Pomimo ostatnich postępów technologicznych i stopniowego rozwoju koncepcji gospodarki o obiegu zamkniętym, rynki produktów pirolizy opon wciąż można uznać za dopiero raczkujące. W niniejszym artykule omawiamy istotę sadzy, omawiamy obszary zastosowań pierwotnej sadzy oraz podejmujemy próbę oszacowania potencjału odzyskanej sadzy w zastępstwie jej szkodliwego dla środowiska odpowiednika – materiału pierwotnego.

Na końcu artykułu dokonaliśmy oszacowania potencjalnej rocznej wielkości rynku odzyskanej sadzy, zakładając umiarkowany wskaźnik substytucji sadzy pierwotnej na poziomie 20%. Wskazówka: liczby sugerują, że produkcja odzyskanej sadzy jest rentownym biznesem, pełnym możliwości.

Sadza: Wprowadzenie i definicje

Tradycyjnie sadza (CB) była stosowana zarówno jako środek wzmacniający, jak i wypełniacz w oponach samochodowych. Wraz z lepszym zrozumieniem unikalnych właściwości CB jako materiału, jest ona obecnie wykorzystywana w znacznie szerszym zakresie zastosowań w szerokiej gamie produktów – oponach samochodowych, taśmach przenośnikowych, tuszach, rurach plastikowych, matach gumowych, podeszwach butów i tak dalej. Czysta sadza (CB) zawiera jedynie śladowe ilości zanieczyszczeń, a zawartość węgla jest bliska 100%.

Sadza techniczna (vCB) to materiał w postaci drobnego czarnego proszku, powstający w wyniku niepełnego spalania ciężkich produktów naftowych, takich jak smoła FCC, smoła węglowa czy smoła z krakingu etylenowego. Sadza to forma węgla parakrystalicznego, charakteryzująca się wysokim stosunkiem powierzchni do objętości, aczkolwiek niższym niż węgiel aktywny. Sadza jest najczęściej stosowana jako wypełniacz wzmacniający w produktach gumowych, zwłaszcza w oponach. Chociaż czysta guma wulkanizowana styrenowo-butadienowo ma wytrzymałość na rozciąganie nie większą niż 2 MPa i znikomą odporność na ścieranie, to dodanie 50% sadzy w stosunku wagowym do jej mieszanki poprawia jej wytrzymałość na rozciąganie i odporność na zużycie.

Węgiel drzewny (CC) lub surowy odzyskany węgiel sadzowy (surowy rCB) jest jednym z bezpośrednich produktów procesu pirolizy. Materiał ten ma niską wartość i ograniczone zastosowanie, takie jak wytwarzanie energii w piecach cementowych. W związku z tym węgiel drzewny musi być rafinowany zgodnie z wymaganiami rynku i docelowymi zastosowaniami, aby mógł być wykorzystany jako produkt techniczny w zastosowaniach o wysokiej wartości.

ASTM International – organizacja normalizacyjna wprowadzająca najważniejsze definicje produktów i materiałów, posiadająca ponad 12 800 norm ASTM obowiązujących na całym świecie – niedawno opublikowała pierwszą normę dotyczącą odzyskanej sadzy technicznej (rCB).

TenKomitet ASTM D36 ds. odzyskanej sadzy (rCB)Firma została założona w 2017 roku, aby wspierać rozwijającą się branżę rCB w zakresie jakości i bezpieczeństwa swoich produktów. Kilka podkomitetów odpowiada za opracowywanie standardów terminologii, wytycznych, praktyk i metod testowania.

Nowa norma ASTM (D8178) zaspokaja potrzebę wprowadzenia zestawu wspólnych terminów, aby wyraźnie odróżnić wartość rCB od węgla aktywnego (Carbon Char, CC). Ułatwia ona również komunikację dotyczącą właściwości rCB w proponowanych zastosowaniach. Norma D8178 podkreśla znaczenie różnic między węglem aktywnym, sadzą (zgodnie z definicją zawartą w normie ASTM D3053), surową odzyskaną sadzą a odzyskaną sadzą (rCB).

Co najważniejsze, nazwa produktu „odzyskana sadza” (rCB) powinna być stosowana wyłącznie w przypadku, gdy surowa sadza została uwolniona od metali i włókien i została zmielona, ​​co w przeciwnym razie nadaje rCB zazwyczaj półwzmacniające właściwości w gumie.

Istnieje kilka procesów rafinacji i zwiększania wartości surowego rCB (CC) w zależności od końcowych wymagań produktu. Proces ten może ograniczać się do sortowania i oddzielania materiałów obcych (metali i włókien) lub do stosowania środków chemicznych lub innych procesów w celu usunięcia niektórych składników z materiału. Rafinowany węgiel drzewny pochodzący z pirolizy opon może być oznaczony jako Odzyskana Sadza (rCB) i może być adaptowany za pomocą różnych procesów do wykorzystania w produkcji części oraz poddawany dalszej rafinacji do wykorzystania w przemyśle chemicznym jako pigment i wypełniacz w tuszach, farbach i innych materiałach.

Przetwarzanie węgla aktywnego (CC) w rCB jest złożone i wymaga kapitałochłonnych technologii. Dalsza rafinacja tego materiału znacząco poprawi właściwości węgla aktywnego, usunie bardzo dużą ilość zanieczyszczeń i przekształci go w wysokiej jakości surowiec, który może w rozsądnym stopniu odtworzyć właściwości pierwotnego węgla czarnego. W zależności od zastosowania i wymagań wydajnościowych, rCB może zastąpić od 10% do 100% vCB w różnych procesach produkcyjnych.

Świętym Graalem dla odzyskanej sadzy węglowej (rCB) ma być przemysł oponiarski. Przemysł oponiarski odpowiada za większość światowego zużycia sadzy węglowej. Jednak ze względu na ograniczenia regulacyjne, wizerunek i obawy dotyczące dostaw, przemysł oponiarski powoli zastępuje rCB o wyższej zawartości vCB lub akceptuje jego duże ilości w swojej produkcji. Obserwuje się jednak również wyraźną tendencję do akceptacji rCB wśród producentów opon. Między innymi, Michelin nabył znaczący udział w szwedzkiej firmie zajmującej się pirolizą opon i planuje budowę zakładu produkcyjnego rCB w Ameryce Południowej.

Przegląd zastosowań sadzy węglowej

Sadza techniczna dziewicza jest stosowana od dziesięcioleci jako środek wzmacniający w oponach i stała się kluczowym materiałem dla całego przemysłu gumowego. Dzięki swoim unikalnym właściwościom, sadza jest wykorzystywana w większości branż gumowych, zarówno oponiarskiej, jak i innych, a jej zastosowanie rozszerzyło się o pigmentację, stabilizację ultrafioletową (UV) oraz środki przewodzące w różnorodnych produktach codziennego użytku i specjalistycznych produktach o wysokiej wydajności. Międzynarodowe Stowarzyszenie Sadzy Technicznej (ICBA) sklasyfikowało zastosowania sadzy następująco:

• Opony i przemysłowe wyroby gumowe: Sadza jest dodawana do gumy zarówno jako wypełniacz, jak i środek wzmacniający. W różnych typach opon jest stosowana w wyściółkach wewnętrznych, karkasach, ścianach bocznych i bieżnikach, wykorzystując różne rodzaje w zależności od specyficznych wymagań eksploatacyjnych. Sadza jest również stosowana w wielu formowanych i wytłaczanych przemysłowych wyrobach gumowych, takich jak pasy, węże, uszczelki, membrany, izolatory drgań, tuleje, resory pneumatyczne, zderzaki podwozia oraz różnego rodzaju klocki, osłony, pióra wycieraczek, koła przenośników i przelotki.
• Tworzywa sztuczne: Sadza jest obecnie powszechnie stosowana do produkcji opakowań przewodzących, folii, włókien, form, rur i półprzewodzących związków kablowych w produktach takich jak worki na śmieci, torby przemysłowe, pojemniki fotograficzne, folie rolnicze, folie stretch oraz w zastosowaniach formowania termoplastycznego w przemyśle motoryzacyjnym, elektrycznym/elektronicznym, sprzęcie gospodarstwa domowego i pojemnikach formowanych rozdmuchowo.
• Związki zapobiegające wyładowaniom elektrostatycznym (ESD): Sadze są starannie zaprojektowane w celu zmiany właściwości elektrycznych z izolujących na przewodzące w produktach takich jak opakowania urządzeń elektronicznych, rozwiązania zapewniające bezpieczeństwo i części samochodowe.
• Powłoki o wysokiej wydajności: Sadze zapewniają pigmentację, przewodność i ochronę przed promieniowaniem UV w wielu zastosowaniach powłokowych, w tym w motoryzacji (podkłady, warstwy bazowe i lakiery bezbarwne), w przemyśle morskim, lotniczym, dekoracyjnym, do drewna i przemysłowym.
• Tonery i tusze drukarskie: Sadze wzbogacają formuły i zapewniają dużą elastyczność w spełnianiu konkretnych wymagań kolorystycznych.

Mimo że sadzę można stosować na wiele sposobów, różne jej rodzaje wymagają różnych jakości i właściwości.

Jakość sadzy zależy od procesu i sprzętu. Dlatego decydując się na zakup sprzętu, należy wziąć pod uwagę oczekiwaną jakość sadzy i zapotrzebowanie tych zastosowań.

Potencjał rynkowy i główne czynniki popytu na rCB

Biorąc pod uwagę, że rCB częściowo i całkowicie zastępuje vCB w różnych branżach, potencjał rynkowy rCB jest determinowany przez obecną sytuację na rynku vCB. Według różnych ekspertów branżowych i naszych szacunków, w ciągu ostatnich pięciu lat światowe zużycie vCB stale rosło i szacuje się je na 11-13 milionów ton rocznie. Stanowi to roczny rynek o wartości około 16 miliardów euro.

Najczęstszym zastosowaniem vCB są zastosowania w przemyśle gumowym i tworzyw sztucznych (ze względu na jego właściwości wypełniacza i środka wzmacniającego). Ze względu na zdolność do wzmacniania gumy jest szeroko stosowany w przemyśle oponiarskim. W innych zastosowaniach gumowych i tworzyw sztucznych jest stosowany jako wypełniacz. W tym przypadku wypełniacz jest rozcieńczalnikiem i służy głównie do obniżenia kosztów produkcji masowej. Zastosowania te odpowiadają za ponad 95% całkowitego światowego zużycia CB. Około 4% CB jest wykorzystywane jako pigmenty do farb drukarskich ze względu na jego doskonałe właściwości barwiące, a pozostała część jest wykorzystywana w innych zastosowaniach.

Wykres: Rynki zastosowań końcowych sadzy

Przemysł oponiarski jest nadal największym konsumentem pierwotnej sadzy, z całkowitym zużyciem rzędu 9 milionów ton w ostatnich latach. Reprezentuje go niewielka liczba dużych graczy, którzy dominują na rynku i mają silną pozycję u dostawców. Branża odpowiada za około 70% światowego zużycia sadzy, w tym 45% przypada na opony do samochodów osobowych, 32% na opony do samochodów ciężarowych i autobusów, a 23% na inne opony (OTR, motocyklowe, lotnicze itp.).

Wyroby gumowe inne niż opony stanowią drugi co do wielkości segment zużycia sadzy, stanowiąc 20% całości, blisko 2-2,5 miliona ton rocznie. Obejmuje to wszystkie zastosowania gumy poza oponami i bieżnikami i jest w dużym stopniu zdywersyfikowane w kilku branżach, które produkują produkty do pasów gumowych, przewodów, gumy przemysłowej i innych gałęzi przemysłu wykorzystujących sadzę w swoich procesach mieszania.

Tworzywa sztuczne i tusze można zaliczyć do rynków specjalistycznych i stanowią one blisko 10% zużycia vCB – 1-1,2 mln ton rocznie. Segment ten jest również zróżnicowany pod względem różnych zastosowań końcowych oraz różnych gatunków i niestandardowych receptur CB wymaganych do uzyskania określonych parametrów. Zastosowanie vCB w tym segmencie koncentruje się głównie na pigmentach lub wypełniaczach o wysokiej wydajności.

Podczas gdy nasze badania sugerują, że w niektórych zastosowaniach (np. w koncentratach do tworzyw sztucznych, produktach dachowych, tuszach itp.) można zastąpić nawet 100% pierwotnej sadzy, w innych zastosowaniach wskaźniki te są skromniejsze. Na przykład, w bokach opon samochodów osobowych 30–50% vCB można zastąpić rCB.

Przyjmując stopę substytucji na poziomie 20% szacujemy, że roczna wartość światowego rynku rCB może wynieść około 3,2 mld EUR.

To sprawia, że ​​działalność w zakresie pirolizy, skoncentrowana na produkcji rCB, jest rentownym przedsięwzięciem. Chociaż sukces firmy zależy od wielu czynników, takich jak technologia produkcji i jakość produktu, operatorzy pirolizy mają ogromne możliwości rynkowe.

Dostrzegamy potencjał dla odzyskanej sadzy jedynie na globalnym rynku węgla aktywnego, ale jesteśmy przekonani, że ten wzrost jest nieunikniony ze względu na ciągłe zmiany polityczne w gospodarkach rozwiniętych w kierunku zrównoważonych i przyjaznych środowisku technologii. Obecnie nowi gracze na rynku mają wyjątkową szansę, aby kształtować branżę węgla aktywnego i przewodzić jej w kolejnych dekadach.

Potrzebne są skoordynowane wysiłki w celu zwiększenia potencjału przemysłu

Jednak, aby zwiększyć wykorzystanie odzyskanej sadzy przez przemysł i przyspieszyć rozwój branży rCB, potrzebne są skoordynowane wysiłki wszystkich zainteresowanych stron. Branża rCB w dużej mierze opiera się na regulacjach i badaniach. Te ostatnie są niezbędne, aby umożliwić operatorom pirolizy osiągnięcie bardziej jednorodnej i stabilnej produkcji, podczas gdy te pierwsze sprzyjałyby włączeniu branży w obieg gospodarki o obiegu zamkniętym.

Ograniczenia regulacyjne w dużych gałęziach przemysłu wynikały głównie z braku standaryzacji rCB. Dobrą wiadomością jest to, że ASTM czyni postępy w tym zakresie i opracowuje szczegółowe normy dla rCB. Ponieważ typowe metody charakteryzacji sadzy oparte na pomiarach struktury i powierzchni mogą nie korelować z wynikami uzyskanymi w gumie w przypadku produktów z odzyskanej sadzy, ASTM będzie dążyć do opracowania szczegółowych metod badawczych dla rCB. Jednakże rCB jest produktem zrównoważonym w kontekście gospodarki o obiegu zamkniętym i zapewnia różne korzyści w różnych zastosowaniach.