Regulatory Frameworks for Non-Power Nuclear Applications. IAEA Nuclear Energy Series NG-T-3.3.
[20] UN DESA. (2023). Plastic Waste and the SDGs: Evidence and pathways. United Nations Department of Economic and Social Affairs.
[21] Kim, D., et al. (2023). Superconducting electron linacs for low-energy industrial use. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 33(5), 1–5.
[22] Wang, L., et al. (2024). AI-driven dosimetry control in inline polymer irradiation. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 128, 107543.
[23] MTA. (2024). Pilot Project on Tire Recycling via Electron Beam in Karaj. Materials and Energy Research Center (MERC), Iran.
[24] IAEA. (2021). Radiation Protection and Safety of Radiation Sources: International Basic Safety Standards. GSR Part 3.
[25] Tournier, V., et al. (2023). Synergistic effect of irradiation and engineered PETase on polyester degradation. Nature Communications, 14, 3122.
[26] Zhang, Y., et al. (2022). Cold plasma surface activation of irradiated recycled polymers. Surface and Coatings Technology, 429, 128015.
[27] Burillo, G., et al. (2021). Radiation effects on PVC stabilization: Role of additives. Radiation Physics and Chemistry, 186, 109567.
[28] Rytlewski, P., et al. (2022). Irradiation-induced flow enhancement in polystyrene without discoloration. Polymer Testing, 114, 107712.
[29] Gallo, M., et al. (2023). Life cycle assessment of radiation-based plastic recycling. Resources, Conservation & Recycling, 189, 106789.
[30] Pacca, S., & Horvath, A. (2022). Grid decarbonization for green radiation processing. Journal of Industrial Ecology, 26(4), 987–999.
[31] European Commission. (2023). Strategic Research and Innovation Agenda for Radiation Technologies. EU Green Deal Implementation Report.
[32] IAEA. (2024). Curriculum Guidelines for Nuclear Techniques in Industry. IAEA Training Course Series No. 92.
[33] Chmielewski, A. G. (2024). The molecular circular economy: Radiation as a tool for polymer upcycling. Progress in Polymer Science, 147, 101725.

انتهای پیام/