هیدرولیز آلکالاین با کمک اولتراسوند برای بازیافت PET
هیدرولیز قلیایی یک روش موثر برای پلیمریزاسیون ضایعات پلی اتیلن ترفتالات (PET) است. این فرآیند PET را به نمک های ترفتالات تبدیل می کند، که سپس می تواند اسیدی شود تا اسید ترفتالیک با خلوص بالا (TPA) را برای تولید PET جدید و سایر مواد پلی استر بازیابی کند. اولتراسوند قدرت یا فراصوت، اختلاط و انتقال جرم را افزایش می دهد و می تواند هیدرولیز PET را به میزان قابل توجهی تسریع کند. بیاموزید که چگونه فراصوت می تواند بازیافت PET را سریعتر و کارآمدتر کند.
یک رویکرد پایدار و کارآمد برای پلیمریزاسیون پلی اتیلن ترفتالات با استفاده از انرژی اولتراسوند
در هیدرولیز، PET در شرایط اسیدی، خنثی یا قلیایی با آب واکنش می دهد و اسید ترفتالیک (TPA) و اتیلن گلیکول (EG) تولید می کند. هیدرولیز معمولی میتواند به دماهای بالا، فشار بالا، معرفهای متمرکز یا زمانهای ماندگاری طولانی نیاز داشته باشد زیرا واکنش در سطح مشترک بین پلیمر جامد نسبتاً مقاوم و فاز مایع رخ میدهد. اختلاط مبتنی بر فراصوت میتواند این واکنش سطحی را تسریع کند، کاتالیز انتقال فاز را بهبود بخشد و در شرایط واکنش ملایمتر به تبدیل بهبود یافته دست یابد.
در مورد خوراک PET و شرایط واکنش خود به ما بگویید. کارشناسان فراصوت ما پیکربندی بهینه سونیکاتور و راکتور را برای فرآیند بازیافت به شما توصیه می کنند.
سونیکاتور صنعتی UIP1600hdT دپلیمریزاسیون پلیاتیلن ترفتالات (PET) را برای بازیافت بهتر تقویت میکند
نتایج علمی: سونیکاسیون بازیافت PET را بهبود میبخشد
سونیکاسیون بازیابی مونومر خالص را در محیطهای غیرآبی با دمای پایین تسریع میکند
مطالعه منتشر شده در سال 2017 توسط Bhogle و Pandit نشان می دهد که استفاده از امواج فراصوت 20 کیلوهرتز به طور قابل توجهی هیدرولیز قلیایی ضایعات PET را افزایش می دهد، به ویژه در محیط های متانولی غیر آبی. محققان دریافتند که اولتراسوند تبدیل PET 69% را در 60 دقیقه در دمای 50 درجه سانتیگراد به دست آورد، در حالی که تنها 46% بدون سونیکاسیون. این فرآیند امکان بازیابی اسید ترفتالیک خالص (TA) را در شرایط ملایمتر فراهم میکند و یک استراتژی جدید و بدون حلال برای تصفیه زبالههای PET پس از مصرف ارائه میدهد. این مطالعه نشان میدهد که میکرو اختلاط اولتراسونیک فرکانس برخورد بین PET و مولکولهای قلیایی را افزایش میدهد، در نتیجه سرعت واکنش را تشدید میکند و فرآیند depolymerization را از نظر اقتصادی برای کاربردهای بازیافت در مقیاس بزرگتر مقرون به صرفهتر میکند.
سونیکاسیون زمان واکنش و هزینه های پردازش را به شدت کاهش می دهد
مطالعه منتشر شده در سال 2013 توسط Paliwal و Mungray نشان می دهد که کمک اولتراسونیک به شدت زمان واکنش مورد نیاز برای هیدرولیز قلیایی PET را در حضور کاتالیزور انتقال فاز کاهش می دهد. در حالی که روش مرسوم به بیش از 65 دقیقه برای دستیابی به تبدیل 100٪ PET به اسید ترفتالیک نیاز داشت، فرآیند به کمک اولتراسوند واکنش را تنها در 45 دقیقه تکمیل کرد. این مطالعه تایید می کند که اولتراسوند مکانیسم واکنش ذاتی را تغییر نمی دهد، اما به طور قابل توجهی سرعت واکنش را از طریق افزایش کاویتاسیون و انتقال جرم افزایش می دهد. این افزایش بهره وری بسیار به صنعت بازیافت مرتبط است زیرا هزینه های پردازش و تقاضای انرژی را کاهش می دهد و بازیافت شیمیایی را با تولید مواد اولیه رقابتی تر می کند.
سونیکاسیون دسترسی آنزیمی را از طریق اصلاح سطح افزایش می دهد
مطالعه منتشر شده در سال 2016 توسط Pellis و همکارانش به بررسی اثر هم افزایی امواج فراصوت بر هیدرولیز آنزیمی می پردازد و نشان می دهد که فراصوت با ایجاد ریز زبری و نقص، سطح PET را افزایش می دهد. این اصلاح فیزیکی دسترسی آنزیم ها به زنجیره های پلیمری را افزایش می دهد و به طور قابل توجهی کارایی پلیمریزاسیون آنزیمی را بهبود می بخشد. با پر کردن شکاف بین روشهای بازیافت شیمیایی و بیولوژیکی، این رویکرد جایگزین سبزتری را ارائه میکند که در شرایط ملایمتر از هیدرولیز قلیایی سنتی عمل میکند و به طور بالقوه مصرف انرژی را کاهش میدهد و در عین حال نرخ بازیابی مونومر بالایی را برای اقتصاد دایرهای حفظ میکند.
در مورد کاربرد هم افزایی فراصوت و آنزیم کوتیناز در بازیافت PET بیشتر بخوانید!
مقیاس خطی و ادغام مستقیم گیاه
سونیکاتورهای درون خطی Hielscher برای افزایش مقیاس خطی با حفظ پارامترهای تعریف شده طراحی شده اند – مانند دامنه، انرژی ورودی، فشار، دما، سرعت جریان و زمان ماند – در حالی که توان اولتراسونیک را افزایش می دهد یا چندین واحد را به صورت موازی کار می کند. راکتورهای سلول جریان فشرده را می توان در یک خط انتقال دوغاب PET یا حلقه چرخش مجدد نصب کرد، که باعث می شود فرآیند سونیکاسیون در یک کارخانه بازیافت موجود بدون تعویض مخزن پلیمریزاسیون اصلی یا تجهیزات جداسازی پایین دست، نسبتاً ساده باشد.
سونیکاتور صنعتی UIP6000hdT با سلول جریان برای دپلیمریزاسیون درون خطی
پیکربندی فرآیند صنعتی
خط بازیافت PET با کمک اولتراسوند معمولاً با مرتبسازی، شستشو و کاهش اندازه شروع میشود. تکه های PET با محیط واکنش انتخاب شده مخلوط می شوند و از طریق یک راکتور جریان اولتراسونیک، یک بار یا به طور مکرر در یک حلقه چرخش مجدد پمپ می شوند. سپس سوسپانسیون تیمار شده وارد راکتور اصلی دپلیمریزاسیون می شود یا به آن باز می گردد.
برای هیدرولیز، مسیر پایین دستی ممکن است شامل حذف جامدات واکنش نیافته، اسیدی شدن نمک های ترفتالات، تبلور TPA، شستشو و بازیابی EG باشد. گلیکولیز نیازمند جداسازی و تصفیه BHET و الیگومرها است، در حالی که فرآیندهای آنزیمی نیازمند مدیریت آنزیم و بازیابی محصولات هیدرولیز محلول هستند. ابزارهای خطی می توانند دما، فشار، جریان و انرژی اولتراسونیک منتقل شده را پایش کنند و این امکان را می دهند که درمان به صورت دوز انرژی قابل تکرار به ازای هر واحد جرم PET بیان شود.
راکتور اولتراسونیک صنعتی برای دیپلیمریزاسیون خطی PET
سؤالات متداول درباره دیپلیمریزاسیون اولتراسونیک PET
دیپلیمریزاسیون اولتراسونیک PET چیست؟
دیپلیمریزاسیون اولتراسونیک PET یک فرآیند بازیافت با کمک اولتراسوند است که به شکستن پلیاتیلن ترفتالات به تکمادهها یا واسطههای شیمیایی کوتاهتر کمک میکند. اولتراسوند با قدرت بالا هیدرولیز، گلیکولیز، متانولیز یا واکنشهای آنزیمی را با بهبود اختلاط، انتقال جرم و تماس بین ذرات PET و محیط واکنش تشدید میکند.
چگونه اولتراسوند بازیافت PET را بهبود می بخشد؟
سونوگرافی باعث ایجاد حفره صوتی در مایعات می شود. فروپاشی حباب های میکروسکوپی باعث ایجاد نیروهای برشی، ریزجت ها، امواج ضربه ای و اختلاط موضعی شدید می شود. این اثرات سطح PET را تجدید می کند، ذرات و کاتالیزورها را پراکنده می کند، موانع انتشار را کاهش می دهد و ناحیه واکنش قابل دسترسی را افزایش می دهد و به طور بالقوه باعث تسریع دپلیمریزاسیون و بهبود بازیابی مونومر می شود.
آیا اولتراسوند می تواند PET را بدون مواد شیمیایی یا آنزیم دپلیمریز کند؟
اولتراسوند می تواند ذرات را تکه تکه کند و در شرایط مناسب باعث بریدگی زنجیره پلیمری محدود شود، اما به طور معمول به خودی خود پلیمریزاسیون انتخابی و کامل PET را فراهم نمی کند. نقش صنعتی اولیه آن تشدید یک واکنش بازیافت شیمیایی یا آنزیمی است.
کدام فرآیندهای بازیافت PET میتوانند با اولتراسونیک کمک شوند؟
اولتراسونیک میتواند از هیدرولیز قلیایی، اسیدی یا خنثی؛ گلیکولیز با اتیلن گلیکول؛ متانولیز؛ سولوولیز کاتالیزوری؛ و هیدرولیز آنزیمی PET پشتیبانی کند. شدت اولتراسونیک مناسب، دما، فشار و زمان ماندگاری بستگی به واکنش انتخابی و محصولات مورد نظر دارد.
چه محصولاتی را میتوان از بازیافت PET با اولتراسونیک بدست آورد؟
هیدرولیز میتواند اسید ترفتالات و اتیلن گلیکول را بازیابی کند، در حالی که گلیکولیز معمولاً بیس(2-هیدروکسیاتیل) ترفتالات، که به طور معمول به نام BHET شناخته میشود، همراه با الیگومرهای کوتاهتر تولید میکند. متانولیز، دیمتیل ترفتالات و اتیلن گلیکول تولید میکند. پس از تصفیه، این مواد میتوانند برای تولید پلیمرهای جدید و سایر محصولات شیمیایی مورد استفاده قرار گیرند.
آیا اولتراسوند میتواند زمان یا دمای depolymerization PET را کاهش دهد؟
اولتراسوند میتواند واکنشهای بینسطحی را تسریع کند و ممکن است زمان ماند کوتاهتر یا شرایط پردازش ملایمتر را ممکن سازد. بهبود واقعی به اندازه ذرات PET، بلورینگی، غلظت جامدات، حلال، کاتالیزور و پیکربندی راکتور بستگی دارد. آزمایشهای پایلوت برای تعیین این که آیا زمان یا دمای کاهش یافته، انرژی الکتریکی اضافی مورد نیاز برای سونیکیشن را جبران میکند یا خیر، ضروری است.
آیا depolymerization با استفاده از اولتراسونیک برای PET پس از مصرف مناسب است؟
بله، بازیافت به کمک اولتراسوند می تواند PET شسته شده و کاهش یافته پس از مصرف را پردازش کند، از جمله بطری ها، بسته بندی ها و ضایعات نساجی غنی از پلی استر. مرتبسازی و پیش تصفیه مواد اولیه مهم است زیرا رنگها، مواد چندلایه، سایر پلیمرها، مواد افزودنی و کثیفی میتوانند بر عملکرد واکنش و خلوص مونومر پاییندست تأثیر بگذارند.
آیا میتوان دستگاههای سونیکاتور داخلی Hielscher را بزرگتر کرد و در کارخانههای بازیافت PET جدید نصب کرد؟
سونیکاتورهای درون خطی Hielscher با انتقال پارامترهای تعریف شده مانند دامنه، ورودی انرژی، فشار، دما، سرعت جریان و زمان ماندن از آزمایشهای آزمایشی به پردازندههای بزرگتر یا خوشههای سونیکاتور موازی، از مقیاسپذیری خطی پشتیبانی میکنند. راکتورهای سلول جریان فشرده آنها را می توان در یک خط انتقال دوغاب PET موجود یا حلقه چرخش ادغام کرد، که امکان بازسازی نسبتاً ساده را بدون جایگزینی راکتور اصلی دپلیمریزاسیون کارخانه فراهم می کند.
آیا پلیمریزاسیون اولتراسونیک PET می تواند به طور مداوم عمل کند؟
بله. دوغاب PET را می توان از طریق یک راکتور سلول جریان اولتراسونیک در یک گذر پمپ کرد یا به طور مکرر در گردش تا زمانی که به دوز یا تبدیل انرژی هدف رسید. سونیکاسیون درون خطی پیوسته زمان اقامت کنترل شده، عملیات تکرارپذیر و ادغام آسان تر با پمپ های صنعتی، مبدل های حرارتی، مخازن واکنش و تجهیزات جداسازی را فراهم می کند.
کدام پارامترها پلیمریزاسیون اولتراسونیک PET را کنترل می کنند؟
متغیرهای عملیاتی مهم عبارتند از دامنه اولتراسونیک، انرژی ورودی ویژه، فشار، دما، سرعت جریان، زمان ماندن، حالت پالس، اندازه ذرات PET، بارگذاری جامدات، بلورینگی، و هندسه راکتور. متغیرهای شیمیایی - از جمله ترکیب حلال، غلظت کاتالیزور، pH و نسبت PET به معرف - باید در کنار شرایط اولتراسونیک بهینه شوند.
آیا سونوگرافی می تواند بازیافت آنزیمی PET را بهبود بخشد؟
سونیکاسیون کوتاه و کنترل شده می تواند پراکندگی آنزیم، تماس آنزیم- بستر، دسترسی به سطح PET و انتشار محصولات تجزیه محلول را بهبود بخشد. شدت فراصوت بیش از حد یا قرار گرفتن در معرض طولانی مدت ممکن است آنزیم را غیرفعال کند، بنابراین سونیکاسیون پالسی یا یک فاز فعال سازی کوتاه اغلب به درمان مداوم ترجیح داده می شود. ادامه مطلب!
آیا بازیافت PET با اولتراسونیک از نظر محیط زیستی پایدار است؟
پردازش اولتراسونیک میتواند پایداری را بهبود بخشد وقتی که واکنشهای سریعتر، دماهای پایینتر، مصرف کمتر کاتالیزور، بازدهی بالاتر مونومر، یا راکتورهای کوچکتر، بر مصرف برق سونیکیتور غلبه کنند. ارزیابی کامل همچنین باید شامل پیشپردازش ماده اولیه، بازیابی حلال و واکنشدهنده، تصفیه محصول، تولید فاضلاب، و شدت کربنی برق مصرفی باشد.
بازیافت شیمیایی اولتراسونیک چگونه با بازیافت مکانیکی PET متفاوت است؟
بازیافت مکانیکی PET را شستشو، ذوب و اصلاح می کند در حالی که زنجیره های پلیمری را تا حد زیادی حفظ می کند. بازیافت مواد شیمیایی اولتراسونیک به شکستن این زنجیره ها به مونومرها یا واسطه هایی که قابل تصفیه و پلیمریزه مجدد هستند کمک می کند. بنابراین ممکن است برای جریان های PET که بازیافت مکانیکی آن ها به دلیل رنگ، آلودگی، تخریب یا الزامات کیفیت محصول دشوار است، مفید باشد.
ادبیات / منابع
- 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 مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا از ازمایشگاه ها تا اندازه صنعتی.