Ultraääniavusteinen alkalinen hydrolyysi PET:n kierrätyksessä
Alkalinen hydrolyysi on tehokas menetelmä polyeteenitereftalaattijätteen (PET) depolymerointiin. Prosessi muuntaa PET:n tereftalaattisuoloiksi, jotka voidaan sitten happamoida erittäin puhtaan tereftaalihapon (TPA) talteenottamiseksi uuden PET:n ja muiden polyesterimateriaalien valmistusta varten. Tehoultraääni eli ultraäänikäsittely tehostaa sekoittumista ja aineensiirtoa ja voi nopeuttaa PET:n hydrolyysiä merkittävästi. Lue, miten ultraäänikäsittely voi tehdä PET:n kierrätyksestä nopeampaa ja tehokkaampaa.
Kestävä ja tehokas menetelmä polyeteenitereftalaatin depolymerointiin ultraäänienergialla
Hydrolyysissä PET reagoi veden kanssa happamissa, neutraaleissa tai alkalisissa olosuhteissa, jolloin muodostuu tereftaalihappoa (TPA) ja etyleeniglykolia (EG). Perinteinen hydrolyysi voi edellyttää korkeita lämpötiloja, kohotettua painetta, väkeviä reagensseja tai pitkiä viipymäaikoja, koska reaktio tapahtuu suhteellisen kestävän kiinteän polymeerin ja nestefaasin rajapinnalla. Ultraäänikäsittelyn aikaansaama sekoittuminen voi nopeuttaa tätä rajapintareaktiota, tehostaa faasinsiirtokatalyysiä ja parantaa konversiota lievemmissä reaktio-olosuhteissa.
Kerro meille PET-raaka-aineestasi ja reaktio-olosuhteistasi. Ultraäänikäsittelyn asiantuntijamme suosittelevat kierrätysprosessiisi optimaalista ultraäänilaitetta ja reaktorikokoonpanoa.
Teollinen ultraäänilaite UIP1600hdT tehostaa polyeteenitereftalaatin (PET) depolymerointia kierrätyksen parantamiseksi
Tieteellisiä tuloksia: ultraäänikäsittely parantaa PET:n kierrätystä
Ultraäänikäsittely nopeuttaa puhtaan monomeerin talteenottoa matalassa lämpötilassa ei-vesipohjaisissa väliaineissa
Bhoglen ja Panditin vuonna 2017 julkaistu tutkimus osoittaa, että 20 kHz:n ultraäänen käyttö tehostaa merkittävästi PET-jätteen alkalista hydrolyysiä erityisesti ei-vesipohjaisissa metanolipohjaisissa väliaineissa. Tutkijat havaitsivat, että ultraäänellä saavutettiin PET:n 69 %:n konversio 60 minuutissa 50 °C:ssa, kun taas ilman ultraäänikäsittelyä konversio oli vain 46 %. Tämä prosessi mahdollistaa puhtaan tereftaalihapon (TA) talteenoton lievemmissä olosuhteissa ja tarjoaa uudenlaisen, liuottimettoman menetelmän kulutuksen jälkeisen PET-jätteen käsittelyyn. Tutkimus korostaa, että ultraäänen aikaansaama mikrosekoittuminen lisää PET- ja alkalimolekyylien välisten törmäysten taajuutta, mikä kasvattaa reaktionopeutta ja tekee depolymerointiprosessista taloudellisesti kannattavamman suuremman mittakaavan kierrätyssovelluksissa.
Ultraäänikäsittely lyhentää reaktioaikoja ja pienentää käsittelykustannuksia huomattavasti
Paliwalin ja Mungrayn vuonna 2013 julkaistu tutkimus osoittaa, että ultraäänen käyttö lyhentää huomattavasti PET:n alkaliseen hydrolyysiin tarvittavaa reaktioaikaa faasinsiirtokatalyytin läsnä ollessa. Perinteinen menetelmä vaati yli 65 minuuttia PET:n 100 %:n konversion saavuttamiseen tereftaalihapoksi, kun taas ultraääniavusteisessa prosessissa reaktio saatiin päätökseen vain 45 minuutissa. Tutkimus vahvistaa, että ultraääni ei muuta varsinaista reaktiomekanismia mutta kasvattaa reaktionopeutta merkittävästi lisäämällä kavitaatiota ja aineensiirtoa. Tämä tehokkuuden paraneminen on kierrätysteollisuudelle erittäin merkityksellistä, sillä se pienentää käsittelykustannuksia ja energiantarvetta ja tekee kemiallisesta kierrätyksestä kilpailukykyisempää neitseellisten materiaalien tuotantoon nähden.
Ultraäänikäsittely parantaa entsyymien pääsyä PET:hen pinnan muokkauksen avulla
Pellisin ja hänen kollegoidensa vuonna 2016 julkaistu tutkimus tarkastelee ultraäänen synergistä vaikutusta entsymaattiseen hydrolyysiin ja osoittaa, että ultraäänikäsittely kasvattaa PET:n pinta-alaa luomalla mikroskooppista karheutta ja pintavirheitä. Tämä fysikaalinen muokkaus parantaa entsyymien pääsyä polymeeriketjuihin ja tehostaa merkittävästi entsymaattista depolymerointia. Yhdistämällä kemiallisia ja biologisia kierrätysmenetelmiä tämä lähestymistapa tarjoaa ympäristöystävällisemmän vaihtoehdon, joka toimii lievemmissä olosuhteissa kuin perinteinen alkalinen hydrolyysi ja voi vähentää energiankulutusta säilyttäen samalla korkeat monomeerien talteenottoasteet kiertotalouden tarpeisiin.
Lue lisää ultraäänikäsittelyn ja kutinaasientsyymin synergisestä käytöstä PET:n kierrätyksessä!
Lineaarinen mittakaavan suurentaminen ja vaivaton integrointi laitokseen
Hielscherin linjaan asennettavat ultraäänilaitteet on suunniteltu lineaariseen mittakaavan suurentamiseen säilyttämällä määritellyt parametrit – kuten amplitudi, energiansyöttö, paine, lämpötila, tilavuusvirta ja viipymäaika – samalla kun ultraäänitehoa kasvatetaan tai useita yksiköitä käytetään rinnakkain. Kompaktit virtauskennoreaktorit voidaan asentaa PET-lietteen siirtolinjaan tai kierrätyssilmukkaan, jolloin ultraäänikäsittelyn jälkiasennus olemassa olevaan kierrätyslaitokseen on verrattain yksinkertaista ilman pääasiallisen depolymerointisäiliön tai jatkoprosessin erotuslaitteiston vaihtamista.
Teollinen ultraäänilaite UIP6000hdT virtauskennolla varustettuna linjassa tapahtuvaan depolymerointiin
Teollisen prosessin kokoonpano
Ultraääniavusteinen PET:n kierrätyslinja alkaisi tyypillisesti lajittelulla, pesulla ja palakoon pienentämisellä. PET-hiutaleet sekoitetaan valittuun reaktioväliaineeseen ja pumpataan ultraäänivirtausreaktorin läpi joko kerran tai toistuvasti kierrätyssilmukassa. Käsitelty suspensio siirtyy tai palaa sitten pääasialliseen depolymerointireaktoriin.
Hydrolyysissä jatkokäsittelyketju voi sisältää reagoimattomien kiintoaineiden poiston, tereftalaattisuolojen happamoimisen, TPA:n kiteytyksen, pesun ja EG:n talteenoton. Glykolyysi edellyttää BHET:n ja oligomeerien erottamista ja puhdistamista, kun taas entsymaattiset prosessit edellyttävät entsyymien hallintaa ja liukoisten hydrolyysituotteiden talteenottoa. Linjaan asennettavat mittalaitteet voivat seurata lämpötilaa, painetta, virtausta ja syötettyä ultraäänienergiaa, jolloin käsittely voidaan ilmaista toistettavana energia-annoksena PET:n massayksikköä kohti.
Teollinen ultraäänireaktori PET:n depolymerointiin linjassa
Usein kysyttyjä kysymyksiä PET:n ultraäänidepolymeroinnista
Mitä PET:n ultraäänidepolymerointi on?
PET:n ultraäänidepolymerointi on ultraääniavusteinen kierrätysprosessi, joka auttaa hajottamaan polyeteenitereftalaatin monomeereiksi tai lyhyemmiksi kemiallisiksi välituotteiksi. Suuritehoinen ultraääni tehostaa hydrolyysiä, glykolyysiä, metanolyysiä tai entsymaattisia reaktioita parantamalla sekoittumista, aineensiirtoa sekä PET-hiukkasten ja reaktioväliaineen välistä kontaktia.
Miten ultraääni parantaa PET:n kierrätystä?
Ultraääni synnyttää nesteissä akustista kavitaatiota. Mikroskooppisten kuplien luhistuminen tuottaa leikkausvoimia, mikrosuihkuja, iskuaaltoja ja voimakasta paikallista sekoittumista. Nämä vaikutukset uudistavat PET:n pintaa, dispergoivat hiukkasia ja katalyyttejä, vähentävät diffuusioesteitä ja kasvattavat reaktiolle käytettävissä olevaa pinta-alaa, mikä voi nopeuttaa depolymerointia ja parantaa monomeerien talteenottoa.
Voiko ultraääni depolymeroida PET:tä ilman kemikaaleja tai entsyymejä?
Ultraääni voi pilkkoa hiukkasia ja aiheuttaa rajallista polymeeriketjujen katkeamista sopivissa olosuhteissa, mutta se ei tavallisesti yksinään mahdollista PET:n selektiivistä ja täydellistä depolymerointia. Sen ensisijainen teollinen tehtävä on tehostaa vakiintunutta kemiallista tai entsymaattista kierrätysreaktiota.
Mitä PET:n kierrätysprosesseja voidaan tehostaa ultraäänikäsittelyllä?
Ultraäänikäsittely voi tukea alkalista, hapanta tai neutraalia hydrolyysiä, glykolyysiä etyleeniglykolilla, metanolyysiä, katalyyttistä solvolyysiä ja PET:n entsymaattista hydrolyysiä. Sopiva ultraäänen intensiteetti, lämpötila, paine ja viipymäaika riippuvat valitusta reaktiosta ja halutuista tuotteista.
Mitä tuotteita PET:n ultraäänikierrätyksestä voidaan ottaa talteen?
Hydrolyysillä voidaan ottaa talteen tereftaalihappoa ja etyleeniglykolia, kun taas glykolyysi tuottaa tyypillisesti bis(2-hydroksietyyli)tereftalaattia, joka tunnetaan yleisesti nimellä BHET, sekä lyhyempiä oligomeerejä. Metanolyysi tuottaa dimetyylitereftalaattia ja etyleeniglykolia. Puhdistuksen jälkeen näitä materiaaleja voidaan käyttää uusien polymeerien ja muiden kemiallisten tuotteiden valmistukseen.
Voiko ultraääni lyhentää PET:n depolymerointiaikaa tai alentaa depolymerointilämpötilaa?
Ultraääni voi nopeuttaa rajapintareaktioita ja mahdollistaa lyhyemmät viipymäajat tai lievemmät käsittelyolosuhteet. Todellinen parannus riippuu PET:n hiukkaskoosta, kiteisyydestä, kiintoainepitoisuudesta, liuottimesta, katalyytistä ja reaktorikokoonpanosta. Pilotointia tarvitaan sen selvittämiseksi, kompensoiko lyhyempi aika tai alhaisempi lämpötila ultraäänikäsittelyyn tarvittavan lisäsähköenergian.
Soveltuuko ultraäänidepolymerointi kulutuksen jälkeiselle PET:lle?
Kyllä, ultraääniavusteisella kierrätyksellä voidaan käsitellä pestyä ja palakooltaan pienennettyä kulutuksen jälkeistä PET:tä, kuten pulloja, pakkauksia ja mahdollisesti runsaasti polyesteriä sisältävää tekstiilijätettä. Raaka-aineen lajittelu ja esikäsittely ovat edelleen tärkeitä, koska väriaineet, monikerrosmateriaalit, muut polymeerit, lisäaineet ja lika voivat vaikuttaa reaktion toimivuuteen ja jatkokäsittelyssä saatavien monomeerien puhtauteen.
Voidaanko Hielscherin linjaan asennettavien ultraäänilaitteiden mittakaavaa suurentaa ja voidaanko niitä jälkiasentaa olemassa oleviin PET:n kierrätyslaitoksiin?
Hielscherin linjaan asennettavat ultraäänilaitteet tukevat lineaarista mittakaavan suurentamista siirtämällä määritellyt parametrit, kuten amplitudin, energiansyötön, paineen, lämpötilan, tilavuusvirran ja viipymäajan, pilottikokeista suurempiin käsittelylaitteisiin tai rinnakkaisiin ultraäänilaiteryhmiin. Niiden kompaktit virtauskennoreaktorit voidaan integroida olemassa olevaan PET-lietteen siirtolinjaan tai kierrätyssilmukkaan, mikä mahdollistaa verrattain yksinkertaisen jälkiasennuksen ilman laitoksen pääasiallisen depolymerointireaktorin vaihtamista.
Voiko PET:n ultraäänidepolymerointi toimia jatkuvatoimisesti?
Kyllä. PET-liete voidaan pumpata ultraäänivirtauskennoreaktorin läpi kerran tai sitä voidaan kierrättää toistuvasti, kunnes tavoiteltu energia-annos tai konversio on saavutettu. Jatkuva linjassa tapahtuva ultraäänikäsittely tarjoaa hallitun viipymäajan, toistettavan käsittelyn ja helpomman integroinnin teollisiin pumppuihin, lämmönvaihtimiin, reaktiosäiliöihin ja erotuslaitteistoihin.
Mitkä parametrit ohjaavat PET:n ultraäänidepolymerointia?
Tärkeitä käyttömuuttujia ovat ultraäänen amplitudi, ominaisenergiansyöttö, paine, lämpötila, tilavuusvirta, viipymäaika, pulssitila, PET:n hiukkaskoko, kiintoainekuormitus, kiteisyys ja reaktorin geometria. Kemialliset muuttujat – kuten liuottimen koostumus, katalyyttipitoisuus, pH ja PET:n ja reagenssin välinen suhde – on optimoitava yhdessä ultraääniolosuhteiden kanssa.
Voiko ultraääni parantaa PET:n entsymaattista kierrätystä?
Lyhyt, hallittu ultraäänikäsittely voi parantaa entsyymien dispergoitumista, entsyymien ja substraatin välistä kontaktia, PET:n pinnan saavutettavuutta ja liukoisten hajoamistuotteiden vapautumista. Liiallinen ultraäänen intensiteetti tai pitkäaikainen altistus voi inaktivoida entsyymin, joten pulssitettu ultraäänikäsittely tai lyhyt aktivointivaihe on usein parempi vaihtoehto kuin jatkuva käsittely. Lue lisää!
Onko PET:n ultraäänikierrätys ympäristön kannalta kestävää?
Ultraäänikäsittely voi parantaa kestävyyttä, kun nopeampien reaktioiden, alhaisempien lämpötilojen, pienemmän katalyytinkulutuksen, suurempien monomeerisaantojen tai pienempien reaktorien hyödyt ylittävät ultraäänilaitteen sähkönkulutuksen vaikutukset. Kattavan arvioinnin tulisi sisältää myös raaka-aineen esikäsittely, liuottimien ja reagenssien talteenotto, tuotteiden puhdistus, jäteveden muodostuminen ja käytetyn sähkön hiili-intensiteetti.
Miten ultraääniavusteinen kemiallinen kierrätys eroaa PET:n mekaanisesta kierrätyksestä?
Mekaanisessa kierrätyksessä PET pestään, sulatetaan ja muotoillaan uudelleen siten, että polymeeriketjut säilyvät suurelta osin ennallaan. Ultraääniavusteinen kemiallinen kierrätys auttaa hajottamaan nämä ketjut monomeereiksi tai välituotteiksi, jotka voidaan puhdistaa ja polymeroida uudelleen. Se voi siksi olla hyödyllinen PET-virroille, joita on vaikea kierrättää mekaanisesti värin, epäpuhtauksien, hajoamisen tai tuotteen laatuvaatimusten vuoksi.
Kirjallisuus / lähteet
- 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 valmistaa suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita laboratoriomittakaavasta aina teolliseen mittakaavaan.