Ultraschallunterstützte alkalische Hydrolyse für das PET-Recycling
Die alkalische Hydrolyse ist ein wirksames Verfahren zur Depolymerisation von Polyethylenterephthalat (PET)-Abfällen. Bei diesem Prozess wird PET in Terephthalatsalze umgewandelt, die anschließend angesäuert werden können, um hochreine Terephthalsäure (TPA) zurückzugewinnen, die zur Herstellung von neuem PET und anderen Polyestermaterialien verwendet wird. Hochleistungsultraschall, auch Ultraschallbehandlung genannt, verbessert die Durchmischung und den Stoffaustausch und kann die PET-Hydrolyse erheblich beschleunigen. Erfahren Sie, wie die Ultraschallbehandlung das PET-Recycling schneller und effizienter machen kann.
Ein nachhaltiger, effizienter Ansatz zur Depolymerisation von Polyethylenterephthalat unter Einsatz von Ultraschallenergie
Bei der Hydrolyse reagiert PET unter sauren, neutralen oder alkalischen Bedingungen mit Wasser und bildet dabei Terephthalsäure (TPA) und Ethylenglykol (EG). Die herkömmliche Hydrolyse kann hohe Temperaturen, erhöhten Druck, konzentrierte Reagenzien oder lange Verweilzeiten erfordern, da die Reaktion an der Grenzfläche zwischen einem vergleichsweise widerstandsfähigen festen Polymer und der flüssigen Phase stattfindet. Eine durch Ultraschall angetriebene Durchmischung kann diese Grenzflächenreaktion beschleunigen, die Phasentransferkatalyse verbessern und unter milderen Reaktionsbedingungen eine höhere Umwandlung erzielen.
Teilen Sie uns bitte Ihre PET-Ausgangsmaterialien und Reaktionsbedingungen mit. Unsere Ultraschall-Experten empfehlen Ihnen dann die optimale Konfiguration aus Ultraschallgerät und Reaktor für Ihren Recyclingprozess.
Industrie-Ultraschallgerät UIP1600hdT verstärkt die Depolymerisation von Polyethylenterephthalat (PET) und verbessert so das Recycling
Wissenschaftliche Ergebnisse: Ultraschallbehandlung verbessert das PET-Recycling
Die Ultraschallbehandlung beschleunigt die Rückgewinnung von reinem Monomer in nichtwässrigen Medien bei niedrigen Temperaturen
Die 2017 veröffentlichte Studie von Bhogle und Pandit zeigt, dass die Anwendung von 20-kHz-Ultraschall die alkalische Hydrolyse von PET-Abfällen deutlich verbessert, insbesondere in nichtwässrigen methanolischen Medien. Die Forscher stellten fest, dass mit Ultraschall bei 50 °C innerhalb von 60 Minuten eine PET-Umwandlung von 69 % erreicht wurde, verglichen mit nur 46 % ohne Ultraschallbehandlung. Dieses Verfahren ermöglicht die Gewinnung von reiner Terephthalsäure (TA) unter milderen Bedingungen und bietet damit eine neuartige, lösungsmittelfreie Strategie zur Aufbereitung von PET-Verbraucherabfällen. Die Studie hebt hervor, dass das ultraschallgestützte Mikromischen die Kollisionshäufigkeit zwischen PET- und Alkalimolekülen erhöht, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit gesteigert und der Depolymerisationsprozess für Recycling-Anwendungen im größeren Maßstab wirtschaftlich rentabler wird.
Die Ultraschallbehandlung verkürzt die Reaktionszeiten erheblich und senkt die Verarbeitungskosten
Die 2013 veröffentlichte Studie von Paliwal und Mungray zeigt, dass die Ultraschallunterstützung die für die alkalische Hydrolyse von PET in Gegenwart eines Phasentransferkatalysators erforderliche Reaktionszeit drastisch verkürzt. Während das herkömmliche Verfahren über 65 Minuten benötigte, um eine 100-prozentige Umwandlung von PET in Terephthalsäure zu erreichen, schloss der ultraschallunterstützte Prozess die Reaktion in nur 45 Minuten ab. Die Studie bestätigt, dass Ultraschall den eigentlichen Reaktionsmechanismus nicht verändert, sondern die Reaktionsgeschwindigkeit durch verstärkte Kavitation und erhöhten Stoffaustausch deutlich steigert. Dieser Effizienzgewinn ist für die Recyclingindustrie von großer Bedeutung, da er die Verarbeitungskosten und den Energiebedarf senkt und das chemische Recycling gegenüber der Herstellung von Neuware wettbewerbsfähiger macht.
Ultraschallbehandlung verbessert die enzymatische Zugänglichkeit durch Oberflächenmodifikation
Die 2016 veröffentlichte Studie von Pellis und Kollegen untersucht den synergistischen Effekt von Ultraschall auf die enzymatische Hydrolyse und zeigt, dass die Ultraschallbehandlung die Oberfläche von PET durch die Erzeugung von Mikrorauheit und Defekten vergrößert. Diese physikalische Modifikation verbessert den Zugang der Enzyme zu den Polymerketten und steigert damit die Effizienz der enzymatischen Depolymerisation erheblich. Indem dieser Ansatz die Lücke zwischen chemischen und biologischen Recyclingverfahren schließt, bietet er eine umweltfreundlichere Alternative, die unter milderen Bedingungen als die herkömmliche alkalische Hydrolyse abläuft und so potenziell den Energieverbrauch senkt, während gleichzeitig hohe Monomerrückgewinnungsraten für die Kreislaufwirtschaft gewährleistet werden.
Erfahren Sie mehr über den synergetischen Einsatz von Ultraschall und dem Enzym Cutinase beim PET-Recycling!
Lineare Skalierbarkeit und unkomplizierte Anlagenintegration
Die Inline-Ultraschallgeräte von Hielscher sind für eine lineare Skalierung ausgelegt, wobei definierte Parameter beibehalten werden. – wie beispielsweise Amplitude, Energiezufuhr, Druck, Temperatur, Durchfluss und Verweilzeit – während gleichzeitig die Ultraschallleistung erhöht oder mehrere Geräte parallel betrieben werden. Kompakte Durchflusszellenreaktoren können in eine PET-Slurry-Förderleitung oder einen Rückführungskreislauf eingebaut werden, wodurch sich die Ultraschallbehandlung vergleichsweise einfach in eine bestehende Recyclinganlage nachrüsten lässt, ohne dass deren Hauptdepolymerisationsbehälter oder nachgeschaltete Trennanlagen ausgetauscht werden müssen.
Industrie-Ultraschallgerät UIP6000hdT mit Durchflusszelle zur Inline-Depolymerisation
Konfiguration industrieller Prozesse
Ein ultraschallunterstützter PET-Recyclingprozess beginnt in der Regel mit dem Sortieren, Waschen und Zerkleinern. Die PET-Flocken werden mit dem ausgewählten Reaktionsmedium vermischt und durch einen Ultraschall-Durchflussreaktor gepumpt, entweder einmalig oder wiederholt in einem Rezirkulationskreislauf. Die behandelte Suspension gelangt anschließend in den Hauptdepolymerisationsreaktor oder wird dorthin zurückgeführt.
Bei der Hydrolyse kann die nachgeschaltete Prozesskette die Entfernung nicht umgesetzter Feststoffe, die Ansäuerung von Terephthalsalzen, die TPA-Kristallisation, das Waschen und die Rückgewinnung von EG umfassen. Die Glykolyse erfordert die Abtrennung und Reinigung von BHET und Oligomeren, während enzymatische Verfahren ein Enzymmanagement sowie die Rückgewinnung löslicher Hydrolyseprodukte erfordern. Inline-Messgeräte können Temperatur, Druck, Durchfluss und die zugeführte Ultraschallenergie überwachen, wodurch die Behandlung als reproduzierbare Energiedosis pro Masseneinheit PET ausgedrückt werden kann.
Industrieller Ultraschallreaktor zur Inline-Depolymerisation von PET
Häufig gestellte Fragen zur PET-Depolymerisation mittels Ultraschall
Was ist die Ultraschall-Depolymerisation von PET?
Die Ultraschall-PET-Depolymerisation ist ein ultraschallunterstütztes Recyclingverfahren, bei dem Polyethylenterephthalat in Monomere oder kürzere chemische Zwischenprodukte aufgespalten wird. Hochleistungsultraschall verstärkt Hydrolyse-, Glykolyse-, Methanolyse- oder enzymatische Reaktionen, indem er die Durchmischung, den Stoffaustausch und den Kontakt zwischen den PET-Partikeln und dem Reaktionsmedium verbessert.
Inwiefern verbessert Ultraschall das PET-Recycling?
Ultraschall erzeugt in Flüssigkeiten akustische Kavitation. Das Zusammenfallen mikroskopisch kleiner Bläschen erzeugt Scherkräfte, Mikrostrahlen, Stoßwellen und eine intensive lokale Durchmischung. Diese Effekte erneuern die PET-Oberfläche, verteilen Partikel und Katalysatoren, verringern Diffusionsbarrieren und vergrößern die zugängliche Reaktionsfläche, was möglicherweise die Depolymerisation beschleunigt und die Monomerrückgewinnung verbessert.
Kann Ultraschall PET ohne Chemikalien oder Enzyme depolymerisieren?
Ultraschall kann unter geeigneten Bedingungen Partikel zerkleinern und eine begrenzte Spaltung der Polymerketten bewirken, führt jedoch in der Regel nicht von selbst zu einer selektiven und vollständigen Depolymerisation von PET. Seine wichtigste industrielle Funktion besteht darin, eine bereits etablierte chemische oder enzymatische Recyclingreaktion zu intensivieren.
Welche PET-Recyclingverfahren lassen sich durch Ultraschallbehandlung unterstützen?
Die Ultraschallbehandlung kann die alkalische, saure oder neutrale Hydrolyse, die Glykolyse mit Ethylenglykol, die Methanolyse, die katalytische Solvolyse sowie die enzymatische PET-Hydrolyse unterstützen. Die geeignete Ultraschallintensität, Temperatur, Druck und Verweilzeit hängen von der gewählten Reaktion und den gewünschten Produkten ab.
Welche Produkte lassen sich beim PET-Recycling mittels Ultraschall zurückgewinnen?
Durch Hydrolyse lassen sich Terephthalsäure und Ethylenglykol zurückgewinnen, während bei der Glykolyse in der Regel Bis(2-hydroxyethyl)terephthalat – allgemein bekannt als BHET – sowie kürzere Oligomere entstehen. Bei der Methanolyse entstehen Dimethylterephthalat und Ethylenglykol. Nach der Reinigung können diese Stoffe zur Herstellung neuer Polymere und anderer chemischer Produkte verwendet werden.
Kann Ultraschall die Depolymerisationszeit oder -temperatur bei PET verkürzen bzw. senken?
Ultraschall kann Grenzflächenreaktionen beschleunigen und möglicherweise kürzere Verweilzeiten oder mildere Prozessbedingungen ermöglichen. Der tatsächliche Nutzen hängt von der Größe der PET-Partikel, der Kristallinität, der Feststoffkonzentration, dem Lösungsmittel, dem Katalysator und der Reaktorkonfiguration ab. Es sind Pilotversuche erforderlich, um festzustellen, ob die Einsparungen bei Zeit oder Temperatur den zusätzlichen Stromverbrauch für die Ultraschallbehandlung ausgleichen.
Ist die Ultraschall-Depolymerisation für Post-Consumer-PET geeignet?
Ja, durch ultraschallunterstütztes Recycling lassen sich gewaschene und zerkleinerte PET-Abfälle aus dem Endverbraucherbereich verarbeiten, darunter Flaschen, Verpackungen und möglicherweise auch polyesterreiche Textilabfälle. Die Sortierung und Vorbehandlung des Ausgangsmaterials sind nach wie vor wichtig, da Farbstoffe, mehrschichtige Materialien, andere Polymere, Additive und Verunreinigungen die Reaktionsleistung und die Reinheit der anschließend gewonnenen Monomere beeinträchtigen können.
Können die Inline-Ultraschallgeräte von Hielscher skaliert und in bestehende PET-Recyclinganlagen nachgerüstet werden?
Die Inline-Ultraschallgeräte von Hielscher unterstützen die lineare Skalierung, indem sie definierte Parameter wie Amplitude, Energieeintrag, Druck, Temperatur, Durchflussrate und Verweilzeit aus Pilotversuchen auf größere Anlagen oder parallele Ultraschallcluster übertragen. Ihre kompakten Durchflusszellenreaktoren lassen sich in eine bestehende PET-Slurry-Förderleitung oder einen Rezirkulationskreislauf integrieren, was eine vergleichsweise einfache Nachrüstung ermöglicht, ohne den Hauptdepolymerisationsreaktor der Anlage austauschen zu müssen.
Kann die PET-Depolymerisation mittels Ultraschall im Dauerbetrieb erfolgen?
Ja. Eine PET-Suspension kann in einem einzigen Durchlauf durch einen Ultraschall-Durchflussreaktor gepumpt oder wiederholt umgewälzt werden, bis die angestrebte Energiedosis oder Umwandlung erreicht ist. Die kontinuierliche Inline-Ultraschallbehandlung ermöglicht eine kontrollierte Verweildauer, eine reproduzierbare Behandlung und eine einfachere Integration in industrielle Pumpen, Wärmetauscher, Reaktionsgefäße und Trennanlagen.
Welche Parameter beeinflussen die PET-Depolymerisation mittels Ultraschall?
Zu den wichtigen Betriebsparametern zählen die Ultraschallamplitude, die spezifische Energiezufuhr, der Druck, die Temperatur, die Durchflussrate, die Verweilzeit, der Impulsmodus, die PET-Partikelgröße, die Feststoffbeladung, die Kristallinität und die Reaktorgeometrie. Chemische Parameter – darunter die Zusammensetzung des Lösungsmittels, die Katalysatorkonzentration, der pH-Wert und das Verhältnis von PET zu Reagenz – müssen parallel zu den Ultraschallbedingungen optimiert werden.
Kann Ultraschall das enzymatische PET-Recycling verbessern?
Eine kurze, kontrollierte Ultraschallbehandlung kann die Enzymdispersion, den Kontakt zwischen Enzym und Substrat, die Zugänglichkeit der PET-Oberfläche sowie die Freisetzung löslicher Abbauprodukte verbessern. Eine zu hohe Ultraschallintensität oder eine zu lange Einwirkzeit kann das Enzym deaktivieren, weshalb eine gepulste Ultraschallbehandlung oder eine kurze Aktivierungsphase oft einer kontinuierlichen Behandlung vorzuziehen ist. Lesen Sie mehr!
Ist das PET-Recycling mittels Ultraschall ökologisch nachhaltig?
Die Ultraschallbehandlung kann die Nachhaltigkeit verbessern, wenn schnellere Reaktionen, niedrigere Temperaturen, ein geringerer Katalysatorverbrauch, höhere Monomerausbeuten oder kleinere Reaktoren den Stromverbrauch des Ultraschallgeräts überwiegen. Eine umfassende Bewertung sollte auch die Vorbehandlung der Ausgangsstoffe, die Rückgewinnung von Lösungsmitteln und Reagenzien, die Produktreinigung, das Abwasseranfall sowie die Kohlenstoffintensität der Stromversorgung berücksichtigen.
Inwiefern unterscheidet sich das chemische Recycling mittels Ultraschall vom mechanischen PET-Recycling?
Beim mechanischen Recycling wird PET gewaschen, geschmolzen und neu geformt, wobei die Polymerketten weitgehend erhalten bleiben. Das chemische Recycling mittels Ultraschall unterstützt den Aufbruch dieser Ketten in Monomere oder Zwischenprodukte, die gereinigt und erneut polymerisiert werden können. Es kann daher für PET-Ströme nützlich sein, die aufgrund von Farbe, Verunreinigungen, Zersetzung oder Anforderungen an die Produktqualität nur schwer mechanisch zu recyceln sind.
Literatur / Literaturhinweise
- 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.
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