على الرغم من التطورات التكنولوجية الحديثة والتطور التدريجي لمفاهيم الاقتصاد الدائري، لا تزال أسواق منتجات التحلل الحراري للإطارات ناشئة. في هذه المقالة، نُقدّم تعريفًا لأسود الكربون، ونُفصّل مجالات استخدام أسود الكربون الخام، ونسعى إلى تقدير إمكانات أسود الكربون المُستعاد ليحل محل نظيره المُضرّ بالبيئة - المواد الخام.

في نهاية هذه المقالة، نُقدّر الحجم السنوي المُحتمل لسوق أسود الكربون المُستعاد، بافتراضٍ متواضع أن نسبة استبدال أسود الكربون الخام تبلغ 20%. تلميح: تُشير الأرقام إلى أن إنتاج أسود الكربون المُستعاد تجارة مربحة وغنية بالفرص.

الكربون الأسود: المقدمة والتعريفات

استُخدم الكربون الأسود (CB) تقليديًا كعامل تقوية وحشو في إطارات السيارات. إلى جانب فهم أفضل لخصائصه الفريدة، يُستخدم حاليًا في مجموعة واسعة من التطبيقات في مجموعة كبيرة ومتنوعة من المنتجات، مثل إطارات السيارات، وأحزمة النقل، والأحبار، والأنابيب البلاستيكية، والحصائر المطاطية، ونعال الأحذية، وغيرها. يحتوي الكربون الأسود البكر على كميات ضئيلة جدًا من الشوائب، ونسبة الكربون فيه قريبة جدًا من 100%.

أسود الكربون البكر (vCB) هو مادة على شكل مسحوق أسود ناعم، يُنتج عن الاحتراق غير الكامل لمنتجات بترولية ثقيلة، مثل قطران التكسير الرغوي (FCC)، وقطران الفحم، أو قطران تكسير الإيثيلين. أسود الكربون هو نوع من الكربون شبه البلوري، يتميز بنسبة مساحة سطح إلى حجم عالية، وإن كانت أقل من نسبة الكربون المنشط. يُستخدم أسود الكربون بكثرة في حشوات التقوية في منتجات المطاط، وخاصة الإطارات. في حين أن عملية فلكنة الصمغ النقية لستايرين-بوتادين تتميز بقوة شد لا تتجاوز 2 ميجا باسكال ومقاومة ضئيلة للتآكل، فإن خلطه مع 50% من أسود الكربون بالوزن يُحسّن قوة الشد ومقاومته للتآكل.

يُعدّ الفحم الكربوني (CC)، أو أسود الكربون الخام المُستعاد (rCB الخام)، أحد المنتجات المباشرة لعملية التحلل الحراري. هذه المادة منخفضة القيمة ومحدودة الاستخدامات، مثل توليد الطاقة في أفران الأسمنت. لذلك، يجب تكرير الفحم الكربوني وفقًا لمتطلبات الأسواق والتطبيقات النهائية، ليُستخدم كمنتج تقني في التطبيقات عالية القيمة.

نشرت منظمة ASTM الدولية - وهي هيئة التقييس التي تقدم تعريفات رئيسية للمنتجات والمواد مع أكثر من 12800 معيار ASTM قيد العمل في جميع أنحاء العالم - مؤخرًا معيارًا أوليًا يتعلق بالكربون الأسود المسترد (rCB).

اللجنة ASTM D36 المعنية بالكربون الأسود المستعاد (rCB)تأسست عام ٢٠١٧ لدعم صناعة ألواح rCB الناشئة فيما يتعلق بجودة وسلامة منتجاتها. وتتولى عدة لجان فرعية مسؤولية وضع معايير المصطلحات والإرشادات والممارسات وطرق الاختبار.

يُلبي معيار ASTM الجديد (D8178) الحاجة إلى مجموعة من المصطلحات الشائعة للتمييز بوضوح بين قيمة rCB وفحم الكربون (CC). كما يُسهّل هذا المعيار التواصل بشأن أداء rCB ضمن التطبيقات المقترحة. يُحدد D8178 أهمية الاختلافات بين الفحم، وأسود الكربون (كما هو مُعرّف في معيار ASTM D3053)، وأسود الكربون الخام المُستعاد، وأسود الكربون المُستعاد (rCB).

الأهم من ذلك، يجب أن ينطبق اسم المنتج "الكربون الأسود المستعاد" (rCB) فقط إذا تم تحرير الكربون الأسود الخام من المعادن والألياف وتم طحنه، وإلا فإنه يعطي خصائص شبه معززة لـ rCB في المطاط.

هناك عدة عمليات لتكرير كربون أسود مُستعاد (rCB) الخام وزيادة قيمته وفقًا للمتطلبات النهائية للمنتج. يمكن أن يقتصر ذلك على غربلة الحجم وفصل المواد الغريبة (المعادن والألياف)، أو استخدام مواد كيميائية أو عمليات أخرى لإزالة مكونات معينة من داخل المادة. يُطلق على فحم الكربون المُكرر المُشتق من التحلل الحراري للإطارات اسم "كربون أسود مُستعاد" (rCB)، ويمكن تعديله باستخدام عمليات مختلفة لاستخدامه في تصنيع قطع الغيار، ثم يُكرر لاحقًا لاستخدامه في الصناعة الكيميائية كصبغات ومواد مالئة في الأحبار والدهانات ومواد أخرى.

إن معالجة الكربون الأسود وتحويله إلى rCB عملية معقدة وتتطلب تقنيات مكثفة رأس المال. وسيؤدي تكرير هذه المادة إلى تحسين خصائص فحم الكربون بشكل كبير، وإزالة نسبة عالية جدًا من المواد الغريبة، وتحويلها إلى سلعة عالية القيمة تُحاكي إلى حد معقول خصائص الكربون الأسود الخام. وحسب متطلبات التطبيق والأداء، يمكن لـ rCB أن يحل محل ما بين 10% و100% من vCB في عمليات التصنيع المختلفة.

يُعدّ استخدام أسود الكربون المُستعاد (rCB) التطبيق الأمثل في صناعة الإطارات. وتستحوذ صناعة الإطارات على معظم استهلاك أسود الكربون العالمي. ومع ذلك، لا تزال صناعة الإطارات بطيئة في استبدال كميات أكبر من vCB بـ rCB أو قبول كميات كبيرة منه في إنتاجها، وذلك بسبب القيود التنظيمية، ومشاكل تتعلق بالصورة التجارية، ومخاوف بشأن التوريد. إلا أن هناك توجهًا واضحًا نحو اعتماد rCB بين مصنعي الإطارات. ومن بين الشركات الأخرى، استحوذت ميشلان على حصة كبيرة في شركة سويدية متخصصة في تحلل الإطارات بالحرارة، وتخطط لإنشاء مصنع لإنتاج rCB في أمريكا الجنوبية.

نظرة عامة على استخدامات الكربون الأسود

استُخدم أسود الكربون الخام لعقود كعامل تقوية في الإطارات، وأصبح مادة أساسية في صناعة المطاط بأكملها. بفضل خصائصه الفريدة، يُستخدم أسود الكربون في معظم صناعات المطاط، سواءً للإطارات أو غيرها، وقد توسع ليشمل التصبغ، وتثبيت الأشعة فوق البنفسجية، والتوصيل في مجموعة متنوعة من المنتجات عالية الأداء للاستخدام اليومي والتخصصي. صنفت الجمعية الدولية لأسود الكربون (ICBA) استخدامات أسود الكربون على النحو التالي:

• الإطارات ومنتجات المطاط الصناعي: يُضاف الكربون الأسود إلى المطاط كمادة مالئة ومقوٍّ أو مُعزِّز. يُستخدم في أنواع مختلفة من الإطارات في البطانات الداخلية، والهياكل، والجدران الجانبية، والمداسات، وذلك بناءً على متطلبات أداء محددة. كما يُستخدم الكربون الأسود في العديد من منتجات المطاط الصناعي المصبوبة والمبثوقة، مثل الأحزمة، والخراطيم، والحشيات، والأغشية، وعوازل الاهتزاز، والبطانات، والنوابض الهوائية، ومصدات الشاسيه، وأنواع متعددة من الوسادات، والأغطية، وشفرات المساحات، وعجلات النقل، والحلقات المطاطية.
• البلاستيك: يستخدم الكربون الأسود الآن على نطاق واسع في التعبئة والتغليف الموصل والأفلام والألياف والقوالب والأنابيب ومركبات الكابلات شبه الموصلة في المنتجات مثل أكياس القمامة والحقائب الصناعية والحاويات الفوتوغرافية وأغشية التغطية الزراعية واللفائف الممتدة وتطبيقات صب البلاستيك الحراري للسيارات والأجهزة الكهربائية / الإلكترونية والأجهزة المنزلية والحاويات المنفوخة.
• مركبات التفريغ الكهروستاتيكي (ESD): تم تصميم الكربون الأسود بعناية لتحويل الخصائص الكهربائية من عازلة إلى موصلة في المنتجات مثل التغليف الإلكتروني وتطبيقات السلامة وأجزاء السيارات.
• الطلاءات عالية الأداء: توفر الأسود الكربوني التصبغ والتوصيل والحماية من الأشعة فوق البنفسجية للعديد من تطبيقات الطلاء بما في ذلك السيارات (الطبقات الأساسية والطبقات الشفافة)، والبحرية، والفضاء، والديكور، والخشب، والصناعات.
• أحبار الطباعة والأحبار: تعمل الألوان السوداء الكربونية على تحسين التركيبات وتوفير مرونة واسعة في تلبية متطلبات الألوان المحددة.

على الرغم من وجود العديد من استخدامات الكربون الأسود، إلا أن التطبيقات المختلفة تتطلب صفات مختلفة من الكربون الأسود وخصائص مختلفة.

تعتمد جودة أسود الكربون على العملية والمعدات المستخدمة. لذلك، عند اختيار المعدات، يجب مراعاة جودة أسود الكربون المطلوبة ومتطلبات هذه التطبيقات.

إمكانات السوق ومحركات الطلب الرئيسية على rCB

بما أن rCB يُعدّ بديلاً جزئيًا وكاملًا لـ vCB في مختلف الصناعات، فإن إمكانات سوق rCB تتحدد بناءً على أسواق vCB الحالية. ووفقًا لخبراء الصناعة وتقديراتنا، شهد استهلاك vCB العالمي زيادةً مستمرةً خلال السنوات الخمس الماضية، ويُقدّر بما يتراوح بين 11 و13 مليون طن سنويًا. ويمثل هذا سوقًا إجماليًا سنويًا يقارب 16 مليار يورو.

الاستخدام الأكثر شيوعًا لـ vCB هو في تطبيقات المطاط والبلاستيك (نظرًا لخصائصه كحشو وعامل تقوية). ونظرًا لقدرته على تقوية المطاط، يُستخدم على نطاق واسع في صناعة الإطارات. وفي تطبيقات أخرى للمطاط والبلاستيك، يُستخدم كحشو. في هذه الحالة، يُعد الحشو عامل تخفيف ويُستخدم بشكل أساسي لخفض تكاليف الإنتاج. تُمثل هذه التطبيقات أكثر من 95% من إجمالي استهلاك CB العالمي. ويُستخدم حوالي 4% من CB كصبغات حبر نظرًا لخصائصه اللونية الممتازة، بينما يُستخدم الجزء المتبقي في تطبيقات أخرى.

الرسم البياني: أسواق الاستخدام النهائي للكربون الأسود

لا تزال صناعة الإطارات أكبر مستهلك لأسود الكربون الخام، باستهلاك إجمالي يبلغ حوالي 9 ملايين طن في السنوات الأخيرة، ويمثلها عدد قليل من الشركات الكبرى المهيمنة على السوق والتي تتمتع بعلاقات قوية مع الموردين. وتمثل هذه الصناعة حوالي 70% من الاستهلاك العالمي لأسود الكربون، وضمن هذه الفئة، تمثل إطارات الركاب 45% من استهلاك أسود الكربون، وإطارات الشاحنات والحافلات 32%، وإطارات أخرى (مثل إطارات الطرق الوعرة، والدراجات النارية، والطائرات، وغيرها) 23%.

تُمثل منتجات المطاط غير الإطارات ثاني أكبر قطاع في استهلاك أسود الكربون، بنسبة 20% إجمالاً، أي ما يقارب 2-2.5 مليون طن سنويًا. يشمل هذا جميع تطبيقات المطاط باستثناء الإطارات والمطاط المُعاد تدويره، وهو متنوع بشكل كبير في العديد من الصناعات التي تُصنّع منتجات الأحزمة المطاطية والأسلاك والمطاط الصناعي، بالإضافة إلى صناعات أخرى تستخدم أسود الكربون في عمليات تصنيعها.

يمكن تصنيف البلاستيك والأحبار كأسواق متخصصة، وتمثل ما يقارب 10% من استهلاك CB-v، أي ما يعادل 1-1.2 مليون طن سنويًا. يتميز هذا القطاع أيضًا بتنوعه في التطبيقات النهائية المختلفة، وباختلاف درجاته وتركيباته المصممة خصيصًا لتحقيق أداء محدد. ويركز استخدام CB-v في هذا القطاع بشكل رئيسي على الصبغة أو حشو الأداء.

بينما تشير أبحاثنا إلى إمكانية استبدال ما يصل إلى 100% من أسود الكربون الخام في بعض التطبيقات (مثل ماسترباتش البلاستيك، ومنتجات التسقيف، والأحبار، إلخ)، فإن تطبيقات أخرى تُعدّ أقل استخدامًا. على سبيل المثال، يمكن استبدال ما بين 30% و50% من أسود الكربون الخام (vCB) بأسود الكربون الخام (rCB) في الجوانب الجانبية لإطارات سيارات الركاب.

وبافتراض معدل إحلال يبلغ 20%، فإننا نقدر أن الحجم السنوي لسوق ألواح rCB العالمية يمكن أن يصل إلى نحو 3.2 مليار يورو.

هذا يجعل أعمال التحلل الحراري التي تركز على إنتاج rCB مشروعًا مربحًا. وبينما يعتمد نجاح العمل على عوامل متعددة، مثل تقنية الإنتاج وجودة المنتج، تتوفر فرص سوقية واسعة لمشغلي التحلل الحراري.

لا نرى سوى إمكاناتٍ لأسود الكربون المُستعاد في سوق CB العالمي، لكننا مقتنعون أيضًا بأن هذا النمو أمرٌ حتميٌّ نظرًا للتحول السياسي المستمر للاقتصادات المتقدمة نحو التقنيات المستدامة والصديقة للبيئة. واليوم، تتاح للوافدين الجدد إلى السوق فرصةٌ فريدةٌ لتشكيل صناعة rCB وقيادتها في العقود القادمة.

هناك حاجة إلى جهود متضافرة لتعزيز إمكانات الصناعة

ومع ذلك، لتعزيز استخدام أسود الكربون المُستعاد في الصناعة وتسريع تطوير صناعة rCB، يلزم تضافر جهود جميع الجهات المعنية. تعتمد صناعة rCB بشكل كبير على اللوائح والبحوث. وتُعدّ اللوائح والبحوث ضرورية لتمكين مُشغّلي التحلل الحراري من تحقيق ناتج أكثر تجانسًا واستقرارًا، بينما يُعزز البحث العلمي دمج الصناعة في حلقة الاقتصاد الدائري.

كانت القيود التنظيمية في الصناعات الكبرى ناتجة بشكل رئيسي عن عدم توحيد معايير rCB. والخبر السار هو أن ASTM تُحرز تقدمًا في هذا الشأن، وتُنشئ معايير خاصة به. ونظرًا لأن طرق توصيف أسود الكربون التقليدية، القائمة على قياسات مستوى الهيكل ومساحة السطح، قد لا تتوافق مع أداء المطاط في منتجات أسود الكربون المُسترد، فإن ASTM ستُسهم في تحديد طرق اختبار مُحددة لـ rCB. ومع ذلك، يُعد rCB منتجًا مستدامًا من حيث الاقتصاد الدائري، ويُوفر فوائد مُختلفة في تطبيقات مُختلفة.