化学リサイクル：分析ソリューションが効果的な循環型経済を実現する仕組み
2023/10/20
プラスチック廃棄物：世界的な課題
プラスチックが私たちの日常生活に欠かせないものになっていることは否定できません。プラスチックには多くの利点があります。例えば、包装材として食品の腐敗を防いだり、自動車を軽量化したり、住宅の断熱材として使われたりしています。実際、プラスチックには他の素材に比べて多くの利点があります。
軽量でありながら頑丈です。
耐水性があり、多くの種類は酸やアルカリにも耐性があります。
表面が滑らかなため、簡単に洗浄できます。
酸化しません。
非常に柔軟で、成形が容易です。
耐久性に極めて優れ、錆びません。
プラスチックは割れにくく、衛生的です。
しかし、その耐久性にもかかわらず、プラスチック製品はすぐにゴミとなってしまいます。 世界全体で、毎年約2億5000万トンのプラスチック廃棄物が発生しています。2060年までに、この量は3倍になると予想されています。現在、プラスチック廃棄物のうちリサイクルされているのはわずか9％にすぎません。残りは埋立処分されたり、環境に流出したり、あるいは焼却処分されてCO2が放出されたりしています。[1]
化学リサイクルは、持続可能な循環型経済を実現する
プラスチック廃棄物問題を解決し、より持続可能な社会を実現するためには、「取り、作り、捨てる」という流れから、「削減、再利用、リサイクル」へと転換する必要があります。ますます多くの国が、線形経済から循環型経済へのこの転換を推進しています。このような循環型経済において、プラスチック廃棄物はもはや負担ではなく、貴重な原材料となります。 同時に、これにより化石資源への依存度も低減されます。
これまで、プラスチック廃棄物のリサイクルは主に機械的リサイクルによって行われてきました。しかし、この方法だけではリサイクル率をさらに引き上げることは困難です。そこで登場するのが化学的リサイクルです。これは、機械的リサイクルでは処理できないプラスチック廃棄物をリサイクル可能にする、有望な新技術です。
化学リサイクルの利点
化学的リサイクルには、機械的リサイクルに比べて2つの大きな利点があります。
- 混合プラスチック廃棄物の処理に適用できることです。当然ながら、廃棄物は極めて不均一であり、通常はさまざまな種類のプラスチック（例：PP、PE、PS）が含まれており、さらに食品残渣で汚染されています。機械的リサイクルでは、食品汚染物質を含まない単一の種類のプラスチックのみが残るまで、廃棄物の入念な選別と洗浄が必要となります。 一方、化学リサイクルは、さらなる選別が経済的に見合わないプラスチック廃棄物や、他の手段ではリサイクルできない汚染プラスチックや廃タイヤにも適用可能です。
- 化学的リサイクルによって製造される新製品には制限がありません。化学的リサイクルでは、プラスチック廃棄物が化学的な構成要素に分解されるため、リサイクル原料は原油の完璧な代替品となります。このリサイクル原料は、あらゆる種類や色のプラスチックの製造に使用できます。 これに対し、機械的リサイクルによって製造されるプラスチック製品の種類や色は、処理されるプラスチック廃棄物の特性によってあらかじめ決まってしまう。例えば、ポリスチレン製の赤いヨーグルト容器を、機械的リサイクルによって白いポリプロピレン製のバケツに変えることはできない。 さらに、化学リサイクルによって製造された新製品はバージングレードの品質を誇り、食品包装や医療機器など、厳しい要件が求められる用途にも使用できます。対照的に、機械的リサイクルでは十分な純度を持つ製品を生み出すことはできません。
化学リサイクルは、機械的リサイクルの限界を超える部分を引き継ぐため、これら2つのリサイクル方法は互いに補完し合っています。これらを組み合わせることで、リサイクル率を大幅に向上させ、プラスチックの循環型経済の実現に一歩近づくことができます。
化学的リサイクルは、すでに理論の段階をはるかに超えて進歩している
実際、化学リサイクルを通じてプラスチック廃棄物から高品質な製品が生み出されている例は数多くあります。
化学リサイクルされたプラスチックで作られた世界初の食品包装は、マグナムアイスクリームの容器でした。この画期的な進歩は、ユニリーバ、化学企業のサビック、そして化学リサイクルスタートアップのプラスチック・エナジーによる提携によって実現したものです。[2] 2021年には、3,000万個以上のマグナムの容器が化学リサイクルプラスチックから製造され、2025年までに生産全体を循環型プラスチックに移行する計画が立てられています。
もう一つの例はキットカットの包装です。ネスレと化学企業リヨネル・バセルの協力により、キットカットのチョコレートバーの包装は現在、化学リサイクルされたポリプロピレンで作られています。[3]
ヴァウデとメルセデス・ベンツは、BASFと連携して化学リサイクルを活用し、廃タイヤを高品質なアウトドアウェアや、メルセデスEQEおよびSクラスのドアハンドルや衝突吸収材に再生しています。[5,6]
多くの化学企業が、サステナビリティ戦略の一環として化学リサイクルに取り組んでいます。特にBASFは主導的な役割を果たしており、マスバランス手法を用いて化学リサイクルによって製造された製品の算定を可能にする法的枠組みの確立を積極的に提唱しています。[6]
化学リサイクルはどのように行われるのか？
熱分解は、最も重要な化学的リサイクル技術です。これは、酸素のない環境下で約600 °Cの温度でプラスチック廃棄物を分解するものです。この過程で、プラスチックの長いポリマー鎖が断裂され、さまざまな長さの炭化水素鎖を含む粘性のある熱分解油が生成されます。 プラスチックの製造には、エテン、プロペン、ブテンなどのモノマーといった化学的構成要素が必要であるため、熱分解油中のポリマー鎖をさらに分解する必要があります。熱分解油の比重（軽重）に応じて、この分解は製油所またはスチームクラッカーで行われます。
オンデマンド・ウェビナーシリーズ
化学リサイクルは、プラスチック原料やそこから得られる熱分解油の性質が極めて変動しやすいという点で、依然として課題に直面しています。当社のオンデマンド・ウェビナーシリーズをご覧いただき、分析上の課題を克服する方法について業界の専門家から学んでください！ これらのウェビナーでは、パイロリシスオイル（pyoil）の関連分析試験や対応するASTM規格に関する知見に加え、金属、ヘテロ原子、および廃水や塩水などの副産物の分析についても解説しています。
プラスチックの化学的リサイクルにおける品質ゲート
腐食や触媒の失活、その他の問題を回避するため、石油化学プラントに供給される油は、ヘテロ原子や金属の含有量が一定の閾値を超えてはなりません。再生油において最も問題となる元素としては、一般的に酸素、ケイ素、塩素などのハロゲン、およびナトリウム、鉄、鉛、カルシウム、水銀などの金属が挙げられます。 どの元素が規定の限度値を超えているかによって、熱分解油は特定の精製工程を経る必要がある場合があります。場合によっては、問題となる元素の含有量を許容範囲内に抑えるために、再生原料と化石原料をブレンドすることが有益となることもあります。
熱分解から得られる製品の品質は、処理されるプラスチック廃棄物の品質にも左右される。したがって、搬入されるプラスチック廃棄物の品質管理が極めて重要となる。
実際、化学リサイクルの大規模導入における最大の障壁の一つは、プラスチック廃棄物の組成のばらつきにある。処理される廃棄物はロットごとに異なるため、得られる熱分解油の組成も常に変化する。 プラスチック廃棄物および熱分解油を分析的に特性評価することは、その固有の変動性に対処するための第一歩となります。
熱分解プロセスでは、廃水が発生します。 この廃水が河川への放流が許容されるほど十分に浄化されているかどうかを判断することは、極めて重要な課題です。この課題は、廃水中の全有機炭素（TOC）、全結合窒素（TNb）、および吸着性有機ハロゲン（AOX）を測定することで対処できます。
効率的な化学リサイクルを支える分析ソリューション
アナリティク・イェーナ（Analytik Jena）のラボ用測定機器は、プラスチックの化学リサイクルにおける重要な品質管理ポイントにおいて、意思決定に必要な信頼性の高いデータを迅速に提供することで、そのプロセスを支援します。
1. 搬入されるプラスチック廃棄物の品質管理
Cl、S、Si、および金属（Na、Fe、Pb、Hgなど）のスクリーニング
分析装置：multi EA 4000、PlasmaQuant 9100 Elite
熱分解生成物の品質は、処理対象となるプラスチック廃棄物の品質に直接依存します。したがって、搬入されるプラスチック廃棄物の評価は不可欠です。
multi EA 4000：PVCが他のプラスチック廃棄物と混入していると、すぐに望ましくないレベルの塩素濃度に達する可能性があります。不均一なポリマー廃棄物中の塩素含有量を測定するには、燃焼法に基づく元素分析が、XRFのような従来の分析手法に比べて決定的な利点をもたらします。 マクロ元素分析装置であるmulti EA 4000は、XRFで必要とされるような均質なサンプルペレットの調製に時間を費やすことなく、大量の試料を分析できます。ポリマー廃棄物中の塩素濃度は、PVCの正確な含有量によって大きく変動する可能性があります。 「multi EA 4000」は、試料サイズの柔軟性と内蔵のガス分割機能により、広い測定範囲（0～10％）にわたって良好かつ再現性の高い結果を提供します。ガス分割機能は、事前の試料希釈なしに高濃度の塩素含有量を容易に測定するための理想的なソリューションです。
PlasmaQuant 9100 Elite：誘導結合プラズマ発光分光法（ICP-OES）は、広い測定範囲にわたって金属およびシリコンの定量分析を可能にします。しかし、この手法をプラスチック廃棄物の分析に用いるには、例えばマイクロ波分解などを用いて、試料を液体化する必要があります。 これが完了すると、有機物を多く含む試料が得られますが、これはICP法にとって最も困難な試料マトリックスの一つです。
有機マトリックスの高負荷および高炭素含有量により、堅牢な試料導入システムと、トーチシステムに炭素堆積物を生じさせることなく ICP 内で試料を効率的に励起するプラズマシステムが必要となります。V-Shuttle トーチの垂直構造と、PlasmaQuant 9100 Elite の独自の高速発振器は、この課題に対して有効であることが実証されています。
試料マトリックスの非特異的な炭素バックグラウンドに起因するスペクトル干渉は、ヒ素、鉛、水銀、ナトリウムなどの元素濃度を信頼性高く測定する上で大きな課題となっています。 これらの干渉を克服するために、従来のICP-OES分析装置では、標準添加法のような精巧な校正戦略を採用するか、感度が低い代替発光線に切り替える必要があり、その結果、達成可能な検出限界に影響を及ぼしていました。 PlasmaQuant 9100 Eliteの高分解能光学システム（200 nmで2 pm）とCSIソフトウェアアルゴリズム（スペクトル干渉補正）を組み合わせることで、最も感度の高い発光線が干渉を受けず、測定に利用可能となるため、このような妥協は不要になります。
2. 熱分解油が製油所またはスチームクラッカーへの供給準備が整っていることを確認する
金属（Na、Fe、Pb、Hgなど）、Si、およびCl/S/Nのスクリーニング
分析装置：PlasmaQuant 9100 Elite、multi EA 5100
製油所やスチームクラッカーにおける再生油のさらなる処理過程で、腐食や触媒の失活といった問題を回避するためには、油中の特定の元素濃度が一定値を超えてはならない。特に、熱分解油においては、酸素、塩素、ナトリウム、ケイ素、鉄、鉛、カルシウム、水銀が極めて重要である。
PlasmaQuant 9100 Elite：誘導結合プラズマ発光分光分析法（ICP-OES）により、熱分解油中の金属およびケイ素の定量分析が可能です。 ppt（1兆分の1）からパーセントに至る幅広い測定範囲（市場最大）を備えたPlasmaQuant 9100 Eliteは、精製前の段階および精製後の段階を問わず、再生油に関する迅速かつ明確な意思決定の根拠を提供します。 高分解能光学系により、干渉のない状態で最も感度の高い発光線を捉えることができ、ほとんどの元素において検出限界が1 ppb未満を実現しています。さらに、光減衰法を用いることで、高濃度の元素も確実に検出可能です。
熱分解油のような有機試料の場合、試料をイオン化するには異常に多くの化学結合を切断する必要があります。これによりプラズマの安定性が損なわれ、強度の著しい変動が生じる可能性があります。長期的な信号の安定性を確保するには、発生装置の性能が極めて重要です。 1700 Wという比類のない発生器出力を備えたPlasmaQuant 9100 Eliteは、希釈していない有機試料も容易に分析できます。プラズマトーチの最適化された設計により、インジェクターへの炭素堆積物の形成を防ぎ、メンテナンス作業を最小限に抑えます。
multi EA 5100：熱分解油中の塩素、硫黄、窒素、炭素を確実に測定するには、触媒を使用しない高温燃焼方式を採用した元素分析装置 multi EA 5100 が特に適しています。再生油は粘度が高いため、 従来の分析装置では、分析前に手動で希釈する必要があり、余分な手間がかかっていました。しかし、multi EA 5100の加熱式試料導入システムにより、この工程が不要になります。未希釈の油を直接注入できるため、コスト、廃棄物、および労力を削減できます。
燃焼プロセスを精密に制御しないと、熱分解油は急激かつ不完全な燃焼を起こし、誤った分析結果をもたらすだけでなく、各試料分析後に手作業で清掃しなければならない煤（すす）の発生を招きます。「multi EA 5100」は、試料の燃焼を監視し、自動的に最適化する唯一の分析システムです。これは炎センサーによって行われます。 その結果、最短時間で、煤の発生がなく、安全かつ完全な燃焼が実現されます。他のシステムにはこのような炎センサーが備わっていないため、燃焼プログラムを試行錯誤によって経験的に開発し、手動でプログラムする必要があります。これは、新しい試料の種類や試料量の変化ごとに、操作者が繰り返さなければならない手間のかかる作業です。
さらに、再生油の塩素濃度は大きく変動します。multi EA 5100は、特殊なセンサー電極を使用することで、わずか10 ngの塩素でも確実に検出できます。同時に、事前の試料希釈なしに1 mgの塩素の定量も容易に実現可能です。 これほど広い濃度範囲で正確な測定結果を得るには、測定ガス経路を加熱して確実に乾燥させる必要があります。そうしないと、水が凝縮して分析対象である塩素を捕捉し、測定値が過小評価されてしまいます。これは微量分析において特に重大な問題となります。 微量濃度の定量においては、信号の安定性も極めて重要です。このため、multi EA 5100の電気化学セルは、電解液の蒸発を防ぐために冷却され、不要な光化学反応を防ぐために遮光されています。
3. 発生した廃水の評価
TOC/TNb および AOX
分析装置：multi N/C 2300 および multi X 2500
熱分解およびその後の精製プロセスで発生する廃水は、高濃度の有機物質、窒素化合物、および粒子を含んでいるのが特徴です。これらは、総有機炭素（TOC）および総結合窒素（TNb）という合計パラメータを用いて、迅速かつ自動的に分析することができます。 特に難分解性かつ毒性の高い炭化水素化合物として、ハロゲン化炭化水素が挙げられます。これらの塩素化、臭素化、およびヨウ素化有機化合物は、総パラメータであるAOX（吸着性有機ハロゲン）を用いて測定可能です。
廃水の分析には、以下の国際規格が適用されます：
- TOC/TNb：ISO 8245、EN 1484、EPA 9060、EN 12260、ISO 20236
- AOX：ISO 9562、EPA 1650
multi N/C 2300：TOC濃度が最大30,000 mg/lの希釈していない廃水サンプルのTOC/TNb分析は、multi N/C 2300によって最適に行えます。 その卓越した性能の秘訣は、めったに採用されない直接注入法と、高性能で広範囲をカバーするNDIR検出器の組み合わせにあります。直接注入とは、試料をシリンジに吸い上げ、そこから分析装置の燃焼炉に直接注入することを意味します。これにより、すべての粒子が分析装置の燃焼ユニットに確実に移送されます。 注入ポート自体にはセプタムが採用されていないため、摩耗や定期的な漏れ、あるいは注入針の目詰まりの原因となるセプタムが存在しません。また、直接注入方式ではサンプルがバルブを通過しないため、粒子を多く含むサンプルであっても目詰まりの可能性が排除されます。 さらに、試料はホースと接触しないため、油分を含む試料がホース内壁に付着して生じる「メモリー効果」も防止されます。
multi N/C 2300 を使用すれば、事前の希釈なしに高汚染試料を分析でき、最大 500 µl という大容量の注入量により、代表的な結果を得ることができます。独自のアルゴリズムにより内部流量の変動を検知・補正するため、校正は最大 1 年間安定して維持されます。 また、キャリブレーションは注入量に依存しないため、1 つの標準物質をさまざまな注入量で注入してキャリブレーションを行うことができます。
APU sim または APU 28 + multi X 2500：AOX 分析（吸着性有機ハロゲン元素の分析。X は塩素、臭素、ヨウ素を指し、フッ素は含まれません）は、常に試料調製から始まります。 分析対象物質は、できればカラム法を用いて、活性炭に吸着されます。 その後、吸着されたカラムを洗浄して、干渉の原因となる塩マトリックスを除去します。続いて、カラムを AOX 分析装置内で燃焼させ、AOX 化合物をハロゲン酸（HX）に変換し、クーロメトリック滴定によって測定します。
AOX/SPEの自動試料前処理のために、Analytik Jena社は「APU sim」と「APU 28 connect」の2つのシステムを提供しています。どちらのシステムも、1つの試料につき最大3本のカラムを使用可能です。 3カラム法を採用する場合、最初のカラムには石英ウールが充填されます。これにより、後続の活性炭カラムを詰まらせる可能性のある試料粒子を捕捉し、カラム内での水試料の円滑な流れを確保します。2番目と3番目のカラムには、それぞれ活性炭が充填されています。 これにより、すべてのAOX化合物を捕捉するのに十分な吸着容量が確保され、両カラムの吸着負荷量を比較することで、吸着ステップの完了度を把握することができます。選択したオートサンプラーに応じて、吸着済みの活性炭のみ、あるいはカラム全体をAOX分析装置「multi X 2500」に導入することができます。 本分析装置は広い測定範囲を備えており、10 ngから1 mgまでの塩素について信頼性の高い測定が可能です。滴定セルは遮光・冷却されており、分析装置の長期にわたる安定した性能を実現しています。3-in-1セラミック電極は堅牢で、実質的にメンテナンスフリーです。
概要
化学リサイクルは、もはや単なる理論上の概念ではありません。この新しい技術は、より持続可能な社会を目指している欧州連合（EU）やその他多くの国々が採用している、プラスチックに関する循環型戦略の不可欠な要素となっています。他の新しい技術と同様に、これを大規模に導入するには克服すべき課題があります。 ケミカルリサイクルが直面する最大の課題の一つは、プラスチック廃棄物の組成に大きなばらつきがあることであり、その結果、熱分解油の組成にも大きなばらつきが生じます。プラスチック廃棄物とリサイクル油の分析的特性評価は、この固有のばらつきに対処するための極めて重要な第一歩となります。 Analytik Jena社の分析装置は、原料の品質、ならびに化学リサイクルによる最終製品や副産物の品質について、迅速かつ信頼性の高い意思決定の根拠を提供することで、この新しいリサイクルプロセスを可能な限り効率的かつ費用対効果の高いものにする上で、極めて重要な役割を果たしています。
ウェビナー：貴社の熱分解油はスチームクラッカーへの投入準備が整っていますか？――適切な分析ツールの選定
ピオイルの特性評価に役立つ分析ツールについて知りたいですか？ 専門家であるジャン＝フランソワ・ボルニー氏（Lummus Technology、ASTM D02.P委員会副委員長）をゲストに迎えたウェビナーの録画をご覧ください。ピオイル中の総硫黄、窒素、ハロゲン、金属を分析し、その固有の変動性を的確に把握する方法についてご説明します。
当社の製品
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Flyer Chemical Recycling of Plastics: Analytical Solutions for Crucial Quality Gates (EN)
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Metal Analysis of Waste Plastic Pyrolysis Oil via HR Array ICP-OES (EN)
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Chemical Recycling of Plastics ‒ Analysis of Chlorine, Sulfur, Nitrogen and Carbon in Pyrolysis Oils, Waxes, and Secondary Products (EN)
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TOC/TNb Determination in Refinery Effluents (EN)
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Determination of AOX in Wastewater Samples by Column Method According to DIN EN ISO 9562 (EN)
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Brochure multi EA 5100 (English)
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Brochure multi N/C x300 Series (EN)
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Brochure multi EA 4000 (English)
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Brochure AOX/TOX/EOX analyzer multi X 2500 (English)
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当社の製品の代表的な活用事例をご覧ください。研究機関や自社研究所を持つ企業を問わず、現在の市場が直面する課題に対する当社のソリューションやそのメリットについてご確認いただき、各トピックに関する詳細情報をご参照ください。
参考文献
- [1] OECD (2022), 『世界のプラスチック展望：経済的要因、環境への影響、および政策選択肢』, OECD Publishing, パリ, https://doi.org/10.1787/de747aef-en
- [2] www.magnumicecream.com/uk/stories/sustainability/recycled-tubs.html
- [3] www.kitkat.co.uk/recycle-packaging
- [4] experience.vaude.com/nachhaltige-outdoor-ausrustung-aus-recycelten-altreifen/
- [5]media.mercedes-benz.com/article/3de48ee0-8a4d-4e26-b9b5-eb55cf1f8b5b
- [6] www.basf.com/global/de/who-we-are/sustainability/we-drive-sustainable-solutions/circular-economy/mass-balance-approach.html
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