Алкална хидролиза с ултразвуково подпомагане за рециклиране на ПЕТ
Алкалната хидролиза е ефективен метод за деполимеризация на отпадъчен полиетилен терефталат (PET). Процесът превръща PET в терефталатни соли, които след това могат да бъдат подложени на подкиселяване с цел извличане на терефталова киселина (TPA) с висока чистота за използване при производството на нов PET и други полиестерни материали. Мощният ултразвук, или соникацията, подобрява смесването и масообмена и може значително да ускори хидролизата на PET. Научете как соникацията може да направи рециклирането на PET по-бързо и по-ефективно.
Устойчив и ефективен подход към деполимеризацията на полиетилентерефталат чрез използване на ултразвукова енергия
При хидролизата ПЕТ реагира с вода в кисели, неутрални или алкални условия, като се получават терефталова киселина (ТПА) и етиленгликол (ЕГ). Конвенционалната хидролиза може да изисква високи температури, повишено налягане, концентрирани реагенти или дълго време на престой, тъй като реакцията протича на границата между сравнително устойчив твърд полимер и течната фаза. Смесването чрез ултразвукова обработка може да ускори тази гранична реакция, да подобри катализата чрез фазов пренос и да постигне по-висока степен на превръщане при по-меки реакционни условия.
Разкажете ни за суровината от домашни любимци и условията на реакцията. Нашите експерти по ултразвукова обработка ще ви препоръчат оптималната конфигурация на ултразвуковия апарат и реактора за вашия процес на рециклиране.
Промишлен ултразвуков апарат UIP1600hdT ускорява деполимеризацията на полиетилентерефталата (PET) с цел по-ефективно рециклиране
Научни резултати: Ултразвуковата обработка подобрява рециклирането на PET
Ултразвуковата обработка ускорява извличането на чист мономер в нискотемпературни неводни среди
Проучването, публикувано през 2017 г. от Бхогле и Пандит, показва, че прилагането на ултразвук с честота 20 kHz значително подобрява алкалната хидролиза на отпадъчен ПЕТ, особено във неводни метанолни среди. Изследователите установиха, че ултразвукът постига превръщане на ПЕТ от 69% за 60 минути при 50 °C, в сравнение с едва 46% без ултразвукова обработка. Този процес позволява извличането на чиста терефталова киселина (ТА) при по-меки условия, като предлага нова, безразтворителна стратегия за обработка на отпадъчен ПЕТ след употреба. Проучването подчертава, че ултразвуковото микросмесване увеличава честотата на сблъсъците между молекулите на ПЕТ и алкалите, като по този начин ускорява реакционната скорост и прави процеса на деполимеризация по-икономически изгоден за приложения за рециклиране в по-голям мащаб.
Ултразвуковата обработка значително намалява времето за реакция и разходите за преработка
Проучването, публикувано през 2013 г. от Паливал и Мънгрей, показва, че използването на ултразвук значително съкращава времето за реакция, необходимо за алкалната хидролиза на ПЕТ в присъствието на катализатор с фазов пренос. Докато при конвенционалния метод са необходими над 65 минути за постигане на 100% превръщане на ПЕТ в терефталова киселина, процесът с ултразвукова подпомощ завършва реакцията само за 45 минути. Проучването потвърждава, че ултразвукът не променя вътрешния механизъм на реакцията, но значително повишава скоростта на реакцията чрез засилена кавитация и масов пренос. Това повишаване на ефективността е от голямо значение за рециклиращата промишленост, тъй като намалява разходите за преработка и енергийните нужди, което прави химическото рециклиране по-конкурентноспособно спрямо производството на нови материали.
Ултразвуковата обработка подобрява ензимната достъпност чрез модификация на повърхността
Публикуваното през 2016 г. проучване на Пелис и колеги разглежда синергичния ефект на ултразвука върху ензимната хидролиза, като показва, че ултразвуковата обработка увеличава повърхностната площ на ПЕТ чрез създаване на микронеравности и дефекти. Тази физическа модификация подобрява достъпа на ензимите до полимерните вериги, като значително повишава ефективността на ензимната деполимеризация. Като преодолява различията между химичните и биологичните методи за рециклиране, този подход предлага по-екологична алтернатива, която работи при по-меки условия в сравнение с традиционната алкална хидролиза, като потенциално намалява енергопотреблението и същевременно поддържа високи нива на извличане на мономери за целите на кръговата икономика.
Прочетете повече за синергичното приложение на ултразвуковата обработка и ензима кутиназа при рециклирането на PET!
Линейно мащабиране и лесна интеграция в производствената инсталация
Устройствата за ултразвукова обработка „inline“ на Hielscher са проектирани за линейно мащабиране чрез поддържане на определени параметри – като амплитуда, вложена енергия, налягане, температура, дебит и време на престой – при увеличаване на ултразвуковата мощност или при паралелна работа на няколко устройства. Компактните реактори с проточна клетка могат да бъдат инсталирани в линията за пренос на ПЕТ-каша или в рециркулационната верига, което прави внедряването на ултразвукова обработка сравнително лесно в съществуваща рециклираща инсталация, без да се налага подмяна на основния съд за деполимеризация или на оборудването за разделяне, разположено надолу по веригата.
Промишлен ултразвуков апарат UIP6000hdT с поточна клетка за деполимеризация в линията
Конфигурация на промишлени процеси
Линията за рециклиране на ПЕТ с ултразвукова поддръжка обикновено започва със сортиране, измиване и раздробяване. ПЕТ-люспите се смесват с избраната реакционна среда и се подават чрез ултразвуков поточен реактор – еднократно или многократно в рециркулационна верига. След това обработената суспензия постъпва или се връща в основния реактор за деполимеризация.
При хидролизата веригата от последващи процеси може да включва отстраняване на непрореагиралите твърди вещества, подкисляване на терефталатните соли, кристализация на ТПА, промиване и извличане на ЕГ. Гликолизата изисква отделяне и пречистване на BHET и олигомери, докато ензимните процеси изискват управление на ензимите и извличане на разтворимите продукти от хидролизата. Вградените измервателни уреди могат да следят температурата, налягането, дебита и подаваната ултразвукова енергия, което позволява обработката да се изрази като възпроизводима енергийна доза на единица маса PET.
Промишлен ултразвуков реактор за деполимеризация на ПЕТ в производствената линия
Често задавани въпроси относно ултразвуковата деполимеризация на ПЕТ
Какво представлява ултразвуковата деполимеризация на PET?
Ултразвуковата деполимеризация на ПЕТ е процес на рециклиране, подпомаган от ултразвук, който спомага за разграждането на полиетилентерефталата до мономери или по-къси химически междинни съединения. Мощният ултразвук усилва хидролизата, гликолизата, метанолизата или ензимните реакции, като подобрява смесването, масообмена и контакта между частиците ПЕТ и реакционната среда.
Как ултразвукът подобрява рециклирането на ПЕТ?
Ултразвукът предизвиква акустична кавитация в течностите. Разрушаването на микроскопични мехурчета генерира срязващи сили, микроструи, ударни вълни и интензивно локално смесване. Тези ефекти обновяват повърхността на PET, диспергират частиците и катализаторите, намаляват дифузионните бариери и увеличават достъпната реакционна площ, което потенциално ускорява деполимеризацията и подобрява извличането на мономерите.
Може ли ултразвукът да деполимеризира ПЕТ без химикали или ензими?
При подходящи условия ултразвукът може да фрагментира частиците и да предизвика ограничено разкъсване на полимерните вериги, но обикновено сам по себе си не осигурява селективна и пълна деполимеризация на ПЕТ. Основната му роля в промишлеността е да ускори вече установена химична или ензимна реакция на рециклиране.
Кои процеси по рециклиране на PET могат да бъдат подпомогнати чрез ултразвуково въздействие?
Ултразвуковото обработване може да подпомогне алкална, киселинна или неутрална хидролиза; гликолиза с етиленгликол; метанолиза; каталитична солволиза; както и ензимна хидролиза на ПЕТ. Подходящата интензивност на ултразвука, температурата, налягането и времето на престой зависят от избраната реакция и желаните продукти.
Какви продукти могат да се получат при рециклирането на ПЕТ чрез ултразвук?
Чрез хидролиза могат да се извличат терефталова киселина и етиленгликол, докато при гликолизата обикновено се получава бис(2-хидроксиетил)терефталат, по-известен като BHET, заедно с по-къси олигомери. При метанолизата се получават диметилтерефталат и етиленгликол. След пречистване тези материали могат да се използват за производството на нови полимери и други химически продукти.
Може ли ултразвукът да намали времето или температурата на деполимеризацията при ПЕТ?
Ултразвукът може да ускори междуфазовите реакции и да позволи по-кратко време на престой или по-меки условия на обработка. Действителното подобрение зависи от размера на частиците на ПЕТ, кристалността, концентрацията на твърдите вещества, разтворителя, катализатора и конфигурацията на реактора. Необходимо е провеждането на пилотни изпитания, за да се определи дали намаленото време или температурата компенсират допълнителната електрическа енергия, необходима за ултразвуковата обработка.
Подходяща ли е ултразвуковата деполимеризация за PET от потребителски отпадъци?
Да, рециклирането с помощта на ултразвук позволява преработката на измит и нарязан на по-малки парчета PET от потребителски отпадъци, включително бутилки, опаковки и, потенциално, текстилни отпадъци с високо съдържание на полиестер. Сортирането и предварителната обработка на суровината остават важни, тъй като багрила, многослойни материали, други полимери, добавки и замърсявания могат да повлияят на ефективността на реакцията и на чистотата на мономера в последващите етапи.
Могат ли инлайн соникаторите на Hielscher да бъдат интегрирани в по-голям мащаб и монтирани в съществуващи заводи за рециклиране на PET?
Инлайн соникаторите на Hielscher поддържат линейно мащабиране чрез прехвърляне на определени параметри, като амплитуда, вложена енергия, налягане, температура, дебит и време на престой, от пилотни изпитания към по-големи процесори или паралелни клъстери от соникатори. Техните компактни реактори с проточни клетки могат да бъдат интегрирани в съществуваща линия за пренос на PET-суспензия или в рециркулационна верига, което позволява сравнително проста модернизация, без да се налага подмяна на основния реактор за деполимеризация на инсталацията.
Може ли ултразвуковата деполимеризация на ПЕТ да работи непрекъснато?
Да. Суспензията от PET може да се изпомпва през ултразвуков реактор с проточна клетка в един цикъл или да се циркулира многократно, докато се достигне целевата енергийна доза или степен на превръщане. Непрекъснатото вградено ултразвуково обработване осигурява контролирано време на престой, възпроизводима обработка и по-лесна интеграция с промишлени помпи, топлообменници, реакционни съдове и оборудване за разделяне.
Кои параметри определят ултразвуковата деполимеризация на ПЕТ?
Важните оперативни променливи включват амплитудата на ултразвука, специфичния енергиен приток, налягането, температурата, дебита, времето на престой, импулсния режим, размера на частиците на ПЕТ, съдържанието на твърди вещества, кристалността и геометрията на реактора. Химичните променливи – включително съставът на разтворителя, концентрацията на катализатора, рН и съотношението ПЕТ към реагент – трябва да бъдат оптимизирани успоредно с ултразвуковите условия.
Може ли ултразвукът да подобри ензимното рециклиране на ПЕТ?
Краткотрайното, контролирано ултразвуково третиране може да подобри дисперсията на ензимите, контакта между ензима и субстрата, достъпността на повърхността на PET, както и освобождаването на разтворими продукти на разграждане. Прекомерната интензивност на ултразвука или продължителното излагане могат да деактивират ензима, поради което импулсното ултразвуково третиране или кратка фаза на активиране често са за предпочитане пред непрекъснатото третиране. Прочетете още!
Рециклирането на PET чрез ултразвук е ли екологично устойчиво?
Ултразвуковата обработка може да допринесе за по-голяма устойчивост, когато по-бързите реакции, по-ниските температури, намаленият разход на катализатор, по-високият добив на мономери или по-малките реактори надвишават електроенергията, консумирана от ултразвуковия апарат. Цялостната оценка следва да включва също така предварителната обработка на суровините, рекуперацията на разтворители и реагенти, пречистването на продукта, генерирането на отпадъчни води, както и въглеродната интензивност на електроенергията.
В какво се различава ултразвуковото химическо рециклиране от механичното рециклиране на ПЕТ?
При механичното рециклиране PET се измива, разтопява и преобразува, като полимерните вериги се запазват в голяма степен. Ултразвуковото химическо рециклиране спомага за разграждането на тези вериги до мономери или междинни съединения, които могат да бъдат пречистени и реполимеризирани. Поради това то може да бъде полезно за потоци от ПЕТ, които са трудни за механично рециклиране поради цвета, замърсяването, разграждането или изискванията за качество на продукта.
Литература / Препратки
- Nutan Rajesh Paliwal, Arvind Kumar Mungray (2013): Ultrasound assisted alkaline hydrolysis of poly(ethylene terephthalate) in presence of phase transfer catalyst. Polymer Degradation and Stability, Volume 98, Issue 10, 2013. 2094-2101.
- Bhogle, C. S.; and Pandit, A. B. (2018): Ultrasound-Assisted Alkaline Hydrolysis of Waste Poly(Ethylene Terephthalate) in Aqueous and Non-aqueous Media at Low Temperature. Indian Chemical Engineer, 60(2), 2018. 122–140.
- Alessandro Pellis, Caroline Gamerith, Gagik Ghazaryan, Andreas Ortner, Enrique Herrero Acero, Georg M. Guebitz (2016): Ultrasound-enhanced enzymatic hydrolysis of poly(ethylene terephthalate). Bioresource Technology, Volume 218, 2016. 1298-1302.
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори от лаборатория да индустриален размер.