PET-i ringlussevõtuks mõeldud ultraheliga toetatud aluseline hüdrolüüs
Aluseline hüdrolüüs on tõhus meetod polüetüleentereftalaadi (PET) jäätmete depolümeriseerimiseks. Selle protsessi käigus muundub PET tereftalaadisooladeks, mida saab seejärel hapestada, et saada kõrge puhtusastmega tereftaalhapet (TPA), mida kasutatakse uue PET-i ja muude polüestermaterjalide tootmiseks. Võimas ultraheli ehk sonikatsioon parandab segunemist ja massiülekannet ning võib PET-i hüdrolüüsi oluliselt kiirendada. Tutvuge, kuidas sonikatsioon võib muuta PET-i ringlussevõtu kiiremaks ja tõhusamaks.
Jätkusuutlik ja tõhus lähenemisviis polüetüleentereftalaadi depolümeriseerimisele ultrahelienergia abil
Hüdrolüüsi käigus reageerib PET happelistes, neutraalsetes või aluselistes tingimustes veega, mille tulemusena tekivad tereftaalhape (TPA) ja etüleenglükool (EG). Tavapärane hüdrolüüs võib nõuda kõrgeid temperatuure, kõrgendatud rõhku, kontsentreeritud reagente või pikki viibeaegu, kuna reaktsioon toimub suhteliselt vastupidava tahke polümeeri ja vedelafaasi vahelisel piirpinnal. Ultraheliga ajendatud segamine võib seda piirpinnareaktsiooni kiirendada, parandada faasisiirde katalüüsi ja saavutada paremat konversiooni leebemates reaktsioonitingimustes.
Rääkige meile oma PET-toorainest ja reaktsioonitingimustest. Meie ultraheli-eksperdid soovitavad teile teie ringlussevõtu protsessile optimaalset ultraheli-seadet ja reaktori konfiguratsiooni.
Tööstuslik ultraheli seade UIP1600hdT kiirendab polüetüleentereftalaadi (PET) depolümerisatsiooni, et parandada ringlussevõttu
Teaduslikud tulemused: ultrahelitöötlus parandab PET-i ringlussevõttu
Ultrahelitöötlus kiirendab puhta monomeeri eraldamist madalal temperatuuril mittevesikeskkonnas
Bhogle’i ja Panditi 2017. aastal avaldatud uuring näitab, et 20 kHz ultraheli kasutamine parandab oluliselt PET-jäätmete aluselist hüdrolüüsi, eriti mittevesikeskkonnas metanoolis. Teadlased leidsid, et ultraheli abil saavutati 60 minuti jooksul 50 °C juures PET-i muundumismäär 69%, võrreldes vaid 46%-ga ilma ultrahelita. See protsess võimaldab puhast tereftaalhapet (TA) taaskasutada leebemates tingimustes, pakkudes uudset, lahustivaba strateegiat tarbijajäätmetest pärit PET-jäätmete töötlemiseks. Uuringus rõhutatakse, et ultraheliline mikrosegamine suurendab PET-i ja leelismolekulide kokkupõrke sagedust, kiirendades seeläbi reaktsiooni kiirust ja muutes depolümerisatsiooniprotsessi majanduslikult tasuvamaks suuremahulisteks ringlussevõtu rakendusteks.
Ultrahelitöötlus lühendab oluliselt reaktsiooniaegu ja töötlemiskulusid
Paliwal ja Mungray 2013. aastal avaldatud uuring näitab, et ultraheli kasutamine lühendab oluliselt PET-i aluselise hüdrolüüsi reaktsiooniaega faasiülekandekatalüsaatori juuresolekul. Kui tavapärase meetodi puhul kulus PET-i 100% teisendamiseks tereftaalhappeks üle 65 minuti, siis ultraheli abil toimuva protsessi puhul lõppes reaktsioon vaid 45 minutiga. Uuring kinnitab, et ultraheli ei muuda reaktsiooni sisemist mehhanismi, kuid suurendab märkimisväärselt reaktsioonikiirust tänu tugevamale kavitatsioonile ja massiülekandele. See tõhususe kasv on ringlussevõtu tööstuse jaoks äärmiselt oluline, kuna see vähendab töötlemiskulusid ja energiavajadust, muutes keemilise ringlussevõtu uue materjali tootmisega võrreldes konkurentsivõimelisemaks.
Ultrahelitöötlus parandab ensüümide kättesaadavust pinna modifitseerimise kaudu
Pellis ja tema kolleegide 2016. aastal avaldatud uuring uurib ultraheli sünergilist mõju ensümaatilisele hüdrolüüsile, näidates, et ultrahelitöötlus suurendab PET-i pindala, tekitades mikrokaredust ja defekte. See füüsikaline muudatus parandab ensüümide juurdepääsu polümeerahelatele, parandades märkimisväärselt ensümaatilise depolümerisatsiooni tõhusust. Sillutades lõhet keemiliste ja bioloogiliste ringlussevõtumeetodite vahel, pakub see lähenemisviis keskkonnasõbralikumat alternatiivi, mis toimib traditsioonilisest aluselise hüdrolüüsist leebemates tingimustes, vähendades potentsiaalselt energiatarbimist ja säilitades samal ajal kõrged monomeeri taaskasutusmäärad ringmajanduse jaoks.
Loe lähemalt ultraheli ja ensüümi kutinaasi sünergilisest kasutamisest PET-i ringlussevõtus!
Lineaarne mastaapimine ja lihtne integreerimine tootmisliiniga
Hielscheri inline-ultraheliseadmed on mõeldud lineaarsele tootmise laiendamisele, säilitades kindlaksmääratud parameetrid – nagu amplituud, sisendenergia, rõhk, temperatuur, voolukiirus ja viibeaeg – samal ajal ultrahelivõimsust suurendades või mitut seadet paralleelselt kasutades. Kompaktseid voolukambriga reaktoreid saab paigaldada PET-suspensiooni edastusliinile või ringlusringile, mistõttu on ultrahelitöötlust suhteliselt lihtne olemasolevasse ringlusseadmesse järelpaigaldada, ilma et oleks vaja asendada selle peamist depolümerisatsioonianumat või järgnevaid eraldusseadmeid.
Tööstuslik ultraheli-seade UIP6000hdT koos voolukambriga järjestikuliseks depolümerisatsiooniks
Tööstusprotsesside konfigureerimine
Ultraheliga toetatav PET-i ringlussevõtu liin algab tavaliselt sorteerimise, pesemise ja tükeldamisega. PET-helbed segatakse valitud reaktsioonikeskkonnaga ja pumbatakse läbi ultraheli-vooreaktori, kas ühekordselt või korduvalt ringlusringis. Seejärel suunatakse töödeldud suspensioon peamisse depolümerisatsioonireaktorisse või tagastatakse sinna.
Hüdrolüüsi puhul võib järgnev tootmisprotsess hõlmata reageerimata tahkete ainete eemaldamist, tereftalaadisoolade hapestamist, TPA kristalliseerimist, pesemist ja EG taaskasutamist. Glükolüüs nõuab BHET-i ja oligomeeride eraldamist ja puhastamist, samas kui ensümaatilised protsessid nõuavad ensüümide haldamist ja lahustuvate hüdrolüüsisaaduste taaskasutamist. Protsessisisesed mõõteriistad võimaldavad jälgida temperatuuri, rõhku, voolu ja manustatud ultrahelienergiat, mis võimaldab töötlemist väljendada korratava energiadoosina PET-i massiühiku kohta.
Tööstuslik ultrahelireaktor PET-i voogupõhiseks depolümerisatsiooniks
Korduma kippuvad küsimused ultraheli abil toimuva PET-i depolümerisatsiooni kohta
Mis on PET-i ultrahelidepolümerisatsioon?
PET-i ultrahelide abil toimuv depolümerisatsioon on ultraheliga toetatud ringlussevõtu protsess, mis aitab polüetüleentereftalaati lagundada monomeerideks või lühemateks keemilisteks vaheühenditeks. Suure võimsusega ultraheli intensiivistab hüdrolüüsi, glükolüüsi, metanoolüüsi või ensümaatilisi reaktsioone, parandades segunemist, massiülekannet ja PET-osakeste ning reaktsioonikeskkonna vahelist kontakti.
Kuidas aitab ultraheli parandada PET-i ringlussevõttu?
Ultraheli tekitab vedelikes akustilist kavitatsiooni. Mikroskoopiliste mullide kokkuvarisemine tekitab nihkejõude, mikrojette, lööklaineid ja intensiivset kohalikku segunemist. Need mõjud uuendavad PET-pinda, hajutavad osakesi ja katalüsaatoreid, vähendavad difusioonibarjääre ning suurendavad kättesaadavat reaktsioonipinda, kiirendades potentsiaalselt depolümerisatsiooni ja parandades monomeeri saagikust.
Kas ultraheli abil on võimalik PET-i depolümeriseerida ilma kemikaalide või ensüümideta?
Ultraheli võib sobivates tingimustes osakesi tükeldada ja põhjustada polümeeriahela piiratud lõhustumist, kuid tavaliselt ei taga see iseenesest PET-i selektiivset ja täielikku depolümerisatsiooni. Selle peamine tööstuslik ülesanne on tugevdada juba väljakujunenud keemilist või ensümaatilist ringlusreaktsiooni.
Milliseid PET-i ringlussevõtu protsesse saab ultraheliga toetada?
Ultrahelitöötlus võib soodustada aluselist, happelist või neutraalset hüdrolüüsi; glükolüüsi etüleenglükooliga; metanoolüüsi; katalüütilist solvolüüsi; ning ensümaatilist PET-hüdrolüüsi. Sobiv ultraheli intensiivsus, temperatuur, rõhk ja viibeaeg sõltuvad valitud reaktsioonist ja soovitud saadustest.
Milliseid tooteid saab ultraheli-PET-i ringlussevõtu teel taaskasutada?
Hüdrolüüsi teel on võimalik saada tereftaalhapet ja etüleenglükooli, samas kui glükolüüsi käigus tekib tavaliselt bis(2-hüdroksüetüül)tereftalaat, mida tuntakse üldiselt lühendiga BHET, koos lühemate oligomeeridega. Metanoolüüsi käigus tekib dimetüültereftalaat ja etüleenglükool. Puhastamise järel saab neid aineid kasutada uute polümeeride ja muude keemiatoodete tootmiseks.
Kas ultraheli abil on võimalik lühendada PET-i depolümerisatsiooni aega või alandada selle temperatuuri?
Ultraheli võib kiirendada faasipiirireaktsioone ning võimaldada lühemaid viibeaegu või leebemaid töötlemistingimusi. Tegelik kasu sõltub PET-osakeste suurusest, kristallilisusest, tahkete ainete kontsentratsioonist, lahustist, katalüsaatorist ja reaktori konfiguratsioonist. Pilootkatsed on vajalikud, et kindlaks teha, kas aja või temperatuuri vähendamine kompenseerib ultrahelitöötluseks vajaliku täiendava elektrienergia.
Kas ultrahelide abil toimuv depolümerisatsioon sobib tarbijate poolt kasutuselt kõrvaldatud PET-i töötlemiseks?
Jah, ultraheli abil toimiva ringlussevõtu protsessiga on võimalik töödelda pestud ja tükeldatud tarbijajäätmetest pärit PET-i, sealhulgas pudeleid, pakendeid ja potentsiaalselt polüesteririkkaid tekstiilijäätmeid. Tooraine sorteerimine ja eeltöötlus on endiselt olulised, kuna värvained, mitmekihilised materjalid, muud polümeerid, lisaained ja mustus võivad mõjutada reaktsiooni tulemuslikkust ja monomeeri puhtust järgnevas tootmisprotsessis.
Kas Hielscheri inline-ultraheliseadmeid on võimalik suurendada ja paigaldada olemasolevatesse PET-i ringlussevõtu tehastesse?
Hielscheri inline-ultraheliseadmed toetavad lineaarset mastaapimist, kandes kindlaksmääratud parameetrid – nagu amplituud, sisendenergia, rõhk, temperatuur, voolukiirus ja viibeaeg – pilootkatsetest üle suurematesse töötlemisseadmetesse või paralleelsetesse ultraheliseadmete klastritesse. Nende kompaktsed voolukambriga reaktorid saab integreerida olemasolevasse PET-suspensiooni edastusliini või ringlusringi, võimaldades suhteliselt lihtsat moderniseerimist ilma tehase peamise depolümerisatsioonireaktori väljavahetamiseta.
Kas PET-i depolümerisatsioon ultraheliga võib toimuda pidevalt?
Jah. PET-suspensiooni saab pumbata ultraheli-voo-rakureaktori läbi ühe läbivooluga või seda korduvalt ringlusse lasta, kuni saavutatakse siht-energiadoos või konversioon. Pidev voosüsteemis toimuv ultrahelitöötlus tagab kontrollitud viibeaega, korratava töötlemise ning lihtsama integreerimise tööstuslike pumpade, soojusvahetite, reaktsioonianumate ja eraldusseadmetega.
Millised parameetrid mõjutavad PET-i depolümerisatsiooni ultraheli abil?
Oluliste töötingimuste hulka kuuluvad ultraheli amplituud, spetsiifiline energiatarbimine, rõhk, temperatuur, voolukiirus, viibeaeg, impulssrežiim, PET-osakeste suurus, tahkete ainete sisaldus, kristallilisus ja reaktori geomeetria. Keemilisi parameetreid – sealhulgas lahusti koostis, katalüsaatori kontsentratsioon, pH ja PET-i ja reagendi suhe – tuleb optimeerida koos ultraheli tingimustega.
Kas ultraheli võib parandada ensümaatilist PET-i ringlussevõttu?
Lühiajaline, kontrollitud ultrahelitöötlus võib parandada ensüümi jaotumist, ensüümi ja substraadi kokkupuudet, PET-pinna ligipääsetavust ning lahustuvate lagunemissaaduste vabanemist. Liiga suur ultraheliintensiivsus või pikaajaline kokkupuude võib ensüümi inaktiveerida, mistõttu on impulss-ultrahelitöötlus või lühike aktiveerimisetapp sageli eelistatavam kui pidev töötlemine. Loe lähemalt!
Kas PET-i ringlussevõtt ultraheli abil on keskkonnasäästlik?
Ultrahelitöötlus võib parandada jätkusuutlikkust, kui kiiremad reaktsioonid, madalamad temperatuurid, väiksem katalüsaatori tarbimine, suurem monomeeri saagis või väiksemad reaktorid kaaluvad üles ultraheliseadme poolt tarbitava elektrienergia. Täielik hindamine peaks hõlmama ka tooraine eeltöötlust, lahustite ja reaktiivide taaskasutamist, toote puhastamist, reovee teket ning elektrienergia varustamise süsinikdioksiidiheite intensiivsust.
Kuidas erineb ultrahelil põhinev keemiline ringlussevõtt mehaanilisest PET-i ringlussevõtust?
Mehaaniline ringlussevõtt peseb, sulatab ja vormib PET-i ümber, säilitades samal ajal suures osas polümeeriahelad. Ultraheliline keemiline ringlussevõtt aitab neid ahelaid lagundada monomeerideks või vaheühenditeks, mida on võimalik puhastada ja uuesti polümeriseerida. Seetõttu võib see olla kasulik PET-voogude puhul, mida on värvi, saastatuse, lagunemise või toote kvaliteedinõuete tõttu raske mehaaniliselt ringlussevõtta.
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 Lab kuni tööstuslik suurus.