آینده فلوئوروپلیمرهای مبتنی بر بیو یا تا حدی زیستی-برای غلاف های بخاری چیست؟

PTFE از مواد اولیه فلورسپار و پتروشیمی تولید می شود. همانطور که محرک‌های پایداری شروع به افزایش می‌کنند، تحقیقات به دنبال این است که ببیند آیا هر یک از این بلوک‌های ساختمانی ممکن است از جایگزین‌های مبتنی بر زیست{1} تجدیدپذیر مشتق شده باشند، که احتمالاً فلوروپلیمری با ردپای کربن پایین‌تر تولید می‌کنند." فلوروپلیمر مبتنی بر زیست-یا عمدتاً زیستی{4}}بیشتر یک دیدگاه-دراز مدت است تا یک واقعیت عملی فوری.

درک شیمی: کربن تجدید پذیر، فلوئور معدنی
اتم‌های کربن موجود در PTFE از مونومر تترا فلوئورواتیلن (TFE) مشتق شده‌اند که معمولاً از گاز طبیعی یا مواد خام نفتی از طریق فلوئوراسیون کلروفرم تهیه می‌شود. همان کربن از انرژی‌های تجدیدپذیر از جمله زیست توده (روغن‌های گیاهی، نشاسته، لیگنین)، باقیمانده‌های کشاورزی یا حتی دی‌اکسید کربن جذب شده (CO2) از طریق یک مسیر مبتنی بر زیست{2}}در نظر گرفته شده است. اما فلوئور همچنان از فلورسپار استخراج شده (فلوراید کلسیم) منشاء می‌گیرد زیرا هیچ منبع زیستی مقیاس‌پذیر{4}} فلوئور عنصری وجود ندارد.

یک پلیمر مبتنی بر زیست-از نظر شیمیایی با معادل مشتق شده از فسیل-ش یکسان است. اگر غلاف نهایی PTFE روی یک بخاری صنعتی از TFE با منبع زیستی- ساخته شده باشد، از نظر نقطه ذوب (327 درجه)، مقاومت شیمیایی، پایداری حرارتی و کیفیت های مکانیکی به همان شیوه عمل می کند. ستون فقرات کربن-فلورین PTFE بسیار پایدار است و در محیط زیست تجزیه پذیر نیست. هنگامی که بیو در مقابل PTFE استفاده می شود، معمولاً به معنای ساختار پلیمری متفاوتی است که ممکن است زیست تخریب پذیر باشد.

کار مقدماتی و روندهای در حال ظهور
جست‌وجوی محلول‌های فلوروپلیمری پایدار به چندین روش تحقیقاتی جداگانه گسترش یافته است، با این حال هیچ یک از این راه‌حل‌ها هنوز به صورت تجاری در غلاف‌های بخاری استفاده نشده‌اند.

بیو{0}}پیش سازهای مبتنی بر PTFE
تلاش‌ها برای شناسایی پیش‌سازهای زیستی-برای تولید TFE برای کاهش اتکا به مواد اولیه{1}}فسیلی ادامه دارد. مشکل در تبدیل شیمیایی نهفته است: مواد اولیه بیولوژیکی باید به روش‌های چند مرحله‌ای به TFE خالص تبدیل شوند که در حال حاضر بسیار کمتر از فرآیندهای پتروشیمی شناخته شده هستند. اما بزرگترین مانع، ماندگاری اقتصادی است.

سایر فلوئوروپلیمرهای مبتنی بر زیست{0}}
چندین گروه تحقیقاتی و شروع{0}در حال کار بر روی فلوروپلیمرهایی با غلظت فلوئور کاهش یافته یا روی مواد شیمیایی کاملاً جدید هستند. BioHalo یک استارت‌آپ دانمارکی است که یک پلتفرم کارآمد انرژی برای تولید پلیمرهای فلوئوردار مبتنی بر زیستی با استفاده از منابع کربن تجدیدپذیر و مواد زائد توسعه می‌دهد. پلیمر زیست تخریب پذیر آنها (F{4}}PHB) به اندازه PTFE دافع آب است اما با انتشار گازهای گلخانه ای 60٪ کمتر است. اما اینها جایگزین‌های ساختاری هستند، نه کاهش-جایگزینی برای PTFE و کاربرد آنها در عملکرد غلاف گرمکن در دمای بالا - جایی که پایداری حرارتی و مقاومت شیمیایی مهم است - نیاز به اعتبارسنجی گسترده دارد.

فلوروپلیمرهای دایره ای و بازیافتی
یک روند مشابه، توسعه رویکردهای اقتصاد دایره ای به جای منابع اولیه{0}}بیولوژیکی است. Syensqo ایجاد اولین نمونه کار تایید شده دایره ای از فلوئوروالاستومرها (FKM, FFKM) و سیالات روان کننده با 29% اسید هیدروفلوئوریک بازیافت شده صنعتی را از طریق مکانیسم تعادل جرم اعلام کرده است. سیستم حلقه بسته با بازیابی فلوئور از مواد زائد، نیاز به فلورسپار تازه را به حداقل می رساند. به همین ترتیب، Arkema گریدهای تجدیدپذیر PVDF-Kynar CTO-حاوی 100٪ کربن منتسب شده تجدیدپذیر از نفت خام، محصول جانبی-تولید خمیر چوب را راه اندازی کرده است. این گریدهای PVDF از نظر شیمیایی معادل PVDF استاندارد هستند و تأثیر تغییر اقلیم را حدود 20٪ کاهش می دهند. PVDF جایگزین مستقیم PTFE در همه کاربردهای روکش بخاری نیست، اما درجه‌های تجدیدپذیر آن نشان می‌دهد که فلوروپلیمرهایی با ردپای کربن فسیلی کمتر، اکنون وارد بخش‌های تخصصی، به‌ویژه باتری‌های لیتیوم{14}یونی شده‌اند.

جایگزین های فلوروپلیمر
برخی از این مطالعه بر روی مواد-بدون فلوئور یا کم-فلوئور تمرکز دارد که ویژگی‌های مطلوب PTFE را تقلید می‌کنند. افزودنی Incroflo P50 کارگیل، با محتوای 86% زیستی-، جایگزینی برای کمک به فرآیند فلوروپلیمر در اکستروژن پلی الفین است. این پیشرفت برای غلاف بخاری نیست، اما نشان می‌دهد که بازار تحت فشار نظارتی از افزودنی‌های فلوئوردار قدیمی دور می‌شود.

بازار و محیط نظارتی
هجوم به سوی -فلوروپلیمرهای مبتنی بر بیولوژیک به هیچ وجه انجام نمی شود. بخش وسیع‌تر فلوئوروشیمیایی در اتحادیه اروپا و آمریکای شمالی تحت تأثیر فشار نظارتی بر هر- و مواد پلی فلوروآلکیل (PFAS) در حال تغییر ساختاری است. به عنوان مثال، 3M اعلام کرده است که تا پایان سال 2025 تولید PFAS را به طور کامل متوقف خواهد کرد. اندازه بازار جایگزین‌های فلوروشیمیایی مبتنی بر بیولوژیک 1.0 میلیارد دلار در سال 2026 ارزیابی شد و انتظار می‌رود که در سال 2036 به 3.9 میلیارد دلار برسد که با CAGR 14.6 درصد در دوره پیش‌بینی رشد می‌کند.

با این حال، مشکل اصلی پایداری غلاف های بخاری PTFE صنعتی محدودیت قانونی نیست - PTFE خود یک پلیمر است و یک PFAS زنجیره ای کوچک نیست و عموماً هدف ممنوعیت PFAS نیست - بلکه ردپای کربن مونومر TFE حاصل از فسیل-است. این ردپای با یک منبع کربن زیستی-بر اساس تعهدات خالص مشتری کمتر خواهد بود.

چالش های فنی: چرا پیشرفت کند است؟
PTFE مبتنی بر زیست-هنوز در افق است. تعدادی از مشکلات جدی پیش روی تجاری سازی وجود دارد:

پیچیدگی مصنوعی: پلیمر-گرید TFE از زیست توده یا CO2 به تعدادی فرآیندهای شیمیایی با درجه حرارت بالا و فشار بالا نیاز دارد. مسیرهای زیست شناسی مصنوعی فعلی برای مواد شیمیایی فلوئوردار در مراحل اولیه تحقیقاتی هستند و هیچ روشی برای TFE در مقیاس صنعتی ایجاد نشده است.

دوام اقتصادی: خوراک‌های مبتنی بر زیست{0}}به ازای هر کربن گران‌تر از پتروشیمی‌ها هستند. غلاف بخاری PTFE مبتنی بر زیست-احتمالاً هزینه قابل توجهی را جذب خواهد کرد که-کاربران نهایی در صنایع حساس قیمت{4}} ممکن است آماده پرداخت آن نباشند.

منبع فلوئور: حتی اگر بخش کربن قابل تجدید باشد، فلوئور همچنان فلورسپار استخراج می شود. کل ردپای محیطی از انتشار کربن حاصل از پردازش، استخراج فلورسپار و تولید اسید هیدروفلوئوریک تشکیل شده است.

مقیاس و خلوص: PTFE مورد استفاده برای غلاف بخاری باید از خلوص بالایی برخوردار باشد تا بتواند مواد شیمیایی قوی و چرخه های حرارتی را تحمل کند. سنتز مبتنی بر زیست{1}}ممکن است آلاینده‌هایی ایجاد کند که می‌تواند بر عملکرد تأثیر بگذارد و نیاز به تصفیه کامل و اضافه کردن هزینه بیشتر داشته باشد.

تاثیر بر لوله های گرمایش در کوره های صنعتی
در حال حاضر هیچ غلاف فلوروپلیمری مبتنی بر زیست-برای بازار گرمایش صنعتی (PTFE-هیترهای غوطه وری روکش دار، مبدل های حرارتی، قطعات مقاوم در برابر خوردگی{2}}) موجود نیست. تجهیزات فرآیند شیمیایی دارای چرخه های جایگزینی گسترده و الزامات عملکرد شدید هستند که مانع بالایی برای جایگزینی مواد ایجاد می کنند. PTFE مبتنی بر زیست{5}}که از نظر شیمیایی معادل PTFE معمولی است نیازی به صلاحیت مجدد ندارد، اما چنین محصولی در مقیاس تجاری موجود نیست.

برای فلوئوروپلیمرهای مبتنی بر زیستی جایگزین با ساختارهای شیمیایی مختلف، آزمایش گسترده مقاومت شیمیایی، پایداری حرارتی، یکپارچگی مکانیکی-و پیری طولانی‌مدت در شرایط فرآیند مورد نیاز است - یک فرآیند صلاحیت چند ساله که تامین‌کنندگان در حال حاضر نمی‌توانند آن را با توجه به تقاضای نامشخص توجیه کنند.

مزایای زیست محیطی در کوتاه مدت: کارایی تولید
خوراک‌های مبتنی بر زیست{0}}به احتمال زیاد مزیت‌های زیست‌محیطی طولانی‌مدت را نسبت به افزایش کارایی صنعت فراهم می‌کنند. زمینه های مهم پیشرفت عبارتند از:

حذف فلوروسورفکتانت‌ها: Solvay و سایر تولیدکنندگان فلوروپلیمر متعهد شده‌اند که استفاده از فلوروسورفکتانت‌ها (PFOA و جایگزین‌های آن) را در تولید پلیمرها حذف کنند و تخلیه محیطی را به حداقل برسانند.

بازیافت و بازچرخانی: تحقیقاتی برای توسعه{0}}رویکردهای{1} مدیریت پایان عمر برای PTFE از جمله بازیافت زباله‌های PTFE به پودرهای میکرو برای استفاده در سایر برنامه‌ها در حال انجام است.

مصرف انرژی کمتر: با بهینه سازی فرآیندهای پلیمریزاسیون TFE و تف جوشی PTFE، ردپای کربن به ازای هر کیلوگرم پلیمر تولید شده را می توان کاهش داد.

رویکردهای توازن جرم-: سیستم‌های حسابداری کربن تجدیدپذیر، همانطور که توسط Arkema برای PVDF به کار می‌رود، ابزاری مقرون به صرفه برای کاهش وابستگی به کربن فسیلی بدون تغییر در شیمی پلیمر فراهم می‌کنند. • صدور گواهینامه تعادل انبوه برای PTFE سوالی است که بی پاسخ مانده است.

آنها اثرات زیست محیطی را بدون نیاز به تغییر عمده در شیمی پلیمر یا زیرساخت های تولید کاهش می دهند.

چشم انداز آینده - مرزی دور اما واقعی
فلوروپلیمرهای مبتنی بر زیست-برای غلاف بخاری یک مرز جالب اما دوردست برای مواد پایدار در گرمایش صنعتی هستند. محرک اصلی این است که تولید پلیمر را از سوخت های فسیلی جدا کنیم و به ردپای کربن ماده توجه کنیم، نه مقاومت شیمیایی آن، که بی‌تأثیر باقی می‌ماند. همان ویژگی هایی که PTFE را در خدمات شیمیایی خورنده بسیار مهم می کند - دوام و بی اثری قابل توجه آن - همچنین سنتز آنالوگ های{3}} مبتنی بر زیست را دشوار می کند.

از نظر فنی، PTFE مبتنی بر زیست-با ردپای کربن کمتر قابل دستیابی است. راه های متعددی برای منبع کربن تجدید پذیر وجود دارد. اما هیچکدام به مقیاس تجاری نرسیده اند. چالش، دوام اقتصادی است: PTFE مبتنی بر فسیل-ارزان است و مشتریان باید آماده پرداخت حق بیمه برای جایگزین-کربن کمتر باشند. بعید است که الزامات مقرراتی محرک سوئیچ باشد زیرا محدودیت های PFAS برای PTFE اعمال نمی شود. اگرچه نیاز بازار به کالاهای گرمایش پایدار احتمالاً گسترش می‌یابد، خریداران صنعتی بیشتر به عملکرد و هزینه محصول توجه دارند تا ویژگی‌های زیست‌محیطی زمانی که این دو در تضاد هستند.

محتمل ترین تحولات در آینده میانی (5-10 سال) عبارتند از:

جرم کربن تجدید پذیر-تعادل PTFE: به دنبال مثال Arkema برای PVDF، یک پیشنهاد PTFE ممکن است با مواد اولیه کربن پایدار دارای گواهی نامه شخص ثالث{{1} (به عنوان مثال، ISCC PLUS)، که از نظر شیمیایی معادل PTFE معمولی است، ساخته شود. چنین محصولاتی دارای حق بیمه هستند، اما می‌توانند-بدون صلاحیت مجدد، جایگزین شوند.

بازیابی فلورین دایره‌ای - استفاده گسترده از اسید هیدروفلوئوریک بازیابی شده برای تولید فلوروپلیمر، همانطور که توسط Syensko نشان می‌دهد، وابستگی به فلورسپار خالص را کاهش می‌دهد.

جایگزین‌های کم-فلوئور یا فلوئور-برای برنامه‌های کاربردی کمتر: برای-کاربردهای غیر حیاتی، PTFE را می‌توان به تدریج با پلیمرهای زیستی-با ویژگی‌های سطحی{4}مثل PTFE{{4} جایگزین کرد، اما دامنه-دماهای بالا-خطر خورنده Polose برای خدمات شیمیایی متعارف در آینده باقی خواهد ماند.

در زمینه غلاف های بخاری صنعتی برای خدمات شیمیایی خورنده، PTFE سنتی برای سال های آینده استاندارد خواهد بود. پیشرفت در بخاری PTFE فلوروپلیمری مبتنی بر زیست- افزایشی خواهد بود. ردپای زیست محیطی با توازن کربن تجدید پذیر، بازیابی دایره ای فلوئور و افزایش بهره وری تولید، بدون نیاز به مواد شیمیایی پلیمری جدید، کاهش می یابد. PTFE کاملاً زیستی-منبع شده از زیست توده یا CO2 یک هدف تحقیقاتی طولانی مدت است، نه یک محصول تجاری نزدیک-. تولیدکنندگان و کاربران نهایی{10}}باید پیشرفت‌های آزمایشی{11}}مقیاس و سیستم‌های صدور گواهینامه تعادل انبوه را به‌عنوان واقع‌بینانه‌ترین رویکردهای نزدیک{13}}برای کالاهای گرمایشی-فلوروپلیمر کربن کمتر تماشا کنند.