Catalytic Pyrolysis of Waste Electrical and Electronic Equipment (WEEE)

QC 20241107

Abstract

Avfall från elektrisk och elektronisk utrustning (WEEE), representerar en av de snabbast växande avfallsströmmarna globalt vilket orsakar stora utmaningar med avseende på en miljömässig hållbarhet och resursförvaltning. Befintliga metoder såsom deponering och förbränning ger upphov till giftiga utsläpp, medan återvinning och andra återvinningsmetoder ofta begränsas av tekniska och ekonomiska hinder. I detta sammanhang erbjuder pyrolys i kombination med en katalytisk uppgradering en lovande termokemisk väg för att omvandla komplexa WEEE-fraktioner till värdefulla kolväten, energibärare och återvinningsbara restprodukter, och därmed bidra till cirkulära ekonomiska mål.

Syftet med denna avhandling är att utveckla termokemiska processer för att stärka materialcirkulariteten genom en katalytisk pyrolys av WEEE. För att uppnå detta genomfördes grundläggande studier som omfattade både experimentella undersökningar och processutveckling i laboratorieskala. Avhandlingen bygger på resultaten från fem sammanlänkade studier, vilka tillsammans undersöker nedbrytningskinetiken hos WEEE-polymerer, strategier för katalytisk uppgradering samt processoptimering i både satsvisa och kontinuerliga system. Särskild tonvikt läggs på att förstå hur bränslets egenskaper, katalysatordesign och driftförhållanden påverkar pyrolysens och den linjära katalytiska uppgraderingens prestanda, samt på att utveckla processkonfigurationer som förbättrar produktkvalitet och miljöprestanda.

Den första delen av arbetet undersöker pyrolysbeteendet hos låg (LGE) och medelstora-kvalitet (MGE) WEEE-fraktioner med hjälp av kinetisk modellering, termogravimetrisk analys och mikroskalig pyrolys kopplad till GC-FID. Resultaten visade att en komplex fler-stegs nedbrytning associerad med PVC, PE, PET, PP, PS och ABS i bränslefraktionerna. Katalytiska studier visade att sura zeoliter, särskilt HBeta och HZSM-5, främjade en selektiv produktion av bensen, toluen och xylener (BTX). TiO₂ och HZSM-5 minskade aktiveringsenergierna för pseudo 3 och 4 reaktioner, medan högre pyrolys temperaturer i intervallet 500–600 ^oC gynnade bildandet av styren intermediärer som ökade BTX-utbytet. Viktigt var att pyrolys konfigurationen påverkade resultaten, där ex-situ katalys gynnade en BTX-produktion i LGE och medan en in-situ katalys var mer effektiv för MGE.

Den andra delen av avhandlingen fokuserar på ex-situ katalytisk pyrolys av konstruerade WEEE-fraktioner (LGEW och MGEW) med HZSM-5 och modifierade katalysatorer i enkel och dubbelkonfiguration. HZSM-5 vid 450 ^oC

gav den högsta organiska fraktionen (28,5 wt.%), en förbättrad selektivitet för monoaromater samt en förbättrad sammansättning av syntesgas samtidigt som CO₂-utsläpp och det totala syratalet minskade. Högre katalysator-till-bränsleförhållanden ökade gasutbytet och den aromatiska selektiviteten. Fe-modifierad HZSM-5 förbättrade ytterligare BTXE-produktionen genom väteöverföring och β-klyvningsmekanismer men drabbades av högre kokbildning, medan CaO var effektivt för deoxygenering och CO₂-adsorption. En dubbelkonfiguration av CaO/HZSM-5 balanserade sprickbildning och deoxygenering, vilket resulterade i ett högre oljeutbyte, en förbättrad aromatselektivitet och minskade CO₂-utsläpp.

Den tredje delen demonstrerar resultaten från en kontinuerlig katalytisk pyrolys av elektroniska kretskort (WECB) i en skruvreaktor med ett dubbelt HZSM-5/CaO-system. Denna konfiguration förbättrade aromatutbytet, minskade mängden oxygenater, genererade väterik syntesgas och stabiliserade brom som oorganiska bromider i fasta rester. Drift vid lägre vikt-timrymdhastighet (WHSV) förbättrade ytterligare deoxygeneringseffektiviteten, ökade H₂-produktionen och minskade CO₂-utsläppen, vilket visar den industriella potentialen hos dubbelkatalytiska strategier.

Sammanfattningsvis visar denna avhandling att katalytisk pyrolys, särskilt med dubbla HZSM-5/CaO-system, erbjuder en genomförbar och skalbar väg för värdeskapande av WEEE. Genom att uppfylla de definierade målen från kinetiska analyser till validering i pilotskala har arbetet förbättrat återvinningen av aromatiska kolväten, höjt kvaliteten på syntesgasen och uppnått bromstabilisering i fasta rester. Dessa resultat bekräftar att det centrala målet, att utveckla termokemiska processer för att stärka materialcirkulariteten genom katalytisk pyrolys, i hög grad har uppnåtts och erbjuder både vetenskapliga insikter och praktiska lösningar för en hållbar återvinning av elektronikavfall.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-372263