Алкална хидролиза с ултразвуково подпомагане за рециклиране на PET
Алкалната хидролиза е ефективен метод за деполимеризация на отпадъчен полиетилентерефталат (PET). Процесът превръща PET в терефталатни соли, които след това могат да бъдат подкиселени, за да се извлече терефталова киселина (TPA) с висока чистота за производство на нов PET и други полиестерни материали. Мощният ултразвук, или ултразвуковата обработка, подобрява смесването и масопреноса и може значително да ускори хидролизата на PET. Научете как ултразвуковата обработка може да направи рециклирането на PET по-бързо и по-ефективно.
Устойчив и ефективен подход към деполимеризацията на полиетилентерефталат чрез ултразвукова енергия
При хидролиза PET реагира с вода в кисела, неутрална или алкална среда, като образува терефталова киселина (TPA) и етиленгликол (EG). 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 реакция на фазовата граница, да подобри междуфазовата катализа и да постигне по-висока степен на превръщане при по-меки реакционни условия.
Разкажете ни за вашата PET суровина и реакционните условия. Нашите експерти по ултразвукова обработка ще ви препоръчат оптималния ултразвуков апарат и конфигурация на реактора за вашия процес на рециклиране.
Промишленият апарат за ултразвукова обработка UIP1600hdT интензифицира деполимеризацията на полиетилентерефталат (PET) за по-добро рециклиране
Научни резултати: ултразвуковата обработка подобрява рециклирането на PET
Ултразвуковата обработка ускорява извличането на чист мономер в неводни среди при ниска температура
Публикуваното през 2017 г. изследване на Bhogle и Pandit показва, че прилагането на ултразвук с честота 20 kHz значително подобрява алкалната хидролиза на отпадъчен PET, особено в неводни метанолни среди. Изследователите установяват, че с ултразвук е постигната степен на превръщане на PET от 69% за 60 минути при 50°C, в сравнение със само 46% без ултразвукова обработка. Този процес позволява извличането на чиста терефталова киселина (TA) при по-меки условия, като предлага нова стратегия без разтворители за обработка на PET отпадъци след потребителска употреба. Изследването подчертава, че ултразвуковото микросмесване увеличава честотата на сблъсъците между молекулите на PET и основата, като по този начин повишава скоростта на реакцията и прави процеса на деполимеризация по-икономически жизнеспособен за приложения за рециклиране в по-голям мащаб.
Ултразвуковата обработка драстично намалява времето за реакция и разходите за обработка
Публикуваното през 2013 г. изследване на Paliwal и Mungray показва, че ултразвуковото подпомагане драстично намалява времето за реакция, необходимо за алкалната хидролиза на PET в присъствието на катализатор за междуфазов пренос. Докато конвенционалният метод изисква над 65 минути за постигане на 100% превръщане на PET в терефталова киселина, процесът с ултразвуково подпомагане завършва реакцията само за 45 минути. Изследването потвърждава, че ултразвукът не променя присъщия механизъм на реакцията, но значително увеличава нейната скорост чрез засилена кавитация и масопренос. Това повишаване на ефективността е от голямо значение за рециклиращата промишленост, тъй като намалява разходите за обработка и енергийните потребности, като прави химическото рециклиране по-конкурентоспособно спрямо производството на първичен материал.
Ултразвуковата обработка подобрява достъпа на ензимите чрез модификация на повърхността
Публикуваното през 2016 г. изследване на Pellis и колеги разглежда синергичния ефект на ултразвука върху ензимната хидролиза и показва, че ултразвуковата обработка увеличава повърхностната площ на PET чрез създаване на микрограпавост и дефекти. Тази физическа модификация подобрява достъпа на ензимите до полимерните вериги, като значително повишава ефективността на ензимната деполимеризация. Като свързва химическите и биологичните методи за рециклиране, този подход предлага по-екологична алтернатива, която протича при по-меки условия от традиционната алкална хидролиза и потенциално намалява енергопотреблението, като същевременно поддържа висока степен на извличане на мономери за кръговата икономика.
Прочетете повече за синергичното приложение на ултразвуковата обработка и ензима кутиназа при рециклирането на PET!
Линейно увеличаване на мащаба и лесна интеграция в производствената инсталация
Проточните апарати за ултразвукова обработка на Hielscher са проектирани за линейно увеличаване на мащаба чрез поддържане на определени параметри – като амплитуда, вложена енергия, налягане, температура, дебит и време на престой – при увеличаване на ултразвуковата мощност или паралелна работа на няколко апарата. Компактните реактори с проточни клетки могат да бъдат монтирани в тръбопровод за пренос на суспензия от PET или в рециркулационен контур, което позволява сравнително лесно добавяне на ултразвукова обработка към съществуваща инсталация за рециклиране, без да се заменя основният ѝ съд за деполимеризация или последващото оборудване за разделяне.
Промишлен апарат за ултразвукова обработка UIP6000hdT с проточна клетка за деполимеризация в непрекъснат поток
Конфигурация на промишления процес
Линията за рециклиране на PET с ултразвуково подпомагане обикновено би започнала със сортиране, измиване и раздробяване. Люспите от PET се смесват с избраната реакционна среда и се изпомпват през ултразвуков проточен реактор, еднократно или многократно в рециркулационен контур. След това обработената суспензия постъпва или се връща в основния реактор за деполимеризация.
При хидролиза последващата технологична последователност може да включва отстраняване на нереагиралите твърди вещества, подкиселяване на терефталатните соли, кристализация на TPA, измиване и извличане на EG. Гликолизата изисква разделяне и пречистване на BHET и олигомерите, докато ензимните процеси изискват управление на ензимите и извличане на разтворимите продукти от хидролизата. Вградените в технологичната линия измервателни уреди могат да следят температурата, налягането, дебита и подадената ултразвукова енергия, което позволява обработката да се изразява като възпроизводима енергийна доза на единица маса PET.
Промишлен ултразвуков реактор за деполимеризация на PET в непрекъснат поток
Често задавани въпроси за ултразвуковата деполимеризация на PET
Какво представлява ултразвуковата деполимеризация на PET?
Ултразвуковата деполимеризация на PET е процес на рециклиране с ултразвуково подпомагане, който спомага за разграждането на полиетилентерефталата до мономери или химични междинни продукти с по-къси вериги. Ултразвукът с висока мощност интензифицира хидролизата, гликолизата, метанолизата или ензимните реакции чрез подобряване на смесването, масопреноса и контакта между частиците PET и реакционната среда.
Как ултразвукът подобрява рециклирането на PET?
Ултразвукът създава акустична кавитация в течностите. Колапсът на микроскопичните мехурчета поражда сили на срязване, 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 мономери.
Може ли ултразвукът да деполимеризира PET без химикали или ензими?
Ултразвукът може да раздробява частици и да предизвиква ограничено разкъсване на полимерните вериги при подходящи условия, но обикновено сам по себе си не осигурява селективна и пълна деполимеризация на PET. Основната му промишлена роля е да интензифицира установена химическа или ензимна реакция за рециклиране.
Кои процеси за рециклиране на PET могат да бъдат подпомогнати чрез ултразвукова обработка?
Ултразвуковата обработка може да подпомага алкална, киселинна или неутрална хидролиза; гликолиза с етиленгликол; метанолиза; каталитична солволиза; и ензимна хидролиза на PET. Подходящите ултразвуков интензитет, температура, налягане и време на престой зависят от избраната реакция и желаните продукти.
Какви продукти могат да се извлекат при ултразвуково рециклиране на PET?
Чрез хидролиза могат да се извлекат терефталова киселина и етиленгликол, докато гликолизата обикновено произвежда bis(2-hydroxyethyl) terephthalate, широко известен като BHET, заедно с олигомери с по-къси вериги. Метанолизата произвежда диметилтерефталат и етиленгликол. След пречистване тези материали могат да се използват за производство на нови полимери и други химически продукти.
Може ли ултразвукът да намали времето или температурата на деполимеризация на PET?
Ултразвукът може да ускорява реакциите на фазовата граница и може да позволи по-кратко време на престой или по-меки условия на обработка. Реалното подобрение зависи от размера на частиците PET, кристалинността, концентрацията на твърди вещества, разтворителя, катализатора и конфигурацията на реактора. Необходими са пилотни изпитвания, за да се определи дали намаленото време или температура компенсира допълнителната електрическа енергия, необходима за ултразвуковата обработка.
Подходяща ли е ултразвуковата деполимеризация за PET след потребителска употреба?
Да, рециклирането с ултразвуково подпомагане може да обработва измит и раздробен PET след потребителска употреба, включително бутилки, опаковки и потенциално текстилни отпадъци с високо съдържание на полиестер. Сортирането и предварителната обработка на суровината остават важни, тъй като багрилата, многослойните материали, другите полимери, добавките и замърсяванията могат да повлияят на протичането на реакцията и на чистотата на мономерите след последващата обработка.
Може ли мащабът на проточните апарати за ултразвукова обработка на Hielscher да се увеличава и могат ли те да се добавят към съществуващи инсталации за рециклиране на PET?
Проточните апарати за ултразвукова обработка на Hielscher позволяват линейно увеличаване на мащаба чрез пренасяне на определени параметри като амплитуда, вложена енергия, налягане, температура, дебит и време на престой от пилотни изпитвания към по-големи апарати или групи от паралелно работещи ултразвукови апарати. Техните компактни реактори с проточни клетки могат да бъдат интегрирани в съществуващ тръбопровод за пренос на суспензия от PET или в рециркулационен контур, което позволява сравнително лесно преоборудване, без да се заменя основният реактор за деполимеризация на инсталацията.
Може ли ултразвуковата деполимеризация на PET да протича непрекъснато?
Да. Суспензия от PET може да се изпомпва през ултразвуков реактор с проточна клетка с еднократно преминаване или да циркулира многократно, докато се достигне целевата енергийна доза или степен на превръщане. Непрекъснатата проточна ултразвукова обработка осигурява контролирано време на престой, възпроизводима обработка и по-лесна интеграция с промишлени помпи, топлообменници, реакционни съдове и оборудване за разделяне.
Кои параметри контролират ултразвуковата деполимеризация на PET?
Важните работни променливи включват ултразвукова амплитуда, специфична вложена енергия, налягане, температура, дебит, време на престой, импулсен режим, размер на частиците PET, съдържание на твърди вещества, кристалинност и геометрия на реактора. Химичните променливи – включително съставът на разтворителя, концентрацията на катализатора, pH и съотношението PET към реагент – трябва да бъдат оптимизирани заедно с условията на ултразвуковата обработка.
Може ли ултразвукът да подобри ензимното рециклиране на PET?
Кратката, контролирана ултразвукова обработка може да подобри диспергирането на ензимите, контакта ензим–субстрат, достъпността на повърхността на PET и освобождаването на разтворими продукти от разграждането. Прекомерният ултразвуков интензитет или продължителното въздействие може да деактивира ензима, затова импулсната ултразвукова обработка или кратката фаза на активиране често е за предпочитане пред непрекъснатата обработка. Прочетете повече!
Екологично устойчиво ли е ултразвуковото рециклиране на PET?
Ултразвуковата обработка може да подобри устойчивостта, когато ползите от по-бързите реакции, по-ниските температури, намаленото потребление на катализатор, по-високите добиви на мономери или по-малките реактори надвишават разхода на електроенергия на ултразвуковия апарат. Пълната оценка трябва да включва също предварителната обработка на суровината, възстановяването на разтворителите и реагентите, пречистването на продуктите, образуването на отпадъчни води и въглеродния интензитет на електроснабдяването.
По какво се различава ултразвуковото химическо рециклиране от механичното рециклиране на PET?
Механичното рециклиране измива, стопява и повторно оформя PET, като до голяма степен запазва полимерните вериги. Ултразвуковото химическо рециклиране подпомага разкъсването на тези вериги до мономери или междинни продукти, които могат да бъдат пречистени и повторно полимеризирани. Поради това то може да бъде полезно за потоци от PET, които трудно се рециклират механично поради цвят, замърсяване, разграждане или изисквания за качеството на продукта.
Литература / Източници
- 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 високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори от лабораторен до промишлен мащаб.