PET पुनर्चक्रण के लिए अल्ट्रासोनिक सहायता से क्षारीय जलअपघटन
क्षारीय जलअपघटन अपशिष्ट पॉलीएथिलीन टेरेफ्थेलेट (PET) के विबहुलकीकरण की एक प्रभावी विधि है। यह प्रक्रिया PET को टेरेफ्थेलेट लवणों में परिवर्तित करती है, जिनका फिर अम्लीकरण करके उच्च शुद्धता वाला टेरेफ्थैलिक अम्ल (TPA) पुनः प्राप्त किया जा सकता है, जिसका उपयोग नए PET और अन्य पॉलिएस्टर पदार्थों के उत्पादन में किया जाता है। उच्च शक्ति वाला अल्ट्रासाउंड, या सोनिकेशन, मिश्रण और द्रव्यमान अंतरण को बढ़ाता है और PET के जलअपघटन को काफी तेज कर सकता है। जानें कि सोनिकेशन PET पुनर्चक्रण को अधिक तेज और अधिक कुशल कैसे बना सकता है।
अल्ट्रासाउंड ऊर्जा का उपयोग करके पॉलीएथिलीन टेरेफ्थेलेट के विबहुलकीकरण का एक संधारणीय, कुशल तरीका
जलअपघटन में, PET अम्लीय, उदासीन या क्षारीय परिस्थितियों में पानी के साथ अभिक्रिया करके टेरेफ्थैलिक अम्ल (TPA) और एथिलीन ग्लाइकॉल (EG) बनाता है। पारंपरिक जलअपघटन के लिए उच्च तापमान, बढ़े हुए दाब, सांद्र अभिकर्मकों या लंबे निवास समय की आवश्यकता हो सकती है, क्योंकि अभिक्रिया अपेक्षाकृत प्रतिरोधी ठोस बहुलक और द्रव प्रावस्था के बीच के अंतरापृष्ठ पर होती है। सोनिकेशन से होने वाला मिश्रण इस अंतरापृष्ठीय अभिक्रिया को तेज कर सकता है, प्रावस्था अंतरण उत्प्रेरण में सुधार कर सकता है और अपेक्षाकृत मृदु अभिक्रिया परिस्थितियों में बेहतर रूपांतरण प्राप्त कर सकता है।
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वैज्ञानिक परिणाम: सोनिकेशन PET पुनर्चक्रण में सुधार करता है
सोनिकेशन कम तापमान वाले अजलीय माध्यमों में शुद्ध एकलक की पुनर्प्राप्ति को तेज करता है
Bhogle और Pandit द्वारा 2017 में प्रकाशित अध्ययन दर्शाता है कि 20 kHz अल्ट्रासाउंड का उपयोग अपशिष्ट PET के क्षारीय जलअपघटन को काफी बढ़ाता है, विशेष रूप से अजलीय मेथनॉलिक माध्यमों में। शोधकर्ताओं ने पाया कि अल्ट्रासाउंड से 50°C पर 60 मिनट में PET का 69% रूपांतरण प्राप्त हुआ, जबकि सोनिकेशन के बिना केवल 46% रूपांतरण हुआ। यह प्रक्रिया अपेक्षाकृत मृदु परिस्थितियों में शुद्ध टेरेफ्थैलिक अम्ल (TA) की पुनर्प्राप्ति संभव बनाती है और उपभोक्ता उपयोग के बाद उत्पन्न PET अपशिष्ट के उपचार के लिए एक नवीन, विलायक-मुक्त रणनीति प्रदान करती है। अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि अल्ट्रासोनिक सूक्ष्म-मिश्रण PET और क्षार के अणुओं के बीच टक्करों की आवृत्ति बढ़ाता है, जिससे अभिक्रिया दर बढ़ती है और बड़े पैमाने पर पुनर्चक्रण अनुप्रयोगों के लिए विबहुलकीकरण प्रक्रिया आर्थिक रूप से अधिक व्यवहार्य बनती है।
सोनिकेशन अभिक्रिया समय और प्रसंस्करण लागत में भारी कमी लाता है
Paliwal और Mungray द्वारा 2013 में प्रकाशित अध्ययन दर्शाता है कि अल्ट्रासोनिक सहायता प्रावस्था अंतरण उत्प्रेरक की उपस्थिति में PET के क्षारीय जलअपघटन के लिए आवश्यक अभिक्रिया समय को बहुत कम कर देती है। जहां पारंपरिक विधि में PET का टेरेफ्थैलिक अम्ल में 100% रूपांतरण प्राप्त करने के लिए 65 मिनट से अधिक समय लगा, वहीं अल्ट्रासाउंड-सहायित प्रक्रिया ने अभिक्रिया केवल 45 मिनट में पूरी कर दी। अध्ययन पुष्टि करता है कि अल्ट्रासाउंड अभिक्रिया के अंतर्निहित तंत्र को नहीं बदलता, लेकिन कैविटेशन और द्रव्यमान अंतरण में वृद्धि के माध्यम से अभिक्रिया दर को काफी बढ़ाता है। दक्षता में यह वृद्धि पुनर्चक्रण उद्योग के लिए अत्यंत प्रासंगिक है, क्योंकि यह प्रसंस्करण लागत और ऊर्जा की आवश्यकताओं को कम करती है, जिससे रासायनिक पुनर्चक्रण नए, अप्रयुक्त पदार्थ के उत्पादन की तुलना में अधिक प्रतिस्पर्धी बनता है।
सोनिकेशन सतह संशोधन के माध्यम से एंजाइमों की पहुँच बढ़ाता है
2016 में प्रकाशित Pellis और सहकर्मियों का अध्ययन एंज़ाइमी जल-अपघटन पर अल्ट्रासाउंड के सहक्रियात्मक प्रभाव की पड़ताल करता है। यह दर्शाता है कि सोनिकेशन सूक्ष्म खुरदरापन और दोष उत्पन्न करके PET का सतह क्षेत्र बढ़ाता है। यह भौतिक परिवर्तन बहुलक शृंखलाओं तक एंज़ाइमों की पहुँच बढ़ाता है, जिससे एंज़ाइमी विबहुलकीकरण की दक्षता में उल्लेखनीय सुधार होता है। रासायनिक और जैविक पुनर्चक्रण विधियों के बीच की खाई को पाटते हुए, यह दृष्टिकोण एक अधिक पर्यावरण-अनुकूल विकल्प प्रदान करता है, जो पारंपरिक क्षारीय जल-अपघटन की तुलना में कम कठोर परिस्थितियों में कार्य करता है। इससे चक्रीय अर्थव्यवस्था के लिए मोनोमर की उच्च पुनर्प्राप्ति दर बनाए रखते हुए ऊर्जा की खपत संभावित रूप से कम हो सकती है।
PET पुनर्चक्रण में अल्ट्रासोनिकेशन और क्यूटिनेज़ एंज़ाइम के सहक्रियात्मक उपयोग के बारे में और पढ़ें!
रैखिक पैमाना-विस्तार और संयंत्र में सरल एकीकरण
Hielscher इनलाइन सोनिकेटर इस प्रकार डिज़ाइन किए गए हैं कि अल्ट्रासोनिक शक्ति बढ़ाते समय या कई इकाइयों को समानांतर संचालित करते समय निर्धारित मापदंडों – जैसे आयाम, ऊर्जा निवेश, दाब, तापमान, प्रवाह दर और निवास समय – को बनाए रखकर रैखिक पैमाना-विस्तार किया जा सके। कॉम्पैक्ट प्रवाह सेल रिएक्टरों को PET स्लरी की स्थानांतरण लाइन या पुनर्परिसंचरण लूप में स्थापित किया जा सकता है। इससे किसी मौजूदा पुनर्चक्रण संयंत्र में उसके मुख्य विबहुलकीकरण पात्र या आगे के पृथक्करण उपकरणों को बदले बिना सोनिकेशन को जोड़ना तुलनात्मक रूप से सरल हो जाता है।
औद्योगिक सोनिकेटर UIP6000hdT इनलाइन विबहुलकीकरण के लिए प्रवाह सेल के साथ
औद्योगिक प्रक्रिया विन्यास
अल्ट्रासाउंड-सहायित PET पुनर्चक्रण लाइन आम तौर पर छँटाई, धुलाई और आकार घटाने से शुरू होगी। PET के टुकड़ों को चुने गए अभिक्रिया माध्यम के साथ मिलाया जाता है और अल्ट्रासोनिक प्रवाह रिएक्टर से पंप किया जाता है, या तो एक बार या पुनर्परिसंचरण लूप में बार-बार। इसके बाद उपचारित निलंबन मुख्य विबहुलकीकरण रिएक्टर में प्रवेश करता है या उसमें लौटता है।
जल-अपघटन के लिए, आगे की प्रसंस्करण शृंखला में अभिक्रिया न किए हुए ठोस पदार्थों को हटाना, टेरेफ्थैलेट लवणों का अम्लीकरण, TPA का क्रिस्टलीकरण, धुलाई और EG की पुनर्प्राप्ति शामिल हो सकते हैं। ग्लाइकोलिसिस में BHET और ओलिगोमरों का पृथक्करण और शुद्धिकरण आवश्यक होता है, जबकि एंज़ाइमी प्रक्रियाओं में एंज़ाइम प्रबंधन और घुलनशील जल-अपघटन उत्पादों की पुनर्प्राप्ति आवश्यक होती है। इनलाइन उपकरण तापमान, दाब, प्रवाह और प्रदान की गई अल्ट्रासोनिक ऊर्जा की निगरानी कर सकते हैं, जिससे उपचार को PET के प्रति इकाई द्रव्यमान पर पुनरुत्पादनीय ऊर्जा खुराक के रूप में व्यक्त किया जा सकता है।
PET के इनलाइन विबहुलकीकरण के लिए औद्योगिक अल्ट्रासोनिक रिएक्टर
अल्ट्रासोनिक PET विबहुलकीकरण के बारे में अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
PET का अल्ट्रासोनिक विबहुलकीकरण क्या है?
अल्ट्रासोनिक PET विबहुलकीकरण एक अल्ट्रासाउंड-सहायित पुनर्चक्रण प्रक्रिया है, जो पॉलीएथिलीन टेरेफ्थैलेट को मोनोमरों या छोटी शृंखला वाले रासायनिक मध्यवर्तियों में तोड़ने में मदद करती है। उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड मिश्रण, द्रव्यमान अंतरण और PET कणों तथा अभिक्रिया माध्यम के बीच संपर्क में सुधार करके जल-अपघटन, ग्लाइकोलिसिस, मेथनोलिसिस या एंज़ाइमी अभिक्रियाओं को तीव्र करता है।
अल्ट्रासाउंड PET पुनर्चक्रण को कैसे बेहतर बनाता है?
अल्ट्रासाउंड तरल पदार्थों में ध्वनिक कैविटेशन उत्पन्न करता है। सूक्ष्म बुलबुलों के ध्वस्त होने से अपरूपण बल, सूक्ष्म जेट, आघात तरंगें और तीव्र स्थानीय मिश्रण उत्पन्न होते हैं। ये प्रभाव PET की सतह को नवीकृत करते हैं, कणों और उत्प्रेरकों को परिक्षेपित करते हैं, विसरण अवरोधों को कम करते हैं और अभिक्रिया के लिए सुलभ क्षेत्र को बढ़ाते हैं, जिससे विबहुलकीकरण संभावित रूप से तेज़ हो सकता है और मोनोमर की पुनर्प्राप्ति बेहतर हो सकती है।
क्या अल्ट्रासाउंड रसायनों या एंज़ाइमों के बिना PET का विबहुलकीकरण कर सकता है?
उपयुक्त परिस्थितियों में अल्ट्रासाउंड कणों को खंडित कर सकता है और बहुलक शृंखलाओं का सीमित विखंडन कर सकता है, लेकिन सामान्यतः यह अपने आप PET का चयनात्मक और पूर्ण विबहुलकीकरण नहीं करता। इसकी प्राथमिक औद्योगिक भूमिका किसी स्थापित रासायनिक या एंज़ाइमी पुनर्चक्रण अभिक्रिया को तीव्र करना है।
अल्ट्रासोनिकेशन किन PET पुनर्चक्रण प्रक्रियाओं में सहायता कर सकता है?
अल्ट्रासोनिकेशन क्षारीय, अम्लीय या उदासीन जल-अपघटन; एथिलीन ग्लाइकॉल के साथ ग्लाइकोलिसिस; मेथनोलिसिस; उत्प्रेरकीय विलायक-अपघटन; और एंज़ाइमी PET जल-अपघटन में सहायता कर सकता है। उपयुक्त अल्ट्रासोनिक तीव्रता, तापमान, दाब और निवास समय चुनी गई अभिक्रिया तथा वांछित उत्पादों पर निर्भर करते हैं।
अल्ट्रासोनिक PET पुनर्चक्रण से कौन से उत्पाद पुनः प्राप्त किए जा सकते हैं?
जल-अपघटन से टेरेफ्थैलिक अम्ल और एथिलीन ग्लाइकोल पुनः प्राप्त किए जा सकते हैं, जबकि ग्लाइकोलाइसिस से आम तौर पर छोटे ऑलिगोमरों के साथ बिस(2-हाइड्रॉक्सीएथिल) टेरेफ्थैलेट बनता है, जिसे सामान्यतः BHET के नाम से जाना जाता है। मेथनॉलाइसिस से डाइमेथिल टेरेफ्थैलेट और एथिलीन ग्लाइकोल बनते हैं। शुद्धिकरण के बाद, इन पदार्थों का उपयोग नए बहुलक और अन्य रासायनिक उत्पाद बनाने के लिए किया जा सकता है।
क्या अल्ट्रासाउंड PET के विबहुलकीकरण का समय या तापमान कम कर सकता है?
अल्ट्रासाउंड अंतरापृष्ठीय अभिक्रियाओं को तेज कर सकता है और इससे कम निवास समय या अपेक्षाकृत मृदु प्रसंस्करण परिस्थितियाँ संभव हो सकती हैं। वास्तविक सुधार PET के कण आकार, क्रिस्टलीयता, ठोस पदार्थों की सांद्रता, विलायक, उत्प्रेरक और रिएक्टर विन्यास पर निर्भर करता है। यह निर्धारित करने के लिए पायलट परीक्षण आवश्यक है कि समय या तापमान में कमी सोनिकेशन के लिए आवश्यक अतिरिक्त विद्युत ऊर्जा की भरपाई करती है या नहीं।
क्या अल्ट्रासोनिक विबहुलकीकरण उपभोक्ता द्वारा उपयोग किए जा चुके PET के लिए उपयुक्त है?
हाँ, अल्ट्रासाउंड-सहायित पुनर्चक्रण से धोए गए और आकार में छोटे किए गए, उपभोक्ता द्वारा उपयोग किए जा चुके PET को प्रसंस्कृत किया जा सकता है, जिसमें बोतलें, पैकेजिंग और संभावित रूप से पॉलिएस्टर-समृद्ध वस्त्र अपशिष्ट शामिल हैं। कच्चे माल की छँटाई और पूर्वोपचार महत्वपूर्ण बने रहते हैं, क्योंकि रंग, बहुपरतीय सामग्री, अन्य बहुलक, योजक और गंदगी अभिक्रिया के प्रदर्शन तथा बाद के चरणों में प्राप्त मोनोमर की शुद्धता को प्रभावित कर सकते हैं।
क्या Hielscher इनलाइन सोनिकेटरों की प्रसंस्करण क्षमता बढ़ाई जा सकती है और उन्हें मौजूदा PET पुनर्चक्रण संयंत्रों में जोड़ा जा सकता है?
Hielscher इनलाइन सोनिकेटर आयाम, ऊर्जा निवेश, दाब, तापमान, प्रवाह दर और निवास समय जैसे निर्धारित मापदंडों को पायलट परीक्षणों से बड़े प्रोसेसरों या समानांतर सोनिकेटर समूहों में स्थानांतरित करके प्रसंस्करण क्षमता में रैखिक वृद्धि का समर्थन करते हैं। उनके सघन प्रवाह सेल रिएक्टरों को मौजूदा PET स्लरी स्थानांतरण लाइन या पुनःपरिसंचरण लूप में एकीकृत किया जा सकता है, जिससे संयंत्र के मुख्य विबहुलकीकरण रिएक्टर को बदले बिना उन्हें अपेक्षाकृत सरल तरीके से जोड़ा जा सकता है।
क्या अल्ट्रासोनिक PET विबहुलकीकरण निरंतर चल सकता है?
हाँ। PET स्लरी को अल्ट्रासोनिक प्रवाह सेल रिएक्टर से एक बार गुजारने के लिए पंप किया जा सकता है या लक्षित ऊर्जा खुराक अथवा रूपांतरण प्राप्त होने तक बार-बार परिसंचारित किया जा सकता है। निरंतर इनलाइन सोनिकेशन नियंत्रित निवास समय, पुनरुत्पादनीय उपचार और औद्योगिक पंपों, ऊष्मा विनिमायकों, अभिक्रिया पात्रों तथा पृथक्करण उपकरणों के साथ अधिक आसान एकीकरण प्रदान करता है।
कौन से मापदंड अल्ट्रासोनिक PET विबहुलकीकरण को नियंत्रित करते हैं?
महत्वपूर्ण परिचालन चरों में अल्ट्रासोनिक आयाम, विशिष्ट ऊर्जा निवेश, दाब, तापमान, प्रवाह दर, निवास समय, पल्स मोड, PET का कण आकार, ठोस पदार्थों की लोडिंग, क्रिस्टलीयता और रिएक्टर की ज्यामिति शामिल हैं। रासायनिक चरों – जिनमें विलायक की संरचना, उत्प्रेरक की सांद्रता, pH और PET तथा अभिकर्मक का अनुपात शामिल हैं – को अल्ट्रासोनिक परिस्थितियों के साथ अनुकूलित करना आवश्यक है।
क्या अल्ट्रासाउंड एंजाइमी PET पुनर्चक्रण में सुधार कर सकता है?
कम अवधि का नियंत्रित सोनिकेशन एंजाइम के परिक्षेपण, एंजाइम–सब्सट्रेट संपर्क, PET की सतह तक पहुँच और घुलनशील अपघटन उत्पादों के मुक्त होने में सुधार कर सकता है। अत्यधिक अल्ट्रासोनिक तीव्रता या लंबे समय तक उसके संपर्क में रहने से एंजाइम निष्क्रिय हो सकता है, इसलिए निरंतर उपचार की तुलना में स्पंदित सोनिकेशन या संक्षिप्त सक्रियण चरण अक्सर बेहतर विकल्प होता है। और पढ़ें!
क्या अल्ट्रासोनिक PET पुनर्चक्रण पर्यावरणीय रूप से टिकाऊ है?
अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण टिकाऊपन में सुधार कर सकता है, जब तेज अभिक्रियाओं, कम तापमान, उत्प्रेरक की कम खपत, अधिक मोनोमर उपज या छोटे रिएक्टरों से मिलने वाले लाभ सोनिकेटर द्वारा उपयोग की जाने वाली बिजली के प्रभाव से अधिक हों। पूर्ण आकलन में कच्चे माल का पूर्वोपचार, विलायक और अभिकर्मक की पुनर्प्राप्ति, उत्पाद शुद्धिकरण, अपशिष्ट जल का उत्पादन और बिजली आपूर्ति की कार्बन तीव्रता भी शामिल होनी चाहिए।
अल्ट्रासोनिक रासायनिक पुनर्चक्रण यांत्रिक PET पुनर्चक्रण से किस प्रकार भिन्न है?
यांत्रिक पुनर्चक्रण में बहुलक शृंखलाओं को काफी हद तक संरक्षित रखते हुए PET को धोया, पिघलाया और फिर से आकार दिया जाता है। अल्ट्रासोनिक रासायनिक पुनर्चक्रण इन शृंखलाओं को मोनोमरों या मध्यवर्ती पदार्थों में तोड़ने में सहायता करता है, जिन्हें शुद्ध करके पुनः बहुलकीकृत किया जा सकता है। इसलिए यह उन PET धाराओं के लिए उपयोगी हो सकता है जिनका रंग, संदूषण, अपघटन या उत्पाद की गुणवत्ता संबंधी आवश्यकताओं के कारण यांत्रिक पुनर्चक्रण करना कठिन होता है।
साहित्य / संदर्भ
- 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 उच्च-प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र प्रयोगशाला आकार से लेकर औद्योगिक आकार तक बनाता है।