הידרוליזה אלקלית בסיוע אולטראסוניקה למחזור PET
הידרוליזה אלקלית היא שיטה יעילה לפירוק פוליאתילן טרפתלט (PET) פסולת. התהליך הופך את ה-PET למלחי טרפתלט, שאותם ניתן להחמיץ לאחר מכן כדי להפיק חומצה טרפתלית (TPA) בדרגת טוהר גבוהה, המשמשת לייצור PET חדש וחומרי פוליאסטר אחרים. אולטרסאונד עוצמתי, או סוניקציה, משפר את הערבוב ואת העברת המסה ויכול להאיץ באופן משמעותי את הידרוליזת ה-PET. למדו כיצד סוניקציה יכולה להפוך את מיחזור ה-PET למהיר ויעיל יותר.
גישה בת-קיימא ויעילה לפירוק פוליאתילן טרפתלט באמצעות אנרגיית אולטרה-סאונד
בתהליך הידרוליזה, PET מגיב עם מים בתנאים חומציים, ניטרליים או בסיסיים ליצירת חומצה טרפטלית (TPA) ואתילן גליקול (EG). הידרוליזה קונבנציונלית עשויה לדרוש טמפרטורות גבוהות, לחץ מוגבר, ריאגנטים מרוכזים או זמני שהייה ממושכים, מכיוון שהתגובה מתרחשת בממשק שבין פולימר מוצק עמיד יחסית לשלב הנוזלי. ערבוב המונע על ידי אולטרסאונד יכול להאיץ את התגובה הבין-משקית הזו, לשפר את הקטליזה של העברת השלבים ולהשיג המרה משופרת בתנאי תגובה מתונים יותר.
ספר לנו על חומר הגלם של PET ותנאי התגובה. מומחינו בתחום האולטרסאונד ימליצו לך על תצורת מכשיר האולטרסאונד והכור האופטימלית לתהליך המיחזור שלך.
מכשיר סוניקציה תעשייתי UIP1600hdT מגביר את תהליך הפירוק של פוליאתילן טרפתלט (PET) כדי לשפר את המיחזור
תוצאות מדעיות: טיפול באולטרסאונד משפר את מיחזור ה-PET
שימוש באולטרסאונד מאיץ את השבת המונומר הטהור במדיום לא מימי בטמפרטורה נמוכה
המחקר שפורסם בשנת 2017 על ידי בוגל ופנדיט מראה כי השימוש באולטרסאונד בתדר של 20 קילוהרץ משפר באופן משמעותי את ההידרוליזה האלקלית של פסולת PET, במיוחד במדיום מתנולי שאינו מימי. החוקרים מצאו כי האולטרסאונד השיג המרה של 69% מה-PET תוך 60 דקות בטמפרטורה של 50°C, לעומת 46% בלבד ללא שימוש באולטרסאונד. תהליך זה מאפשר השבת חומצה טרפתלית (TA) טהורה בתנאים מתונים יותר, ומציע אסטרטגיה חדשנית ונטולת ממסים לטיפול בפסולת PET לאחר צריכה. המחקר מדגיש כי מיקרו-ערבוב אולטראסוני מגביר את תדירות ההתנגשויות בין מולקולות ה-PET למולקולות האלקליות, ובכך מעצים את קצב התגובה והופך את תהליך הפירוק לכדאי יותר מבחינה כלכלית ליישומי מיחזור בקנה מידה גדול יותר.
השימוש באולטרסאונד מקצר באופן משמעותי את זמני התגובה ואת עלויות העיבוד
המחקר שפורסם בשנת 2013 על ידי פאליוואל ומונגריי מראה כי השימוש באולטרסאונד מקצר באופן דרסטי את זמן התגובה הנדרש להידרוליזה אלקלית של PET בנוכחות זרז העברת פאזות. בעוד שהשיטה המקובלת דרשה למעלה מ-65 דקות כדי להשיג המרה של 100% מ-PET לחומצה טרפטלית, התהליך המסייע באולטרסאונד השלים את התגובה תוך 45 דקות בלבד. המחקר מאשר כי האולטרסאונד אינו משנה את מנגנון התגובה הפנימי, אך משפר באופן משמעותי את קצב התגובה באמצעות הגברת הקוויטציה והעברת המסה. שיפור היעילות הזה רלוונטי ביותר לתעשיית המיחזור, שכן הוא מוריד את עלויות העיבוד ואת דרישות האנרגיה, מה שהופך את המיחזור הכימי לתחרותי יותר ביחס לייצור מחומרי גלם בתוליים.
שימוש באולטרסאונד משפר את הנגישות האנזימטית באמצעות שינוי פני השטח
המחקר שפורסם בשנת 2016 על ידי פליס ועמיתיו בוחן את האפקט הסינרגטי של אולטרסאונד על הידרוליזה אנזימטית, ומראה כי טיפול באולטרסאונד מגדיל את שטח הפנים של ה-PET על ידי יצירת מיקרו-חספוס ופגמים. שינוי פיזיקלי זה משפר את נגישות האנזימים לשרשראות הפולימר, ובכך משפר באופן משמעותי את היעילות של הפירוק האנזימטי. על ידי גישור על הפער בין שיטות מיחזור כימיות לביולוגיות, גישה זו מציעה חלופה ירוקה יותר הפועלת בתנאים מתונים יותר מאשר הידרוליזה אלקלית מסורתית, ובכך עשויה להפחית את צריכת האנרגיה תוך שמירה על שיעורי התאוששות מונומרים גבוהים לטובת הכלכלה המעגלית.
קראו עוד על השימוש המשולב באולטרסאונד ובאנזים הקוטינאז במיחזור PET!
הרחבה ליניארית ושילוב פשוט במפעל
מכשירים קוליים מובנים של Hielscher תוכננו להגדלה ליניארית של הייצור באמצעות שמירה על פרמטרים מוגדרים – כגון משרעת, צריכת אנרגיה, לחץ, טמפרטורה, קצב זרימה וזמן שהייה – תוך הגברת עוצמת הקול האולטראסוני או הפעלת מספר יחידות במקביל. ניתן להתקין כורים קומפקטיים עם תא זרימה בקו העברת תרחיף PET או בלולאת מחזור, מה שהופך את שילוב הטכנולוגיה האולטראסונית לפשוט יחסית במתקן מיחזור קיים, מבלי להחליף את מיכל הפירוק העיקרי או את ציוד ההפרדה במורד הזרם.
מכשיר סוניקציה תעשייתי UIP6000hdT עם תא זרימה לפירוק פולימרים תוך כדי תהליך
תצורת תהליכים תעשייתיים
קו מיחזור PET המשתמש באולטרסאונד יחל בדרך כלל במיון, שטיפה וריסוק. פתיתי ה-PET מעורבבים עם חומר התגובה הנבחר ומוזרמים באמצעות משאבה אל תוך כור זרימה אולטראסוני, פעם אחת או מספר פעמים במעגל מחזור. לאחר מכן, התמיסה המטופלת נכנסת או חוזרת לכור הפירוק הראשי.
בתהליך ההידרוליזה, שרשרת התהליכים במורד הזרם עשויה לכלול הסרת חומרים מוצקים שלא הגיבו, החמצת מלחי טרפטלט, התגבשות TPA, שטיפה והשבת EG. תהליך הגליקוליזה מחייב הפרדה וטיהור של BHET ואוליגומרים, בעוד שתהליכים אנזימטיים מצריכים ניהול אנזימים והשבת תוצרי הידרוליזה מסיסים. מכשירים המותקנים בקו הייצור יכולים לפקח על הטמפרטורה, הלחץ, הזרימה ואנרגיית הקול האולטראסונית המועברת, ובכך מאפשרים לבטא את הטיפול כמינון אנרגיה ניתן לשחזור ליחידת מסה של PET.
כור קולי תעשייתי לפירוק פולימרים של PET בתהליך רציף
שאלות נפוצות בנושא פירוק פולימרים ב-PET באמצעות אולטרה-סאונד
מהי פירוק פולימרים של PET באמצעות אולטרה-סאונד?
פירוק PET באמצעות אולטרסאונד הוא תהליך מיחזור המסתמך על אולטרסאונד, המסייע בפירוק פוליאתילן טרפתלט למונומרים או לתרכובות ביניים כימיות קצרות יותר. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מעצים את תהליכי ההידרוליזה, הגליקוליזה, המתנוליזה או התגובות האנזימטיות, באמצעות שיפור הערבוב, העברת המסה והמגע בין חלקיקי ה-PET לבין מדיום התגובה.
כיצד משפר האולטרסאונד את מיחזור ה-PET?
אולטרסאונד יוצר קוויטציה אקוסטית בנוזלים. התמוטטות הבועות המיקרוסקופיות מייצרת כוחות גזירה, סילוני מיקרו, גלי הלם וערבוב מקומי אינטנסיבי. השפעות אלו מחדשות את פני השטח של ה-PET, מפזרות חלקיקים וזרזים, מפחיתות מחסומי דיפוזיה ומגדילות את שטח התגובה הנגיש, ובכך עשויות להאיץ את תהליך הפירוק ולשפר את השבת המונומרים.
האם גלי קול יכולים לפרק את ה-PET ללא שימוש בחומרים כימיים או באנזימים?
תדר-על יכול לפרק חלקיקים ולגרום לניתוק מוגבל של שרשראות פולימריות בתנאים מתאימים, אך בדרך כלל הוא אינו מספק כשלעצמו פירוק סלקטיבי ומלא של PET. תפקידו התעשייתי העיקרי הוא להגביר תגובה כימית או אנזימטית קיימת של מיחזור.
באילו תהליכי מיחזור PET ניתן להשתמש בטכנולוגיית אולטרה-סאונד?
השימוש באולטרסאונד יכול לתמוך בהידרוליזה אלקלית, חומצית או ניטרלית; בגליקוליזה עם אתילן גליקול; במתנוליזה; בסולבוליזה קטליטית; ובהידרוליזה אנזימטית של PET. עוצמת האולטרסאונד, הטמפרטורה, הלחץ וזמן השהייה המתאימים תלויים בתגובה הנבחרת ובתוצרים הרצויים.
אילו מוצרים ניתן להפיק ממחזור PET באמצעות אולטרסאונד?
בתהליך ההידרוליזה ניתן להפיק חומצה טרפטלית ואתילן גליקול, בעוד שתהליך הגליקוליזה מייצר בדרך כלל ביס(2-הידרוקסיאתיל) טרפטלט, הידוע בכינויו BHET, יחד עם אוליגומרים קצרים יותר. בתהליך מתנולזה נוצרים דימתיל טרפטלט ואתילן גליקול. לאחר טיהור, חומרים אלה יכולים לשמש לייצור פולימרים חדשים ומוצרים כימיים אחרים.
האם גלי קול יכולים לקצר את משך הזמן או להוריד את הטמפרטורה של תהליך הפירוק ב-PET?
אולטרסאונד יכול להאיץ תגובות בין-ממשקיות, ועשוי לאפשר זמני שהייה קצרים יותר או תנאי עיבוד מתונים יותר. השיפור בפועל תלוי בגודל חלקיקי ה-PET, בקריסטליות, בריכוז המוצקים, בממס, בזרז ובתצורת הכור. יש צורך בביצוע ניסויים פיילוט כדי לקבוע האם קיצור הזמן או הורדת הטמפרטורה מפצים על האנרגיה החשמלית הנוספת הנדרשת לביצוע האולטרסאונד.
האם פירוק פולימרים באמצעות אולטרה-סאונד מתאים ל-PET משומש?
כן, מיחזור בסיוע אולטרסאונד יכול לעבד PET משומש שנשטף ונחתך לגודל קטן יותר, לרבות בקבוקים, אריזות, ואולי גם פסולת טקסטיל עשירה בפוליאסטר. מיון חומרי הגלם והטיפול המקדים נותרים חשובים, שכן צבעים, חומרים רב-שכבתיים, פולימרים אחרים, תוספים ולכלוך עלולים להשפיע על ביצועי התגובה ועל טוהר המונומר בשלבים הבאים בתהליך.
האם ניתן להגדיל את היקף השימוש במכשירי הסוניקציה המובנים של Hielscher ולהתקין אותם במפעלי מיחזור PET קיימים?
מכשירים סוניקטוריים מובנים של Hielscher תומכים בהגדלה ליניארית של הייצור באמצעות העברת פרמטרים מוגדרים, כגון משרעת, צריכת אנרגיה, לחץ, טמפרטורה, קצב זרימה וזמן שהייה, מניסויים פיילוט למעבדים גדולים יותר או לאשכולות סוניקטורים מקבילים. ניתן לשלב את הכורים הקומפקטיים שלהם, המצוידים בתא זרימה, בקו העברה קיים של תרחיף PET או בלולאת מחזור, מה שמאפשר שדרוג פשוט יחסית ללא צורך בהחלפת הכור העיקרי לפירוק הפולימרים במפעל.
האם פירוק פולימרים ב-PET באמצעות אולטרסאונד יכול להתבצע ברציפות?
כן. ניתן לשאוב תמיסת PET דרך כור תא זרימה קולי במעבר חד-פעמי או להקיף אותה שוב ושוב עד להשגת מינון האנרגיה או ההמרה הרצויים. עיבוד קולי רציף בקו הייצור מאפשר זמן שהייה מבוקר, טיפול שניתן לשחזר, ושילוב קל יותר עם משאבות תעשייתיות, מחליפי חום, מיכלי תגובה וציוד הפרדה.
אילו פרמטרים משפיעים על תהליך הפירוק האולטראסוני של PET?
בין המשתנים התפעוליים החשובים נכללים משרעת הקול האולטראסוני, צריכת האנרגיה הספציפית, הלחץ, הטמפרטורה, קצב הזרימה, זמן השהייה, מצב הפולסים, גודל חלקיקי ה-PET, ריכוז המוצקים, הקריסטליות וגיאומטריית הכור. יש לבצע אופטימיזציה של המשתנים הכימיים – לרבות הרכב הממס, ריכוז הזרז, ה-pH ויחס ה-PET לחומר התגובה – במקביל לתנאי הקול האולטראסוני.
האם אולטרסאונד יכול לשפר את מחזוריות ה-PET האנזימטית?
שימוש קצר ומבוקר באולטרסאונד יכול לשפר את פיזור האנזים, את המגע בין האנזים למצע, את הנגישות למשטח ה-PET ואת שחרורם של תוצרי פירוק מסיסים. עוצמת אולטרסאונד מוגזמת או חשיפה ממושכת עלולות להשבית את פעילות האנזים, ולכן לעתים קרובות עדיף להשתמש באולטרסאונד פועם או בשלב הפעלה קצר על פני טיפול רציף. קרא עוד!
האם מיחזור PET באמצעות אולטרסאונד הוא בר-קיימא מבחינה סביבתית?
עיבוד אולטראסוני יכול לשפר את הקיימות כאשר תגובות מהירות יותר, טמפרטורות נמוכות יותר, צריכת זרזים מופחתת, תשואות מונומר גבוהות יותר או כורים קטנים יותר עולים על צריכת החשמל של מכשיר האולטראסוני. הערכה מקיפה צריכה לכלול גם טיפול מקדים בחומרי הגלם, השבת ממסים וחומרים כימיים, טיהור המוצר, ייצור שפכים ועוצמת הפחמן של אספקת החשמל.
במה שונה מיחזור כימי באמצעות אולטרה-סאונד ממיחזור מכני של PET?
במיחזור מכני שוטפים, ממיסים ומעצבים מחדש את ה-PET תוך שמירה נרחבת על שרשראות הפולימר. מיחזור כימי באמצעות אולטרסאונד מסייע בפירוק שרשראות אלה למונומרים או לחומרים ביניים שניתן לטהר ולבצע בהם פולימריזציה מחדש. לפיכך, הוא עשוי להיות שימושי עבור זרמי PET שקשה למחזרם באופן מכני בשל צבע, זיהום, התכלות או דרישות איכות 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.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.