Plazmová pyrolýza a zplyňování

Odpady z elektrických a elektronických zařízení (OEEZ) jsou jedny z nejnebezpečnějších odpadů kvůli obsahu toxických prvků, jako jsou chlor, brom, fluor, síra apod. Zvláštní pozornost si proto zaslouží termochemická konverze pomocí plazmových technologií, které díky extrémním teplotám přinášejí zásadní výhody, ale jejich využití v praxi je zatím minimální.

Energetická udržitelnost a vývoj udržitelných materiálů patří mezi klíčové výzvy současnosti, přičemž tlak na snižování emisí skleníkových plynů a efektivní využívání přírodních zdrojů stále roste. Jeden ze způsobů, jak této výzvě čelit, je efektivní zpracování všudypřítomných organických materiálů – od fosilních paliv přes zemědělský a komunální odpad, odpady z elektrických a elektronických zařízení (OEEZ) až po biomasu. Konkrétně se nabízejí známé a využívané metody jako pyrolýza a zplyňování, které otevírají cestu k využití jejich energetického potenciálu. Tyto procesy probíhají za vysokých teplot v prostředí s omezeným nebo žádným přístupem kyslíku, čímž se organické látky rozkládají na energeticky hodnotné plyny a kapaliny, pevné zbytky a další užitečné produkty.

1. Blesk jako příklad plazmatu (vlevo) a plazma vystupující z plazmového mikrovlnného hořáku (vpravo).

Snímky Jean Beaufort, PublicDomainPictures.net, licence Public Domain (vlevo); Maksym Buryi (vpravo)

Plazmová konverze

Většina lidí má aspoň přibližnou představu, co je to tzv. čtvrté skupenství hmoty – plazma. Najdeme ho ve hvězdách, v blescích, v polární záři nebo v plazmové obrazovce. Stručně řečeno plazma je ionizovaný plyn, tedy plyn, ve kterém jsou atomy nebo molekuly částečně nebo zcela zbaveny elektronů. Taková směs volných elektronů, iontů, neutrálních částic a záření vytváří extrémní energetické prostředí, které se chová zcela odlišně než běžný plyn.

Speciálním typem plazmatu je tzv. termické (rovnovážné) plazma, využívané v průmyslových aplikacích, které se nejčastěji vytvářejí pomocí elektrického oblouku mezi elektrodami, pomocí mikrovln, rádiových vln, rázových vln (exploze nebo supersonické spalování vytváří rázovou vlnu, která prudce stlačí a ohřeje plyn na teploty několika tisíc stupňů Celsia, čímž se plyn ionizuje a vzniká plazma). Např. při vstupu návratových kosmických těles do atmosféry vzniká v supersonickém proudění rázová vlna, kde tlak a teplota za vlnou jsou tak extrémní, že dochází k ionizaci vzduchu. Podobně intenzivní pulz laseru odpaří povrch materiálu, vzniklá expanze a zpětný tlak vytvoří rázovou vlnu, která při dostatečné energii ionizuje plyn okolo. Teplota takového prostředí může dosahovat 10 000 až 20 000 °C, což je několikanásobně více než teplota hoření klasického plynu či teplota povrchu Slunce. V takových podmínkách se téměř všechny chemické vazby rozpadnou a látky se přemění na nejjednodušší stavební jednotky – atomy, radikály a jednoduché molekuly.

2. Příklad účinku plazmatu na látku – „plazmové obrušování“.

Snímek Maksym Buryi

Plazmová pyrolýza a zplyňování

V čem a proč se liší plazmová pyrolýza a zplyňování od klasických postupů? Klasickým postupem je nejčastěji míněno spalování, které je zdrojem energie pro následnou gasifikaci a pyrolýzu. Plazma naopak má v sobě ohromnou energii, aniž by v něm cokoliv hořelo. Energii do plazmatu vytvořeného lidmi dodává zpravidla elektřina. Pyrolýza je zase termochemický proces, při kterém se působením tepla organické látky rozkládají bez přístupu kyslíku. Probíhá běžně při teplotách mezi 300 až 800 °C, což je dost na to, aby se v organických molekulách štěpily chemické vazby, ale nikoli úplně všechny.