با وجود پیشرفت‌های اخیر فناوری و توسعه تدریجی مفاهیم اقتصاد چرخشی، بازار محصولات پیرولیز تایر هنوز نوپا است. در این مقاله، مقدمه‌ای بر چیستی کربن سیاه ارائه می‌دهیم، زمینه‌های کاربرد کربن سیاه بکر را شرح می‌دهیم و پتانسیل کربن سیاه بازیابی شده را برای جایگزینی با همتای آسیب‌رسان به محیط زیست خود - مواد بکر - تخمین می‌زنیم.

در پایان این مقاله، با فرض نرخ جایگزینی کربن سیاه بکر به میزان 20 درصد، تخمینی از اندازه بازار سالانه احتمالی کربن سیاه بازیابی شده ارائه می‌دهیم. نکته: اعداد نشان می‌دهند که تولید کربن سیاه بازیابی شده، یک تجارت سودآور و سرشار از فرصت‌ها است.

کربن سیاه: مقدمه و تعاریف

به طور سنتی، کربن بلک (CB) هم به عنوان عامل تقویت کننده و هم به عنوان پرکننده در لاستیک خودرو استفاده می‌شده است. در کنار درک بهتر خواص منحصر به فرد CB به عنوان یک ماده، در حال حاضر در طیف بسیار وسیع‌تری از کاربردها در طیف وسیعی از محصولات - لاستیک خودرو، تسمه نقاله، جوهر، لوله‌های پلاستیکی، تشک‌های لاستیکی، کف کفش و غیره - استفاده می‌شود. CB ویرجین تنها حاوی مقادیر کمی ناخالصی است و میزان کربن آن بسیار نزدیک به ۱۰۰٪ است.

کربن سیاه خالص (vCB) ماده‌ای به شکل پودر سیاه ریز است که از احتراق ناقص فرآورده‌های نفتی سنگین مانند قیر FCC، قیر زغال سنگ یا قیر کراکینگ اتیلن تولید می‌شود. کربن سیاه شکلی از کربن پاراکریستالی است که نسبت سطح به حجم بالایی دارد، البته کمتر از کربن فعال. بیشترین حجم استفاده از کربن سیاه به عنوان پرکننده تقویت‌کننده در محصولات لاستیکی، به ویژه تایرها است. در حالی که ولکانیزاسیون صمغ خالص استایرن-بوتادین دارای مقاومت کششی بیش از 2 مگاپاسکال و مقاومت سایشی ناچیزی است، ترکیب آن با 50٪ وزنی کربن سیاه، مقاومت کششی و مقاومت سایشی آن را بهبود می‌بخشد.

زغال کربنی (CC) یا کربن سیاه بازیافتی خام (rCB خام) یکی از محصولات فوری فرآیند پیرولیز است. این ماده ارزش کمی دارد و کاربردهای محدودی مانند تولید انرژی در کوره‌های سیمان دارد. بنابراین، زغال کربنی باید مطابق با الزامات بازارها و کاربردهای نهایی تصفیه شود تا به عنوان یک محصول فنی در کاربردهای با ارزش بالا مورد استفاده قرار گیرد.

ASTM International - یک نهاد استانداردسازی که تعاریف کلیدی محصولات و مواد را با بیش از ۱۲۸۰۰ استاندارد ASTM در سراسر جهان ارائه می‌دهد - اخیراً اولین استاندارد مربوط به کربن سیاه بازیافتی (rCB) را منتشر کرده است.

کمیته ASTM D36 در مورد کربن سیاه بازیافتی (rCB)در سال ۲۰۱۷ برای حمایت از صنعت نوظهور rCB در رابطه با کیفیت و ایمنی محصولاتشان تأسیس شد. چندین کمیته فرعی مسئول تدوین استانداردهای اصطلاحات، راهنمایی‌ها، شیوه‌ها و روش‌های آزمایش هستند.

استاندارد جدید ASTM (D8178) نیاز به مجموعه‌ای از اصطلاحات رایج برای تمایز واضح مقدار rCB از کربن سیاه (CC) را برآورده می‌کند. در غیر این صورت، ارتباط در مورد عملکرد rCB را در کاربردهای پیشنهادی تسهیل می‌کند. D8178 اهمیت تفاوت‌های بین چار، کربن سیاه (مطابق تعریف شده توسط استاندارد ASTM D3053)، کربن سیاه بازیافتی خام و کربن سیاه بازیافتی (rCB) را تشریح می‌کند.

از همه مهم‌تر، نام محصول «کربن سیاه بازیافتی» (rCB) فقط در صورتی باید به کار رود که کربن سیاه خام از فلزات و الیاف آزاد شده و آسیاب شده باشد، که در غیر این صورت معمولاً خواص نیمه تقویت‌کننده‌ای به rCB در لاستیک می‌دهد.

فرآیندهای متعددی برای تصفیه و افزودن ارزش به rCB خام (CC) مطابق با الزامات نهایی محصول وجود دارد. این امر می‌تواند به غربالگری اندازه و جداسازی مواد خارجی (فلزات و الیاف) یا استفاده از مواد شیمیایی یا سایر فرآیندها برای حذف اجزای خاص درون ماده محدود شود. زغال کربن تصفیه شده حاصل از پیرولیز تایر را می‌توان به عنوان کربن سیاه بازیافتی (rCB) نامگذاری کرد و می‌توان آن را با فرآیندهای مختلفی برای استفاده در ساخت قطعات تطبیق داد و برای استفاده در صنایع شیمیایی به عنوان رنگدانه و پرکننده در جوهر و رنگ و سایر مواد، تصفیه بیشتر کرد.

فرآوری پس از تولید کربن سیاه (CC) و تبدیل آن به rCB پیچیده است و به فناوری‌های سرمایه‌بر نیاز دارد. پالایش بیشتر این ماده، خواص زغال کربن را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد، بخش بسیار زیادی از مواد خارجی را حذف می‌کند و آن را به کالایی با ارزش بالا تبدیل می‌کند که می‌تواند تا حد معقولی خواص کربن سیاه بکر را تکرار کند. بسته به کاربرد و الزامات عملکرد، rCB می‌تواند بین 10 تا 100 درصد vCB را در فرآیندهای مختلف تولید جایگزین کند.

کاربرد نهایی کربن سیاه بازیافتی (rCB) قرار است توسط صنعت تولید تایر مورد استفاده قرار گیرد. صنعت تایر بیشترین مصرف کربن سیاه در سراسر جهان را به خود اختصاص می‌دهد. با این حال، صنعت تایر به دلیل محدودیت‌های نظارتی، تصویر ذهنی و نگرانی‌های مربوط به عرضه، در جایگزینی مقادیر بالاتر vCB با rCB یا پذیرش مقادیر زیاد در تولید خود کند عمل می‌کند. اما روند مشخصی به سمت پذیرش rCB در بین تولیدکنندگان تایر نیز وجود دارد. در میان سایر تولیدکنندگان، میشلن سهام قابل توجهی در یک شرکت پیرولیز تایر سوئدی به دست آورده و در حال برنامه‌ریزی برای راه‌اندازی کارخانه تولید rCB در آمریکای جنوبی است.

مروری بر کاربردهای کربن سیاه

کربن سیاه خالص (Wirgin Carbon Black) دهه‌هاست که به عنوان یک عامل تقویت‌کننده در لاستیک‌ها استفاده می‌شود و به یک ماده کلیدی برای کل صنعت لاستیک تبدیل شده است. به لطف خواص منحصر به فردش، کربن سیاه در اکثر صنایع لاستیک تایر و غیر تایر استفاده می‌شود و کاربرد آن به رنگدانه‌سازی، تثبیت اشعه ماوراء بنفش (UV) و عوامل رسانا در انواع محصولات روزمره و تخصصی با کارایی بالا گسترش یافته است. انجمن بین‌المللی کربن سیاه (ICBA) کاربردهای کربن سیاه را به شرح زیر طبقه‌بندی کرده است:

• لاستیک و محصولات لاستیکی صنعتی: کربن سیاه هم به عنوان پرکننده و هم به عنوان عامل تقویت کننده یا استحکام دهنده به لاستیک اضافه می‌شود. برای انواع مختلف لاستیک، از آن در آسترهای داخلی، بدنه، دیواره‌های جانبی و آج‌ها با استفاده از انواع مختلف بر اساس الزامات عملکرد خاص استفاده می‌شود. کربن سیاه همچنین در بسیاری از محصولات لاستیکی صنعتی قالب‌گیری شده و اکسترود شده مانند تسمه‌ها، شیلنگ‌ها، واشرها، دیافراگم‌ها، عایق‌های ارتعاشی، بوش‌ها، فنرهای بادی، ضربه‌گیرهای شاسی و انواع مختلف لنت‌ها، چکمه‌ها، تیغه‌های برف پاک کن، چرخ‌های نقاله و حلقه‌های لاستیکی استفاده می‌شود.
• پلاستیک‌ها: کربن سیاه اکنون به طور گسترده برای بسته‌بندی‌های رسانا، فیلم‌ها، الیاف، قالب‌گیری‌ها، لوله‌ها و ترکیبات کابل نیمه رسانا در محصولاتی مانند کیسه‌های زباله، کیسه‌های صنعتی، ظروف عکاسی، فیلم مالچ کشاورزی، روکش کششی و کاربردهای قالب‌گیری ترموپلاستیک برای خودرو، لوازم الکتریکی/الکترونیک، لوازم خانگی و ظروف قالب‌گیری دمشی استفاده می‌شود.
• ترکیبات تخلیه الکترواستاتیک (ESD): کربن سیاه با دقت طراحی شده است تا ویژگی‌های الکتریکی را از عایق به رسانا در محصولاتی مانند بسته‌بندی لوازم الکترونیکی، کاربردهای ایمنی و قطعات خودرو تبدیل کند.
• پوشش‌های با کارایی بالا: کربن سیاه، رنگدانه، رسانایی و محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش را برای چندین کاربرد پوشش از جمله خودرو (روکش‌های پایه پرایمر و شفاف‌کننده‌ها)، دریایی، هوافضا، تزئینی، چوب و پوشش‌های صنعتی فراهم می‌کند.
• تونرها و جوهرهای چاپ: کربن سیاه فرمولاسیون‌ها را بهبود می‌بخشد و انعطاف‌پذیری گسترده‌ای را در برآورده کردن نیازهای خاص رنگ ارائه می‌دهد.

اگرچه کاربردهای زیادی برای کربن سیاه وجود دارد، اما کاربردهای مختلف به کیفیت‌ها و خواص مختلف کربن سیاه نیاز دارند.

کیفیت کربن سیاه به فرآیند و تجهیزات بستگی دارد. بنابراین، هنگام تصمیم‌گیری در مورد خرید تجهیزات، کیفیت مطلوب کربن سیاه و تقاضای این کاربردها باید در نظر گرفته شود.

پتانسیل بازار و محرک‌های اصلی تقاضای rCB

با توجه به اینکه rCB جایگزین جزئی و کامل vCB در صنایع مختلف است، پتانسیل بازار rCB توسط بازارهای فعلی vCB تعیین می‌شود. طبق گفته کارشناسان مختلف صنعت و برآوردهای ما، طی پنج سال گذشته مصرف جهانی vCB به طور مداوم افزایش یافته و در محدوده 11 تا 13 میلیون تن در سال تخمین زده می‌شود. این نشان دهنده یک بازار کل سالانه نزدیک به 16 میلیارد یورو است.

رایج‌ترین کاربرد vCB در کاربردهای لاستیک و پلاستیک است (به دلیل خواص آن به عنوان پرکننده و تقویت‌کننده). به دلیل توانایی آن در تقویت لاستیک، به طور گسترده در صنعت تولید تایر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در سایر کاربردهای لاستیک و پلاستیک، از آن به عنوان پرکننده استفاده می‌شود. در این مورد، پرکننده یک عامل رقیق‌کننده است و در درجه اول برای کاهش هزینه‌های حجمی استفاده می‌شود. این کاربردها بیش از 95٪ از کل مصرف جهانی CB را تشکیل می‌دهند. حدود 4٪ از CB به دلیل خواص رنگی عالی آن به عنوان رنگدانه‌های جوهر استفاده می‌شود و بخش باقی‌مانده در سایر کاربردها استفاده می‌شود.

نمودار: بازارهای مصرف نهایی کربن سیاه

صنعت تایر هنوز بزرگترین مصرف‌کننده کربن سیاه خالص است و مصرف کلی آن در سال‌های اخیر در محدوده ۹ میلیون تن بوده است. این صنعت توسط تعداد کمی از بازیگران بزرگ که بر بازار تسلط دارند و از نفوذ بالایی در بین تامین‌کنندگان برخوردارند، نمایندگی می‌شود. این صنعت تقریباً ۷۰٪ از مصرف جهانی کربن سیاه را به خود اختصاص می‌دهد. در این دسته، تایرهای سواری ۴۵٪، تایرهای کامیون و اتوبوس ۳۲٪ و سایر تایرها (OTR، موتورسیکلت، هواپیما و غیره) ۲۳٪ از مصرف کربن سیاه را به خود اختصاص می‌دهند.

محصولات لاستیکی غیر از تایر، دومین بخش بزرگ در مصرف کربن سیاه را تشکیل می‌دهند، که در مجموع ۲۰٪ است و نزدیک به ۲ تا ۲.۵ میلیون تن در سال مصرف دارد. این شامل تمام کاربردهای لاستیکی به جز تایر و روکش‌های جدید می‌شود و تا حد زیادی در صنایع مختلفی که محصولاتی برای تسمه‌های لاستیکی، سیم‌ها، لاستیک‌های صنعتی و سایر صنایعی که از کربن سیاه در فعالیت‌های ترکیبی خود استفاده می‌کنند، تولید می‌کنند، متنوع است.

پلاستیک‌ها و جوهرها را می‌توان به عنوان بازارهای تخصصی طبقه‌بندی کرد و نزدیک به 10٪ از مصرف vCB - 1-1.2 میلیون تن در سال - را نشان می‌دهند. این بخش همچنین در کاربردهای نهایی مختلف و گریدهای مختلف و فرمولاسیون‌های سفارشی CB مورد نیاز برای دستیابی به عملکردهای خاص، متنوع است. استفاده از vCB در این بخش عمدتاً به عنوان یک رنگدانه یا پرکننده عملکردی متمرکز است.

در حالی که تحقیقات ما نشان می‌دهد که تا ۱۰۰٪ کربن سیاه خالص را می‌توان در برخی کاربردها (مثلاً مستربچ پلاستیک، محصولات سقف، جوهر و غیره) جایگزین کرد، سایر کاربردها اعداد کمتری دارند. به عنوان مثال، ۳۰٪ تا ۵۰٪ از vCB را می‌توان با rCB در دیواره‌های تایر خودروهای سواری جایگزین کرد.

با فرض نرخ جایگزینی ۲۰٪، تخمین می‌زنیم که حجم سالانه بازار جهانی rCB می‌تواند حدود ۳.۲ میلیارد یورو باشد.

این امر، کسب و کار پیرولیز متمرکز بر تولید rCB را به یک سرمایه‌گذاری سودآور تبدیل می‌کند. در حالی که موفقیت این کسب و کار به عوامل متعددی مانند فناوری تولید و کیفیت خروجی بستگی دارد، فرصت‌های بازار گسترده‌ای برای اپراتورهای پیرولیز در دسترس است.

ما فقط پتانسیل کربن سیاه بازیافتی را در بازار جهانی CB می‌بینیم، اما همچنین متقاعد شده‌ایم که این رشد به دلیل تغییر مداوم سیاسی اقتصادهای توسعه‌یافته به سمت فناوری‌های پایدار و سازگار با محیط زیست اجتناب‌ناپذیر است. امروزه، تازه‌واردان به بازار فرصت بی‌نظیری برای شکل‌دهی به صنعت rCB و رهبری آن در دهه‌های آینده دارند.

تلاش‌های هماهنگ برای افزایش پتانسیل صنعت ضروری است

با این حال، برای افزایش استفاده از کربن سیاه بازیابی شده توسط صنعت و سرعت بخشیدن به توسعه صنعت rCB، تلاش‌های هماهنگ همه ذینفعان مورد نیاز است. صنعت rCB تا حد زیادی به مقررات و تحقیقات متکی است. مورد دوم برای فعال کردن اپراتورهای پیرولیز جهت ایجاد خروجی همگن‌تر و پایدارتر مورد نیاز است، در حالی که مورد اول گنجاندن صنعت در حلقه اقتصاد چرخشی را تقویت می‌کند.

محدودیت‌های نظارتی در صنایع بزرگ عمدتاً ناشی از عدم استانداردسازی rCB بود. خبر خوب این است که ASTM در این زمینه در حال پیشرفت است و در حال ایجاد استانداردهای خاصی برای rCB است. از آنجایی که روش‌های معمول توصیف کربن سیاه مبتنی بر اندازه‌گیری‌های سطح و ساختار ممکن است با عملکرد درون لاستیک در شرایط برابر برای محصولات کربن سیاه بازیابی شده همبستگی نداشته باشند، ASTM شناسایی روش‌های آزمایش خاص برای rCB را هدایت خواهد کرد. با این حال، rCB از نظر اقتصاد چرخشی یک محصول پایدار است و مزایای مختلفی را در کاربردهای مختلف ارائه می‌دهد.