הידרוליזה בסיסית בסיוע אולטרסאונד למיחזור PET
הידרוליזה בסיסית היא שיטה יעילה לדה־פולימריזציה של פסולת פוליאתילן טרפתלאט (PET). התהליך ממיר PET למלחי טרפתלאט, שאותם ניתן לאחר מכן להחמיץ כדי להשיב חומצה טרפתלית (TPA) בטוהר גבוה לשימוש בייצור PET חדש וחומרי פוליאסטר אחרים. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה, או סוניקציה, משפר את הערבוב ואת מעבר המסה ויכול להאיץ במידה ניכרת את ההידרוליזה של PET. גלו כיצד סוניקציה יכולה להפוך את מיחזור ה־PET למהיר ויעיל יותר.
גישה בת־קיימא ויעילה לדה־פולימריזציה של פוליאתילן טרפתלאט באמצעות אנרגיית אולטרסאונד
בהידרוליזה, PET מגיב עם מים בתנאים חומציים, ניטרליים או בסיסיים ליצירת חומצה טרפתלית (TPA) ואתילן גליקול (EG). הידרוליזה קונבנציונלית עשויה לדרוש טמפרטורות גבוהות, לחץ מוגבר, מגיבים מרוכזים או זמני שהייה ארוכים, משום שהתגובה מתרחשת בממשק שבין פולימר מוצק עמיד יחסית לבין הפאזה הנוזלית. ערבוב באמצעות סוניקציה יכול להאיץ תגובה זו בממשק, לשפר קטליזה באמצעות העברת פאזה ולהשיג המרה משופרת בתנאי תגובה מתונים יותר.
ספרו לנו על חומר הגלם שלכם מסוג PET ועל תנאי התגובה. מומחי הסוניקציה שלנו ימליצו לכם על הסוניקטור ועל תצורת הריאקטור המיטביים לתהליך המיחזור שלכם.
סוניקטור תעשייתי UIP1600hdT מגביר את הדה־פולימריזציה של פוליאתילן טרפתלאט (PET) לשיפור המיחזור
תוצאות מדעיות: סוניקציה משפרת את מיחזור ה־PET
סוניקציה מאיצה השבת מונומר טהור בתווכים לא מימיים בטמפרטורה נמוכה
המחקר של Bhogle ו־Pandit שפורסם בשנת 2017 מדגים כי שימוש באולטרסאונד בתדר 20 kHz משפר במידה ניכרת את ההידרוליזה הבסיסית של פסולת PET, במיוחד בתווכים מתנוליים לא מימיים. החוקרים מצאו כי אולטרסאונד השיג המרה של 69% מה־PET בתוך 60 דקות בטמפרטורה של 50°C, לעומת 46% בלבד ללא סוניקציה. תהליך זה מאפשר השבת חומצה טרפתלית (TA) טהורה בתנאים מתונים יותר, ומציע אסטרטגיה חדשנית ונטולת ממסים לטיפול בפסולת PET לאחר שימוש צרכני. המחקר מדגיש כי מיקרו־ערבוב אולטרסוני מגדיל את תדירות ההתנגשויות בין PET לבין מולקולות הבסיס, ובכך מגביר את קצב התגובה ומשפר את הכדאיות הכלכלית של תהליך הדה־פולימריזציה ליישומי מיחזור בקנה מידה גדול יותר.
סוניקציה מקצרת באופן דרסטי את זמני התגובה ומפחיתה באופן דרסטי את עלויות העיבוד
המחקר של Paliwal ו־Mungray שפורסם בשנת 2013 מדגים כי סיוע אולטרסוני מקצר באופן דרסטי את זמן התגובה הנדרש להידרוליזה בסיסית של PET בנוכחות זרז להעברת פאזה. בעוד שהשיטה הקונבנציונלית דרשה יותר מ־65 דקות להשגת המרה של 100% מה־PET לחומצה טרפתלית, התהליך בסיוע אולטרסאונד השלים את התגובה בתוך 45 דקות בלבד. המחקר מאשר כי אולטרסאונד אינו משנה את מנגנון התגובה המהותי, אך מגביר במידה ניכרת את קצב התגובה באמצעות הגברת הקוויטציה ומעבר המסה. שיפור זה ביעילות רלוונטי מאוד לתעשיית המיחזור, שכן הוא מפחית את עלויות העיבוד ואת דרישות האנרגיה, ובכך הופך את המיחזור הכימי לתחרותי יותר ביחס לייצור חומר בתולי.
סוניקציה משפרת את הנגישות לאנזימים באמצעות שינוי פני השטח
המחקר של Pellis ועמיתיו, שפורסם בשנת 2016, בוחן את ההשפעה הסינרגטית של אולטרסאונד על הידרוליזה אנזימטית, ומראה שסוניקציה מגדילה את שטח הפנים של PET באמצעות יצירת חספוס מיקרוסקופי ופגמים. שינוי פיזיקלי זה משפר את נגישות האנזימים לשרשראות הפולימר ומשפר באופן משמעותי את יעילות הדה־פולימריזציה האנזימטית. באמצעות גישור על הפער בין שיטות מיחזור כימיות וביולוגיות, גישה זו מציעה חלופה ירוקה יותר הפועלת בתנאים מתונים יותר מהידרוליזה בסיסית מסורתית, ועשויה להפחית את צריכת האנרגיה תוך שמירה על שיעורים גבוהים של השבת מונומרים לטובת הכלכלה המעגלית.
קראו עוד על השימוש הסינרגטי בסוניקציה ובאנזים קוטינאז במיחזור PET!
הגדלת קנה מידה ליניארית ושילוב פשוט במפעל
מכשירי הסוניקציה של Hielscher המותקנים בקו התהליך מיועדים להגדלת קנה מידה ליניארית באמצעות שמירה על פרמטרים מוגדרים – כגון משרעת, תשומת אנרגיה, לחץ, טמפרטורה, ספיקת זרימה וזמן שהייה – תוך הגדלת ההספק האולטרסוני או הפעלת מספר יחידות במקביל. ניתן להתקין כורים קומפקטיים עם תא זרימה בקו להעברת תרחיף PET או בלולאת סחרור, כך שהוספת סוניקציה למפעל מיחזור קיים פשוטה יחסית ואינה דורשת החלפה של מכל הדה־פולימריזציה הראשי או של ציוד ההפרדה שבהמשך התהליך.
מכשיר סוניקציה תעשייתי UIP6000hdT עם תא זרימה לדה־פולימריזציה בקו התהליך
תצורת התהליך התעשייתי
קו למיחזור PET בסיוע אולטרסאונד יתחיל בדרך כלל במיון, בשטיפה ובהקטנת גודל. פתיתי PET מעורבבים עם תווך התגובה שנבחר ונשאבים דרך כור זרימה אולטרסוני, במעבר יחיד או שוב ושוב בלולאת סחרור. לאחר מכן התרחיף המטופל נכנס לכור הדה־פולימריזציה הראשי או חוזר אליו.
בהידרוליזה, רצף שלבי העיבוד שבהמשך התהליך עשוי לכלול סילוק מוצקים שלא הגיבו, החמצת מלחי טרפתלאט, גיבוש TPA, שטיפה והשבת EG. גליקוליזה דורשת הפרדה וטיהור של BHET ואוליגומרים, ואילו תהליכים אנזימטיים דורשים ניהול של האנזימים והשבת תוצרי הידרוליזה מסיסים. מכשירי מדידה בקו התהליך יכולים לנטר טמפרטורה, לחץ, זרימה ואנרגיה אולטרסונית המועברת לחומר, וכך מאפשרים לבטא את הטיפול כמנת אנרגיה הניתנת לשחזור ליחידת מסה של PET.
כור אולטרסוני תעשייתי לדה־פולימריזציה של PET בקו התהליך
שאלות נפוצות על דה־פולימריזציה אולטרסונית של PET
מהי דה־פולימריזציה אולטרסונית של PET?
דה־פולימריזציה אולטרסונית של PET היא תהליך מיחזור בסיוע אולטרסאונד המסייע לפרק פוליאתילן טרפתלאט למונומרים או לתוצרי ביניים כימיים קצרים יותר. אולטרסאונד בהספק גבוה מגביר הידרוליזה, גליקוליזה, מתנוליזה או תגובות אנזימטיות באמצעות שיפור הערבוב, מעבר המסה והמגע בין חלקיקי PET לתווך התגובה.
כיצד אולטרסאונד משפר את מיחזור ה־PET?
אולטרסאונד יוצר קוויטציה אקוסטית בנוזלים. קריסת בועות מיקרוסקופיות יוצרת כוחות גזירה, מיקרו־סילונים, גלי הלם וערבוב מקומי עז. השפעות אלה מחדשות את פני השטח של ה־PET, מפזרות חלקיקים וזרזים, מצמצמות מחסומי דיפוזיה ומגדילות את שטח התגובה הנגיש, ובכך עשויות להאיץ את הדה־פולימריזציה ולשפר את השבת המונומרים.
האם אולטרסאונד יכול לבצע דה־פולימריזציה של PET ללא כימיקלים או אנזימים?
אולטרסאונד יכול לפצל חלקיקים ולגרום לביקוע מוגבל של שרשראות פולימר בתנאים מתאימים, אך בדרך כלל אינו מביא לבדו לדה־פולימריזציה בררנית ומלאה של PET. תפקידו התעשייתי העיקרי הוא להגביר תגובת מיחזור כימית או אנזימטית מבוססת.
אילו תהליכי מיחזור PET יכולים להסתייע בסוניקציה?
סוניקציה יכולה לסייע בהידרוליזה בסיסית, חומצית או ניטרלית; בגליקוליזה עם אתילן גליקול; במתנוליזה; בסולבוליזה קטליטית; ובהידרוליזה אנזימטית של PET. העוצמה האולטרסונית, הטמפרטורה, הלחץ וזמן השהייה המתאימים תלויים בתגובה שנבחרה ובתוצרים הרצויים.
אילו תוצרים ניתן להשיב ממיחזור אולטרסוני של PET?
באמצעות הידרוליזה ניתן להשיב חומצה טרפתלית ואתילן גליקול, ואילו גליקוליזה מייצרת בדרך כלל ביס(2-הידרוקסיאתיל) טרפתלאט, הידוע בכינוי BHET, לצד אוליגומרים קצרים יותר. מתנוליזה מייצרת דימתיל טרפתלאט ואתילן גליקול. לאחר טיהור, ניתן להשתמש בחומרים אלה לייצור פולימרים חדשים ומוצרים כימיים אחרים.
האם אולטרסאונד יכול לקצר את משך הדה-פולימריזציה של PET או להפחית את הטמפרטורה שלה?
אולטרסאונד יכול להאיץ תגובות בממשק בין פאזות ועשוי לאפשר זמני שהייה קצרים יותר או תנאי עיבוד מתונים יותר. השיפור בפועל תלוי בגודל חלקיקי ה-PET, בגבישיות, בריכוז המוצקים, בממס, בזרז ובתצורת הכור. נדרשים ניסויים בקנה מידה של פיילוט כדי לקבוע אם קיצור הזמן או הפחתת הטמפרטורה מפצים על האנרגיה החשמלית הנוספת הנדרשת לסוניקציה.
האם דה-פולימריזציה אולטרסונית מתאימה ל-PET לאחר שימוש צרכני?
כן, מיחזור בסיוע אולטרסאונד יכול לעבד PET לאחר שימוש צרכני שעבר שטיפה והקטנת גודל, לרבות בקבוקים, אריזות, וייתכן שגם פסולת טקסטיל עשירה בפוליאסטר. מיון חומרי ההזנה והטיפול המקדים בהם נותרו חשובים, משום שצבעים, חומרים רב-שכבתיים, פולימרים אחרים, תוספים ולכלוך עלולים להשפיע על ביצועי התגובה ועל טוהר המונומרים בהמשך התהליך.
האם ניתן להגדיל את קנה המידה של סוניקטורים של Hielscher המותקנים בקו ולשלבם במפעלי מיחזור PET קיימים?
סוניקטורים של Hielscher המותקנים בקו תומכים בהגדלה ליניארית של קנה המידה באמצעות העברת פרמטרים מוגדרים, כגון משרעת, תשומת אנרגיה, לחץ, טמפרטורה, ספיקת זרימה וזמן שהייה, מניסויי פיילוט ליחידות עיבוד גדולות יותר או למערכי סוניקטורים הפועלים במקביל. ניתן לשלב את כורי תא הזרימה הקומפקטיים שלהם בקו העברה קיים של תרחיף PET או בלולאת סחרור, וכך לאפשר שילוב פשוט יחסית במתקן קיים, ללא החלפת כור הדה-פולימריזציה הראשי של המפעל.
האם דה-פולימריזציה אולטרסונית של PET יכולה להתבצע ברציפות?
כן. ניתן לשאוב תרחיף PET דרך כור אולטרסוני בעל תא זרימה במעבר יחיד, או לסחרר אותו שוב ושוב עד להשגת מנת האנרגיה או שיעור ההמרה הרצויים. סוניקציה רציפה בקו מספקת זמן שהייה מבוקר, טיפול הניתן לשחזור ושילוב קל יותר עם משאבות תעשייתיות, מחליפי חום, כלי תגובה וציוד הפרדה.
אילו פרמטרים שולטים בדה-פולימריזציה אולטרסונית של PET?
משתני תפעול חשובים כוללים משרעת אולטרסונית, תשומת אנרגיה סגולית, לחץ, טמפרטורה, ספיקת זרימה, זמן שהייה, מצב פעימות, גודל חלקיקי PET, תכולת מוצקים, גבישיות וגאומטריית הכור. יש למטב משתנים כימיים – לרבות הרכב הממס, ריכוז הזרז, pH ויחס ה-PET למגיב – לצד התנאים האולטרסוניים.
האם אולטרסאונד יכול לשפר מיחזור אנזימטי של PET?
סוניקציה קצרה ומבוקרת יכולה לשפר את פיזור האנזים, את המגע בין האנזים למצע, את נגישות פני השטח של ה-PET ואת שחרורם של תוצרי פירוק מסיסים. עוצמה אולטרסונית מופרזת או חשיפה ממושכת עלולות להשבית את האנזים, ולכן סוניקציה בפעימות או שלב שפעול קצר עדיפים לעיתים קרובות על טיפול רציף. קראו עוד!
האם מיחזור אולטרסוני של PET הוא בר-קיימא מבחינה סביבתית?
עיבוד אולטרסוני יכול לשפר את הקיימות כאשר תגובות מהירות יותר, טמפרטורות נמוכות יותר, צריכת זרז מופחתת, נצולות מונומרים גבוהות יותר או כורים קטנים יותר מפצים יותר מאשר על צריכת החשמל של הסוניקטור. הערכה מלאה צריכה לכלול גם טיפול מקדים בחומרי ההזנה, השבת ממסים ומגיבים, טיהור תוצרים, יצירת שפכים ועצימות הפחמן של אספקת החשמל.
במה שונה מיחזור כימי אולטרסוני ממיחזור מכני של PET?
במיחזור מכני, PET נשטף, מותך ומעוצב מחדש, תוך שימור שרשראות הפולימר במידה רבה. מיחזור כימי אולטרסוני מסייע בפירוק שרשראות אלה למונומרים או לתוצרי ביניים שניתן לטהר ולפלמר מחדש. לכן הוא עשוי להיות שימושי עבור זרמי PET שקשה למחזר באופן מכני בשל צבע, זיהום, התפרקות החומר או דרישות לאיכות המוצר.
ספרות / מקורות
- 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.
