هیدرولیز قلیایی به کمک فراصوت برای بازیافت PET
هیدرولیز قلیایی روشی مؤثر برای پلیمروزدایی ضایعات پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) است. این فرایند PET را به نمک‌های ترفتالات تبدیل می‌کند که سپس می‌توان با اسیدی‌کردن آن‌ها، اسید ترفتالیک (TPA) با خلوص بالا را برای تولید PET جدید و سایر مواد پلی‌استری بازیابی کرد. فراصوت پرتوان، یا فراصوت‌دهی، اختلاط و انتقال جرم را بهبود می‌بخشد و می‌تواند هیدرولیز PET را به‌طور چشمگیری تسریع کند. با چگونگی سریع‌تر و کارآمدتر شدن بازیافت PET به کمک فراصوت‌دهی آشنا شوید.
رویکردی پایدار و کارآمد برای پلیمروزدایی پلی‌اتیلن ترفتالات با استفاده از انرژی فراصوت
در هیدرولیز، PET در شرایط اسیدی، خنثی یا قلیایی با آب واکنش می‌دهد و اسید ترفتالیک (TPA) و اتیلن گلیکول (EG) تولید می‌کند. هیدرولیز متداول ممکن است به دماهای بالا، فشار زیاد، واکنشگرهای غلیظ یا زمان‌های ماند طولانی نیاز داشته باشد، زیرا واکنش در سطح مشترک میان یک پلیمر جامد نسبتاً مقاوم و فاز مایع رخ می‌دهد. اختلاط ناشی از فراصوت‌دهی می‌تواند این واکنش بین‌سطحی را تسریع کند، کاتالیز انتقال فاز را بهبود دهد و در شرایط واکنش ملایم‌تر، میزان تبدیل بیشتری فراهم کند.
دربارهٔ خوراک PET و شرایط واکنش خود به ما بگویید. کارشناسان فراصوت‌دهی ما، سونیکاتور و پیکربندی راکتور بهینه را برای فرایند بازیافت شما پیشنهاد خواهند کرد.
سونیکاتور صنعتی UIP1600hdT پلیمروزدایی پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) را برای بهبود بازیافت تشدید می‌کند
نتایج علمی: فراصوت‌دهی بازیافت PET را بهبود می‌بخشد
فراصوت‌دهی بازیابی مونومر خالص را در محیط‌های غیرآبی با دمای پایین تسریع می‌کند
مطالعهٔ منتشرشده در سال 2017 توسط Bhogle و Pandit نشان می‌دهد که استفاده از فراصوت 20 kHz، هیدرولیز قلیایی ضایعات PET را، به‌ویژه در محیط‌های متانولی غیرآبی، به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد. پژوهشگران دریافتند که فراصوت در مدت 60 دقیقه و در دمای 50°C، میزان تبدیل PET را به 69% رساند، درحالی‌که این مقدار بدون فراصوت‌دهی تنها 46% بود. این فرایند امکان بازیابی اسید ترفتالیک (TA) خالص را در شرایط ملایم‌تر فراهم می‌کند و راهبردی نوین و بدون حلال برای پردازش ضایعات PET پس از مصرف ارائه می‌دهد. این مطالعه تأکید می‌کند که ریزاختلاط فراصوتی، بسامد برخورد میان PET و مولکول‌های قلیا را افزایش می‌دهد و از این طریق سرعت واکنش را بالا می‌برد و فرایند پلیمروزدایی را برای کاربردهای بازیافت در مقیاس بزرگ‌تر از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه‌تر می‌کند.
فراصوت‌دهی زمان واکنش و هزینه‌های فرایند را به‌شدت کاهش می‌دهد
مطالعهٔ منتشرشده در سال 2013 توسط Paliwal و Mungray نشان می‌دهد که استفاده از فراصوت، زمان واکنش لازم برای هیدرولیز قلیایی PET در حضور کاتالیست انتقال فاز را به‌شدت کاهش می‌دهد. درحالی‌که روش متداول برای دستیابی به تبدیل 100% PET به اسید ترفتالیک به بیش از 65 دقیقه نیاز داشت، فرایند به کمک فراصوت واکنش را تنها در 45 دقیقه کامل کرد. این مطالعه تأیید می‌کند که فراصوت سازوکار ذاتی واکنش را تغییر نمی‌دهد، اما از طریق افزایش کاویتاسیون و انتقال جرم، سرعت واکنش را به‌طور چشمگیری بالا می‌برد. این افزایش کارایی برای صنعت بازیافت بسیار حائز اهمیت است، زیرا هزینه‌های فرایند و نیاز به انرژی را کاهش می‌دهد و توان رقابت بازیافت شیمیایی با تولید مواد بکر را افزایش می‌دهد.
فراصوت‌دهی با اصلاح سطح، دسترسی آنزیم‌ها را بهبود می‌بخشد
مطالعهٔ منتشرشده در سال 2016 توسط Pellis و همکاران، اثر هم‌افزای فراصوت بر هیدرولیز آنزیمی را بررسی می‌کند و نشان می‌دهد که فراصوت‌دهی با ایجاد زبری‌های میکروسکوپی و نقص‌های سطحی، مساحت سطح PET را افزایش می‌دهد. این اصلاح فیزیکی، دسترسی آنزیم‌ها به زنجیره‌های پلیمری را افزایش می‌دهد و کارایی پلیمروزدایی آنزیمی را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد. این رویکرد با پیوند دادن روش‌های بازیافت شیمیایی و زیستی، جایگزینی سازگارتر با محیط زیست ارائه می‌دهد که در شرایط ملایم‌تری نسبت به هیدرولیز قلیایی متداول عمل می‌کند و می‌تواند ضمن حفظ نرخ بالای بازیابی مونومر برای اقتصاد چرخشی، مصرف انرژی را کاهش دهد.
دربارهٔ کاربرد هم‌افزای فراصوت‌دهی و آنزیم کوتیناز در بازیافت PET بیشتر بخوانید!
افزایش مقیاس خطی و ادغام آسان در واحد صنعتی
سونیکاتورهای درون‌خطی Hielscher برای افزایش مقیاس خطی طراحی شده‌اند؛ به این صورت که هم‌زمان با افزایش توان فراصوت یا بهره‌برداری موازی از چندین دستگاه، پارامترهای مشخصی – مانند دامنه، انرژی ورودی، فشار، دما، دبی و زمان ماند – حفظ می‌شوند. راکتورهای فشردهٔ سلول جریان را می‌توان در خط انتقال دوغاب PET یا حلقهٔ بازگردش نصب کرد؛ بنابراین افزودن فراصوت‌دهی به یک واحد بازیافت موجود، بدون تعویض مخزن اصلی پلیمروزدایی یا تجهیزات جداسازی پایین‌دستی آن، نسبتاً ساده است.
سونیکاتور صنعتی UIP6000hdT مجهز به سلول جریان برای پلیمروزدایی درون‌خطی
پیکربندی فرایند صنعتی
خط بازیافت PET به کمک فراصوت معمولاً با تفکیک، شست‌وشو و کاهش اندازه آغاز می‌شود. پرک‌های PET با محیط واکنش انتخاب‌شده مخلوط شده و با پمپ، یک‌بار یا به‌دفعات در یک حلقهٔ بازگردش، از راکتور جریان فراصوتی عبور داده می‌شوند. سپس سوسپانسیون تیمارشده وارد راکتور اصلی پلیمروزدایی می‌شود یا به آن بازمی‌گردد.
برای هیدرولیز، مجموعهٔ مراحل پایین‌دستی ممکن است شامل حذف جامدات واکنش‌نداده، اسیدی‌کردن نمک‌های ترفتالات، تبلور TPA، شست‌وشو و بازیابی EG باشد. گلیکولیز مستلزم جداسازی و خالص‌سازی BHET و الیگومرها است، درحالی‌که فرایندهای آنزیمی به مدیریت آنزیم و بازیابی محصولات محلول هیدرولیز نیاز دارند. ابزارهای درون‌خطی می‌توانند دما، فشار، دبی و انرژی فراصوت تحویل‌داده‌شده را پایش کنند و به این ترتیب امکان بیان تیمار به‌صورت دوز انرژی تکرارپذیر به‌ازای واحد جرم PET را فراهم سازند.
راکتور فراصوتی صنعتی برای پلیمروزدایی درون‌خطی PET
پرسش‌های متداول دربارهٔ پلیمروزدایی فراصوتی PET
پلیمروزدایی فراصوتی PET چیست؟
پلیمروزدایی فراصوتی PET یک فرایند بازیافت به کمک فراصوت است که به شکستن پلی‌اتیلن ترفتالات به مونومرها یا حدواسط‌های شیمیایی کوتاه‌تر کمک می‌کند. فراصوت پرتوان با بهبود اختلاط، انتقال جرم و تماس میان ذرات PET و محیط واکنش، هیدرولیز، گلیکولیز، متانولیز یا واکنش‌های آنزیمی را تشدید می‌کند.
فراصوت چگونه بازیافت PET را بهبود می‌بخشد؟
فراصوت در مایعات کاویتاسیون آکوستیکی ایجاد می‌کند. فروپاشی حباب‌های میکروسکوپی، نیروهای برشی، ریزجت‌ها، امواج ضربه‌ای و اختلاط موضعی شدید به وجود می‌آورد. این اثرات سطح PET را تازه می‌کنند، ذرات و کاتالیست‌ها را پراکنده می‌سازند، موانع نفوذ را کاهش می‌دهند و سطح در دسترس برای واکنش را افزایش می‌دهند و در نتیجه می‌توانند پلیمروزدایی را تسریع کرده و بازیابی مونومر را بهبود بخشند.
آیا فراصوت می‌تواند PET را بدون مواد شیمیایی یا آنزیم‌ها پلیمروزدایی کند؟
فراصوت می‌تواند در شرایط مناسب ذرات را خرد کند و موجب گسست محدود زنجیره‌های پلیمری شود، اما معمولاً به‌تنهایی پلیمروزدایی گزینشی و کامل PET را فراهم نمی‌کند. نقش اصلی صنعتی آن، تشدید یک واکنش تثبیت‌شدهٔ بازیافت شیمیایی یا آنزیمی است.
فراصوت‌دهی می‌تواند به کدام فرایندهای بازیافت PET کمک کند؟
فراصوت‌دهی می‌تواند به هیدرولیز قلیایی، اسیدی یا خنثی؛ گلیکولیز با اتیلن گلیکول؛ متانولیز؛ حلال‌کافت کاتالیستی؛ و هیدرولیز آنزیمی PET کمک کند. شدت فراصوت، دما، فشار و زمان ماند مناسب به واکنش انتخاب‌شده و محصولات موردنظر بستگی دارند.
چه محصولاتی را می‌توان از بازیافت فراصوتی PET بازیابی کرد؟
با هیدرولیز می‌توان اسید ترفتالیک و اتیلن گلیکول را بازیابی کرد، درحالی‌که گلیکولیز معمولاً بیس(2-هیدروکسی‌اتیل) ترفتالات، که عموماً با نام BHET شناخته می‌شود، همراه با الیگومرهای کوتاه‌تر تولید می‌کند. متانولیز، دی‌متیل ترفتالات و اتیلن گلیکول تولید می‌کند. پس از خالص‌سازی، می‌توان از این مواد برای ساخت پلیمرهای جدید و سایر محصولات شیمیایی استفاده کرد.
آیا فراصوت می‌تواند زمان یا دمای پلیمروزدایی PET را کاهش دهد؟
فراصوت می‌تواند واکنش‌های بین‌سطحی را تسریع کند و ممکن است زمان‌های ماند کوتاه‌تر یا شرایط فرایندی ملایم‌تر را امکان‌پذیر سازد. میزان بهبود واقعی به اندازهٔ ذرات PET، بلورینگی، غلظت جامدات، حلال، کاتالیست و پیکربندی راکتور بستگی دارد. انجام آزمون‌های پایلوت ضروری است تا مشخص شود آیا کاهش زمان یا دما، انرژی الکتریکی اضافی موردنیاز برای فراصوت‌دهی را جبران می‌کند یا خیر.
آیا پلیمروزدایی فراصوتی برای PET پس از مصرف مناسب است؟
بله، بازیافت به کمک فراصوت می‌تواند PET پس از مصرف را که شسته شده و اندازهٔ آن کاهش یافته است، از جمله بطری‌ها، بسته‌بندی‌ها و احتمالاً ضایعات نساجی با محتوای بالای پلی‌استر، پردازش کند. تفکیک و پیش‌تیمار خوراک همچنان اهمیت دارند، زیرا رنگ‌ها، مواد چندلایه، سایر پلیمرها، افزودنی‌ها و آلودگی‌ها می‌توانند بر عملکرد واکنش و خلوص مونومر در مراحل پایین‌دستی تأثیر بگذارند.
آیا می‌توان مقیاس سونیکاتورهای درون‌خطی Hielscher را افزایش داد و آن‌ها را به واحدهای موجود بازیافت PET افزود؟
سونیکاتورهای درون‌خطی Hielscher با انتقال پارامترهای مشخصی مانند دامنه، انرژی ورودی، فشار، دما، دبی و زمان ماند از آزمون‌های پایلوت به پردازشگرهای بزرگ‌تر یا مجموعه‌های موازی سونیکاتور، از افزایش مقیاس خطی پشتیبانی می‌کنند. راکتورهای فشردهٔ سلول جریان آن‌ها را می‌توان در خط انتقال دوغاب PET یا حلقهٔ بازگردش موجود ادغام کرد و به این ترتیب، بدون تعویض راکتور اصلی پلیمروزدایی واحد، ارتقایی نسبتاً ساده انجام داد.
آیا پلیمروزدایی فراصوتی PET می‌تواند به‌صورت پیوسته انجام شود؟
بله. دوغاب PET را می‌توان با پمپ در یک گذر از راکتور سلول جریان فراصوتی عبور داد یا تا رسیدن به دوز انرژی یا میزان تبدیل هدف، بارها به گردش درآورد. فراصوت‌دهی پیوستهٔ درون‌خطی، زمان ماند کنترل‌شده، تیمار تکرارپذیر و ادغام آسان‌تر با پمپ‌های صنعتی، مبدل‌های حرارتی، مخازن واکنش و تجهیزات جداسازی را فراهم می‌کند.
کدام پارامترها پلیمروزدایی فراصوتی PET را کنترل می‌کنند؟
متغیرهای مهم عملیاتی شامل دامنهٔ فراصوت، انرژی ورودی ویژه، فشار، دما، دبی، زمان ماند، حالت پالسی، اندازهٔ ذرات PET، بارگذاری جامدات، بلورینگی و هندسهٔ راکتور هستند. متغیرهای شیمیایی – شامل ترکیب حلال، غلظت کاتالیست، pH و نسبت PET به واکنشگر – باید همراه با شرایط فراصوت بهینه شوند.
آیا فراصوت می‌تواند بازیافت آنزیمی PET را بهبود بخشد؟
فراصوت‌دهی کوتاه و کنترل‌شده می‌تواند پراکندگی آنزیم، تماس آنزیم–سوبسترا، دسترسی به سطح PET و آزادسازی محصولات محلول تجزیه را بهبود بخشد. شدت بیش‌ازحد فراصوت یا مواجههٔ طولانی‌مدت ممکن است آنزیم را غیرفعال کند؛ بنابراین فراصوت‌دهی پالسی یا یک مرحلهٔ کوتاه فعال‌سازی اغلب بر تیمار پیوسته ترجیح دارد. بیشتر بخوانید!
آیا بازیافت فراصوتی PET از نظر زیست‌محیطی پایدار است؟
فرایند فراصوتی زمانی می‌تواند پایداری را بهبود بخشد که مزایای واکنش‌های سریع‌تر، دماهای پایین‌تر، کاهش مصرف کاتالیست، بازده بالاتر مونومر یا راکتورهای کوچک‌تر بر مصرف برق سونیکاتور برتری داشته باشند. ارزیابی کامل باید پیش‌تیمار خوراک، بازیابی حلال و واکنشگر، خالص‌سازی محصول، تولید فاضلاب و شدت کربن برق تأمین‌شده را نیز در نظر بگیرد.
بازیافت شیمیایی فراصوتی چه تفاوتی با بازیافت مکانیکی PET دارد؟
در بازیافت مکانیکی، PET شسته، ذوب و دوباره شکل‌دهی می‌شود و در این میان زنجیره‌های پلیمری تا حد زیادی حفظ می‌شوند. بازیافت شیمیایی فراصوتی به شکستن این زنجیره‌ها به مونومرها یا حدواسط‌هایی کمک می‌کند که قابلیت خالص‌سازی و پلیمریزه‌شدن مجدد دارند. بنابراین این روش ممکن است برای جریان‌های PET که بازیافت مکانیکی آن‌ها به‌دلیل رنگ، آلودگی، تخریب یا الزامات کیفیت محصول دشوار است، مفید باشد.
منابع علمی / مراجع
- 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 هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.