Ultraheli abil toimuv aluseline hüdrolüüs PET-i ringlussevõtuks
Aluseline hüdrolüüs on tõhus meetod polüetüleentereftalaadi (PET) jäätmete depolümeriseerimiseks. Protsess muudab PET-i tereftalaatsooladeks, mida saab seejärel hapestada, et taastada kõrge puhtusastmega tereftaalhape (TPA), mida kasutatakse uue PET-i ja muude polüestermaterjalide tootmiseks. Võimsusultraheli ehk ultraheli töötlus (sonikeerimine) parandab segunemist ja massiülekannet ning võib PET-i hüdrolüüsi märkimisväärselt kiirendada. Siit saate teada, kuidas sonikeerimine võib muuta PET-i ringlussevõtu kiiremaks ja tõhusamaks.
Jätkusuutlik ja tõhus lähenemine polüetüleentereftalaadi depolümeriseerimisele ultraheli energia abil
Hüdrolüüsis reageerib PET veega happelistes, neutraalsetes või aluselistes tingimustes, andes tereftaalhapet (TPA) ja etüleenglükooli (EG). Tavapärane hüdrolüüs võib vajada kõrgeid temperatuure, kõrgendatud rõhku, kontsentreeritud reagente või pikki viibeaegu, sest reaktsioon toimub piirpinnal suhteliselt vastupidava tahke polümeeri ja vedela faasi vahel. Sonikeerimisest tingitud segunemine võib seda piirpinna reaktsiooni kiirendada, parandada faasidevahelist katalüüsi ning saavutada parema konversiooni leebemates reaktsioonitingimustes.
Rääkige meile oma PET-i toormest ja reaktsioonitingimustest. Meie ultraheli töötluse eksperdid soovitavad teile teie ringlussevõtuprotsessi jaoks optimaalse sonikaatori ja reaktori konfiguratsiooni.
Tööstuslik sonikaator UIP1600hdT intensiivistab polüetüleentereftalaadi (PET) depolümeriseerimist parema ringlussevõtu jaoks
Teaduslikud tulemused: sonikeerimine parandab PET-i ringlussevõttu
Sonikeerimine kiirendab puhta monomeeri taastamist madala temperatuuriga mittevesikeskkonnas
Bhogle’i ja Panditi 2017. aastal avaldatud uuring näitab, et 20 kHz ultraheli kasutamine tõstab märkimisväärselt PET-i jäätmete aluselist hüdrolüüsi, eelkõige mittevesilises metanoolikeskkonnas. Teadlased leidsid, et ultraheli abil saavutati PET-i konversioon 69% 60 minutiga temperatuuril 50°C, võrreldes vaid 46%-ga ilma sonikeerimiseta. See protsess võimaldab taastada puhast tereftaalhapet (TA) leebemates tingimustes, pakkudes uudset lahustivaba strateegiat tarbijajärgsete PET-jäätmete töötlemiseks. Uuring toob esile, et ultraheli mikrosegamine suurendab PET-i ja leelise molekulide vahelist kokkupõrgete sagedust, intensiivistades seeläbi reaktsioonikiirust ja muutes depolümeriseerimisprotsessi majanduslikult otstarbekamaks suuremahuliste ringlussevõtu rakenduste jaoks.
Sonikeerimine vähendab oluliselt reaktsiooniaega ja töötlemiskulusid
Paliwali ja Mungray 2013. aastal avaldatud uuring näitab, et ultraheli abil väheneb oluliselt PET-i aluseliseks hüdrolüüsiks vajalik reaktsiooniaeg faasidevahelise katalüsaatori juuresolekul. Kui tavapärane meetod vajas PET-i 100% konversiooniks tereftaalhappeks üle 65 minuti, siis ultraheli abil toimuv protsess viis reaktsiooni lõpuni vaid 45 minutiga. Uuring kinnitab, et ultraheli ei muuda reaktsiooni olemuslikku mehhanismi, kuid suurendab oluliselt reaktsioonikiirust suurenenud kavitatsiooni ja massiülekande kaudu. See tõhususe kasv on ringlussevõtutööstuse jaoks väga oluline, kuna see vähendab töötlemiskulusid ja energiavajadust, muutes keemilise ringlussevõtu neitsiliku materjali tootmisega konkurentsivõimelisemaks.
Sonikeerimine parandab ensüümide ligipääsetavust pinna modifitseerimise kaudu
Pellis ja kolleegide 2016. aastal avaldatud uuring käsitleb ultraheli sünergilist mõju ensümaatilisele hüdrolüüsile ning näitab, et ultraheli töötlus suurendab PET-i pindala, tekitades mikrokaredust ja defekte. See füüsikaline modifitseerimine parandab ensüümide ligipääsetavust polümeeriahelatele, tõstes oluliselt ensümaatilise depolümerisatsiooni tõhusust. Ühendades keemilise ja bioloogilise ringlussevõtu meetodid, pakub see lähenemisviis keskkonnasõbralikumat alternatiivi, mis toimib leebemates tingimustes kui traditsiooniline leeliseline hüdrolüüs, vähendades potentsiaalselt energiatarbimist ning säilitades samal ajal ringmajanduse jaoks kõrge monomeeride saagise.
Lugege lähemalt ultraheli töötluse ja kutinaasi ensüümi sünergilisest rakendamisest PET-i ringlussevõtul!
Lineaarne skaleerimine ja lihtne tehasesse integreerimine
Hielscheri läbivoolusonikaatorid on konstrueeritud lineaarseks skaleerimiseks, säilitades kindlaksmääratud parameetrid – näiteks amplituud, energiasisend, rõhk, temperatuur, vooluhulk ja viibeaeg – ning suurendades samal ajal ultraheli võimsust või kasutades mitut seadet paralleelselt. Kompaktsed läbivoolukambriga reaktorid saab paigaldada PET-suspensiooni transporditorusse või retsirkulatsioonisilmusesse, mistõttu on ultraheli töötlust võrdlemisi lihtne järelpaigaldada olemasolevasse ringlussevõtutehasesse, asendamata selle peamist depolümerisatsioonianumat või allavoolu eraldusseadmeid.
Tööstuslik sonikaator UIP6000hdT läbivoolukambriga inline-depolümerisatsiooniks
Tööstusliku protsessi konfiguratsioon
Ultraheliga toetatud PET-i ringlussevõtuliin algaks tavaliselt sorteerimise, pesemise ja peenestamisega. PET-helbed segatakse valitud reaktsioonikeskkonnaga ja pumbatakse läbi ultraheli läbivoolureaktori, kas ühekordselt või korduvalt retsirkulatsioonisilmuses. Töödeldud suspensioon siseneb seejärel peamisse depolümerisatsioonireaktorisse või naaseb sinna.
Hüdrolüüsi korral võib allavoolu protsessiahel hõlmata reageerimata tahkete osakeste eemaldamist, tereftalaatsoolade hapestamist, TPA kristallimist, pesemist ja EG taaskasutust. Glükolüüs nõuab BHET-i ja oligomeeride eraldamist ning puhastamist, ensümaatilised protsessid aga ensüümide haldamist ning lahustuvate hüdrolüüsiproduktide taaskasutust. Inline-mõõteseadmed saavad jälgida temperatuuri, rõhku, vooluhulka ja edastatud ultraheli energiat, mis võimaldab väljendada töötlust reprodutseeritava energiadoosina PET-i massiühiku kohta.
Tööstuslik ultraheli reaktor PET-i inline-depolümerisatsiooniks
Korduma kippuvad küsimused ultraheliga PET-i depolümerisatsiooni kohta
Mis on PET-i ultraheliga depolümerisatsioon?
Ultraheliga PET-i depolümerisatsioon on ultraheliga toetatud ringlussevõtuprotsess, mis aitab lõhustada polüetüleentereftalaati monomeerideks või lühemateks keemilisteks vaheühenditeks. Suure võimsusega ultraheli intensiivistab hüdrolüüsi, glükolüüsi, metanolüüsi või ensümaatilisi reaktsioone, parandades segunemist, massiülekannet ning PET-osakeste ja reaktsioonikeskkonna kontakti.
Kuidas ultraheli parandab PET-i ringlussevõttu?
Ultraheli tekitab vedelikes akustilist kavitatsiooni. Mikroskoopiliste mullide kollapss tekitab nihkejõude, mikrojuge, lööklaineid ja intensiivset lokaalset segunemist. Need efektid uuendavad PET-i pinda, hajutavad osakesi ja katalüsaatoreid, vähendavad difusioonitõkkeid ning suurendavad ligipääsetavat reaktsioonipinda, mis võib kiirendada depolümerisatsiooni ja parandada monomeeride saagist.
Kas ultraheli suudab PET-i depolümeriseerida ilma kemikaalide või ensüümideta?
Ultraheli võib sobivates tingimustes killustada osakesi ja põhjustada piiratud polümeeriahelate katkemist, kuid iseenesest ei taga see tavaliselt selektiivset ja täielikku PET-i depolümerisatsiooni. Selle peamine tööstuslik roll on intensiivistada väljakujunenud keemilist või ensümaatilist ringlussevõtureaktsiooni.
Milliseid PET-i ringlussevõtuprotsesse saab ultraheli töötlusega toetada?
Ultraheli töötlus võib toetada leeliselist, happelist või neutraalset hüdrolüüsi; glükolüüsi etüleenglükooliga; metanolüüsi; katalüütilist solvolüüsi ning ensümaatilist PET-i hüdrolüüsi. Sobiv ultraheli intensiivsus, temperatuur, rõhk ja viibeaeg sõltuvad valitud reaktsioonist ja soovitud produktidest.
Milliseid tooteid on võimalik ultraheli abil toimuvast PET-i ringlussevõtust saada?
Hüdrolüüsil on võimalik saada tereftaalhapet ja etüleenglükooli, glükolüüsil aga tekib tavaliselt bis(2-hüdroksüetüül)tereftalaat, üldtuntud nimetusega BHET, koos lühemate oligomeeridega. Metanolüüsil tekivad dimetüültereftalaat ja etüleenglükool. Pärast puhastamist saab neid materjale kasutada uute polümeeride ja muude keemiatoodete valmistamiseks.
Kas ultraheli võib lühendada PET-i depolümerisatsiooni aega või alandada temperatuuri?
Ultraheli võib kiirendada faasidevahelisi reaktsioone ning võimaldada lühemat viibeaega või leebemaid töötlustingimusi. Tegelik paranemine sõltub PET-i osakeste suurusest, kristallilisusest, tahkete osakeste kontsentratsioonist, lahustist, katalüsaatorist ja reaktori konfiguratsioonist. Katsetamine pilootmahus on vajalik, et selgitada, kas lühem aeg või madalam temperatuur korvab ultraheli töötluseks (sonikeerimiseks) vajamineva lisaelektrienergia.
Kas ultraheli abil toimuv depolümerisatsioon sobib tarbijajärgse PET-i jaoks?
Jah, ultraheli abil toimuv ringlussevõtt sobib pestud ja peenestatud tarbijajärgse PET-i töötlemiseks, sealhulgas pudelite, pakendite ja potentsiaalselt polüestririkaste tekstiilijäätmete puhul. Toorme sorteerimine ja eeltöötlus jäävad oluliseks, sest värvained, mitmekihilised materjalid, muud polümeerid, lisandid ja mustus võivad mõjutada reaktsiooni toimimist ja järgnevat monomeeri puhtust.
Kas Hielscheri läbivoolu-sonikaatoreid saab skaleerida ja olemasolevatesse PET-i ringlussevõtu tehastesse järelpaigaldada?
Hielscheri läbivoolu-sonikaatorid toetavad lineaarset skaleerimist, kandes määratletud parameetrid, nagu amplituud, energiasisend, rõhk, temperatuur, vooluhulk ja viibeaeg, pilootkatsetelt üle suurematele protsessoritele või paralleelsetele sonikaatorite klastritele. Nende kompaktseid läbivoolukamberreaktoreid saab integreerida olemasolevasse PET-suspensiooni ülekandeliini või retsirkulatsioonisilmusesse, mis võimaldab suhteliselt lihtsat järelpaigaldust ilma tehase peamist depolümerisatsioonireaktorit asendamata.
Kas ultraheli abil toimuv PET-i depolümerisatsioon saab töötada pidevalt?
Jah. PET-suspensiooni saab pumbata läbi ultraheli läbivoolukamberreaktori ühe läbimiskorraga või tsirkuleerida korduvalt, kuni saavutatakse soovitud energiadoos või konversioon. Pidev läbivoolu-sonikeerimine tagab kontrollitud viibeaja, reprodutseeritava töötluse ja lihtsama integreerimise tööstuslike pumpade, soojusvahetite, reaktsioonianumate ja separeerimisseadmetega.
Millised parameetrid juhivad ultraheli abil toimuvat PET-i depolümerisatsiooni?
Olulised töömuutujad on ultraheli amplituud, erienergiasisend, rõhk, temperatuur, vooluhulk, viibeaeg, impulssrežiim, PET-i osakeste suurus, tahkete osakeste sisaldus, kristallilisus ja reaktori geomeetria. Keemilised muutujad – sealhulgas lahusti koostis, katalüsaatori kontsentratsioon, pH ja PET-i ning reagendi suhe – tuleb optimeerida koos ultraheli tingimustega.
Kas ultraheli saab parandada ensümaatilist PET-i ringlussevõttu?
Lühike, kontrollitud ultraheli töötlus (sonikeerimine) võib parandada ensüümi dispersiooni, ensüümi ja substraadi kontakti, PET-i pinna ligipääsetavust ning lahustuvate lagunemissaaduste vabanemist. Liigne ultraheli intensiivsus või pikaajaline kokkupuude võib ensüümi inaktiveerida, mistõttu on impulssrežiimis sonikeerimine või lühike aktiveerimisfaas sageli parem kui pidev töötlus. Loe lähemalt!
Kas ultraheli abil toimuv PET-i ringlussevõtt on keskkonnasäästlik?
Ultraheli töötlus võib parandada jätkusuutlikkust, kui kiiremad reaktsioonid, madalamad temperatuurid, väiksem katalüsaatori tarbimine, suuremad monomeeri saagised või väiksemad reaktorid kaaluvad üles sonikaatori kasutatava elektrienergia. Täielik hindamine peaks hõlmama ka toorme eeltöötlust, lahusti ja reagendi taaskasutust, toote puhastamist, reovee teket ja elektrivarustuse süsinikumahukust.
Kuidas erineb ultraheli abil toimuv keemiline ringlussevõtt mehaanilisest PET-i ringlussevõtust?
Mehaaniline ringlussevõtt peseb, sulatab ja vormib PET-i ümber, säilitades suures osas polümeeriahelad. Ultraheli abil toimuv keemiline ringlussevõtt aitab need ahelad lõhkuda monomeerideks või vaheproduktideks, mida saab puhastada ja uuesti polümeriseerida. Seetõttu võib see olla kasulik PET-voogude puhul, mida on värvuse, saastumise, lagunemise või tootekvaliteedi nõuete tõttu mehaaniliselt raske ringlusse võtta.
Kirjandus / viited
- 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 toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laboriskaalast kuni tööstusliku mastaabini.