Kakšna je prihodnost bioloških-ali delno bioloških-fluoropolimerov za grelne ovoje?

PTFE se proizvaja iz fluorita in petrokemičnih surovin. Ko se gonila trajnostnega razvoja začenjajo krepiti, raziskave iščejo, ali bi kateri od teh gradnikov lahko izhajal iz obnovljivih, bio-osnovanih alternativ, ki bi po možnosti prinesle fluoropolimer z nižjim ogljičnim odtisom. Fluoropolimer na biološki osnovi ali v veliki meri na biološkem izvoru je bolj- dolgoročna vizija kot takojšnja praktična realnost grelnika iz fluoropolimera na biološki osnovi, ki bo odvisna od premagovanja temeljnih tehnoloških in ekonomskih ovir v okolju hitro spreminjajoče se regulacije.

Razumevanje kemije: obnovljivi ogljik, mineral fluor
Atomi ogljika v PTFE izhajajo iz monomera tetrafluoroetilena (TFE), ki se običajno pripravi iz zemeljskega plina ali naftnih surovin s fluoriranjem kloroforma. Ta isti ogljik naj bi bil pridobljen iz obnovljivih virov, vključno z biomaso (rastlinska olja, škrob, lignin), kmetijskimi ostanki ali celo zajetim ogljikovim dioksidom (CO2) po bio-temelji poti. Toda fluor bi še vedno izviral iz izkopanega fluorita (kalcijev fluorid), ker ni razširljivega bio-vira elementarnega fluora.

Polimer na biološki-osnovi je kemično identičen svojemu ekvivalentu-iz fosilov. Če bi bil končni PTFE plašč na industrijskem grelniku izdelan iz bio-TFE, bi se obnašal enako glede tališča (327 stopinj), kemične odpornosti, toplotne stabilnosti in mehanskih lastnosti. Ogljikov-fluorov skelet PTFE je zelo stabilen in ni biorazgradljiv v okolju. Kadar se pred PTFE uporablja bio, to običajno pomeni drugačno polimerno strukturo, ki je lahko biološko razgradljiva.

Predhodna dela in nastajajoči trendi
Prizadevanje za trajnostne rešitve fluoropolimerov se je razširilo na več ločenih raziskovalnih poti, vendar nobena od teh rešitev še ni bila komercialno uporabljena v grelnih ovojih.

Bio{0}}prekurzorji za PTFE
V teku so prizadevanja za identifikacijo bioloških-prekurzorjev za proizvodnjo TFE, da bi zmanjšali odvisnost od-fosilnih surovin. Težava je v kemični pretvorbi: biološke surovine je treba predelati v čisti TFE z več-stopenjskimi metodami, ki so trenutno veliko manj učinkovite od uveljavljenih petrokemičnih procesov. Toda največja ovira ostaja ekonomska upravičenost.

Drugi fluoropolimeri na biološki- osnovi
Več raziskovalnih skupin in-ustanov dela na fluoropolimerih z zmanjšano koncentracijo fluora ali na povsem novih kemikalijah. BioHalo je dansko zagonsko podjetje, ki razvija energetsko učinkovito platformo za proizvodnjo bio-fluoriranih polimerov z uporabo obnovljivih virov ogljika in odpadnih materialov. Njihov biološko razgradljiv polimer (F-PHB) je vodoodbojen-kot PTFE, vendar s 60 % manj-emisijami toplogrednih plinov. Vendar so to strukturne alternative, ne padec{9}}nadomestkov za PTFE in njihova uporabnost pri visoko{10}}temperaturnem delovanju grelnega ovoja – kjer sta pomembni toplotna stabilnost in kemična odpornost – zahteva obsežno validacijo.

Krožni in reciklirani fluoropolimeri
Podoben trend je razvoj pristopov krožnega gospodarstva namesto bio{0}}surovin. Syensqo je napovedal ustvarjanje prvega certificiranega krožnega portfelja fluoroelastomerov (FKM, FFKM) in mazalnih tekočin v industriji s kar 29 % post-industrijsko reciklirane fluorovodikove kisline prek mehanizma masne bilance. Sistem z zaprto zanko zmanjšuje potrebo po svežem fluoritu z pridobivanjem fluora iz odpadnega materiala. Podobno je Arkema lansirala obnovljive vrste PVDF-Kynar CTO-, ki vsebujejo 100 % obnovljivega pripisanega ogljika iz surovega talovega olja, stranskega-produkta pri proizvodnji lesne celuloze. Ti razredi PVDF so kemično enakovredni standardnemu PVDF in zmanjšajo vpliv podnebnih sprememb za približno 20 %. PVDF ni neposredna zamenjava za PTFE pri vseh aplikacijah ovoja grelnikov, vendar njegovi obnovljivi razredi kažejo, da fluoropolimeri z nižjim fosilno-ogljičnim odtisom zdaj vstopajo v specializirane sektorje, zlasti v litij-ionske baterije.

Alternative fluoropolimera
Nekatere študije se osredotočajo na materiale brez-fluora ali nizko-fluora, ki posnemajo ugodne lastnosti PTFE. Cargillov dodatek Incroflo P50 z vsebnostjo 86% bio-osnove je alternativa za fluoropolimerne procesne pripomočke pri ekstruziji poliolefinov. Ta razvoj ni za grelne ovoje, vendar kaže, da se trg pod regulativnim pritiskom odmika od starih fluoriranih dodatkov.

Tržno in regulativno okolje
Naglica k fluoropolimerom na biološki- osnovi ne prihaja od nikoder. Širši fluorokemični sektor je podvržen strukturnim spremembam, ki jih poganja regulativni pritisk na per- in polifluoroalkilne snovi (PFAS) v EU in Severni Ameriki. 3M je na primer napovedal, da bo do konca leta 2025 v celoti prenehal proizvajati PFAS. Velikost trga bio-osnovanih fluorokemičnih alternativ je bila leta 2026 ocenjena na 1,0 milijarde USD in naj bi leta 2036 dosegla 3,9 milijarde USD, pri čemer se bo v predvidenem obdobju povečala s CAGR 14,6%.

Vendar ključna trajnostna težava za industrijske PTFE grelne ovoje ni pravna omejitev – PTFE sam je polimer in ne malo{0}}verižni PFAS in na splošno ni tarča prepovedi PFAS – ampak ogljični odtis fosilno-izvedenega monomera TFE. Ta odtis bi bil nižji z bio{3}}virom ogljika, v skladu z neto-neobljubami strank.

Tehnični izzivi: Zakaj je napredek počasen
PTFE na biološki- osnovi je še vedno na obzorju. Pri komercializaciji se soočajo številne resne težave:

Sintetična zapletenost: polimer-TFE iz biomase ali CO2 potrebuje številne kemične procese pri visoki-temperaturi in visokem{3}}tlaku. Trenutne sintetične biološke poti za fluorirane kemikalije so v zgodnjih fazah raziskav in nobena metoda za TFE ni bila vzpostavljena v industrijskem obsegu.

Ekonomska upravičenost: bio{0}}osnovane surovine so običajno dražje od petrokemičnih izdelkov glede na ogljik. Grelni plašč iz PTFE na biološki- osnovi bo verjetno pritegnil precejšnjo stroškovno premijo, ki je končni-uporabniki v cenovno-industrijah morda niso pripravljeni plačati.

Vir fluora: Tudi če je del ogljika obnovljiv, je fluor še vedno izkopan fluorit. Celoten okoljski odtis je sestavljen iz emisij ogljika pri predelavi, rudarjenju fluorita in proizvodnji fluorovodikove kisline.

Obseg in čistost: PTFE, ki se uporablja za grelne ovoje, mora biti visoke čistosti, da lahko prenaša močne kemikalije in termične cikle. Sinteza na biološki- osnovi lahko povzroči onesnaževala, ki bi lahko vplivala na učinkovitost in zahtevajo temeljito čiščenje, kar poveča stroške.

Vpliv na grelne cevi v industrijskih pečeh
Za trg industrijskega ogrevanja trenutno niso na voljo nobeni ovoji iz fluoropolimerov na osnovi bio-(PTFE{1}}potopnih grelnikov, izmenjevalnikov toplote, korozijsko-odpornih delov). Oprema za kemične procese ima obsežne nadomestne cikle in stroge zahteve glede zmogljivosti, kar predstavlja visoko oviro za zamenjavo materiala. PTFE na biološki osnovi, ki je kemično enakovreden običajnemu PTFE, ne bi zahteval ponovne kvalifikacije, vendar tak izdelek ni na voljo v komercialnem obsegu.

Za alternativne bio-fluoropolimere z različnimi kemijskimi strukturami bi bilo potrebno obsežno testiranje kemične odpornosti, toplotne stabilnosti, mehanske celovitosti in dolgo-staranja v procesnih pogojih – več-letni postopek kvalifikacije, ki ga dobavitelji trenutno ne morejo upravičiti glede na negotovo povpraševanje.

Kratkoročne okoljske koristi: Učinkovitost proizvodnje
Surovine-na biološki osnovi bodo verjetneje zagotavljale dolgoročne okoljske prednosti-kot povečanje učinkovitosti industrije. Pomembna področja napredka so:

Odprava fluoropovršinsko aktivnih snovi: Solvay in drugi proizvajalci fluoropolimerov so se zavezali, da bodo postopoma opustili uporabo fluoropovršinsko aktivnih snovi (PFOA in njenih nadomestkov) pri proizvodnji polimerov, s čimer bodo zmanjšali izpuste v okolje.

Recikliranje in recikliranje: potekajo raziskave za razvoj pristopov upravljanja ob koncu--življenjske dobe PTFE, vključno z recikliranjem ostankov PTFE v mikroprah za uporabo v drugih aplikacijah.

Manjša poraba energije: Z optimizacijo procesov pri polimerizaciji TFE in sintranju PTFE je mogoče zmanjšati ogljični odtis na kilogram proizvedenega polimera.

Pristopi-masnega ravnovesja: Sistemi obračunavanja obnovljivega ogljika, kot jih uporablja Arkema za PVDF, zagotavljajo ekonomsko sprejemljiva sredstva za zmanjšanje odvisnosti od fosilnega ogljika brez spreminjanja kemije polimerov. • Certificiranje-masne bilance za PTFE je vprašanje, ki ostaja brez odgovora.

Zmanjšujejo vpliv na okolje, ne da bi potrebovali večji premik v polimerni kemiji ali proizvodni infrastrukturi.

Obeti v prihodnost – oddaljena, a resnična meja
Bio{0}}osnovani fluoropolimeri za grelne ovoje so zanimiva, a oddaljena meja za trajnostne materiale v industrijskem ogrevanju. Ključno gonilo je ločiti proizvodnjo polimerov od fosilnih goriv, ​​pri čemer se obravnava ogljični odtis materiala, ne njegova kemična odpornost, ki ostane nespremenjena. Iste lastnosti, zaradi katerih je PTFE tako pomemben pri korozivnih kemičnih storitvah – njegova izjemna vzdržljivost in inertnost – prav tako otežujejo sintezo analogov na biološki- osnovi.

Tehnično je PTFE na biološki osnovi z nižjim ogljičnim odtisom dosegljiv; obstaja več načinov pridobivanja obnovljivega ogljika. Vendar nobeden ni dosegel komercialnega obsega. Izziv je ekonomska upravičenost: PTFE na-osnovi fosilov je poceni in kupci morajo biti pripravljeni plačati več za alternativo z nižjo-ogljikom. Regulativne zahteve verjetno ne bodo vodilo za prehod, saj omejitve PFAS ne veljajo za PTFE. Čeprav se bo tržna potreba po izdelkih za trajnostno ogrevanje verjetno povečala, so industrijski kupci bolj zaskrbljeni zaradi delovanja in stroškov izdelka kot okoljskih lastnosti, kadar sta oba v nasprotju.

Najverjetnejši razvoj v srednji prihodnosti (5-10 let) je:

obnovljiva ogljikova masa-uravnavanje PTFE: Po zgledu Arkeme za PVDF je ponudba PTFE lahko narejena s-certificiranimi tretjimi stranmi (npr. ISCC PLUS) trajnostnimi surovinami ogljika, ki so kemično enakovredne običajnemu PTFE. Takšni izdelki bi bili dražji, vendar bi jih lahko-nadomestili brez prekvalifikacije.

KROŽNO PRIDOBIVANJE FLUORA - Razširjena uporaba pridobljene fluorovodikove kisline za proizvodnjo fluoropolimerov, kot dokazuje Syensko, kar zmanjšuje odvisnost od čistega fluorita.

Nadomestki z malo-fluora ali-brez fluora za manj zahtevne aplikacije: za ne-kritične aplikacije je mogoče PTFE postopoma nadomestiti s polimeri na biološki- osnovi s površinskimi lastnostmi-podobnimi PTFE, vendar bo korozivna kemična uporaba pri visokih-temperaturah v bližnji prihodnosti ostala domena običajnih fluoropolimerov.

Na področju industrijskih grelnih ovojov za korozivne kemične storitve bo tradicionalni PTFE standard še mnogo let. Napredek pri fluoropolimernem PTFE grelniku na biološki- osnovi bo postopen. Okoljski odtisi se bodo zmanjšali z-masnim ravnovesjem obnovljivega ogljika, krožnim pridobivanjem fluora in povečanjem proizvodne učinkovitosti, brez potrebe po novih polimernih kemikalijah. PTFE, ki je v celoti biološko pridobljen iz biomase ali CO2, je dolgoročen-raziskovalni cilj in ne kratkoročni-komercialni izdelek. Proizvajalci in končni-uporabniki bi morali paziti na pilotni-napredek in-sisteme certificiranja masnega ravnotežja kot najbolj realistične kratkoročne-pristope k-ogljičnim fluoropolimernim grelnim blagom.