Ultraskaņas palīdzībā veikta sārmainā hidrolīze PET pārstrādei
Sārmainā hidrolīze ir efektīva metode polietilēna tereftalāta (PET) atkritumu depolimerizācijai. Šajā procesā PET tiek pārvērsts par tereftalāta sāļiem, kurus pēc tam var paskābināt, lai iegūtu augstas tīrības pakāpes tereftālskābi (TPA), ko izmanto jauna PET un citu poliestera materiālu ražošanā. Jaudīgs ultraskaņas apstrāde, jeb sonikācija, uzlabo sajaukšanos un vielu pārnesi, kā arī var ievērojami paātrināt PET hidrolīzi. Uzziniet, kā sonikācija var padarīt PET pārstrādi ātrāku un efektīvāku.
Ilgtspējīga un efektīva pieeja polietilēna tereftalāta depolimerizācijai, izmantojot ultraskaņas enerģiju
Hidrolīzes procesā PET reaģē ar ūdeni skābā, neitrālā vai sārmainā vidē, veidojot tereftālskābi (TPA) un etilēnglikolu (EG). Tradicionālajai hidrolīzei var būt nepieciešamas augstas temperatūras, paaugstināts spiediens, koncentrēti reaģenti vai ilgs uzturēšanās laiks, jo reakcija notiek uz robežvirsmas starp salīdzinoši izturīgu cietu polimēru un šķidrā fāzi. Ar ultraskaņas viļņiem vadīta sajaukšana var paātrināt šo robežvirsmas reakciju, uzlabot fāžu pārneses katalīzi un panākt labāku pārveidošanos maigākos reakcijas apstākļos.
Pastāstiet mums par savu PET izejmateriālu un reakcijas apstākļiem. Mūsu ultraskaņas apstrādes eksperti ieteiks jums optimālo ultraskaņas iekārtas un reaktora konfigurāciju jūsu pārstrādes procesam.
Rūpnieciskais ultraskaņas ģenerators UIP1600hdT pastiprina polietilēna tereftalāta (PET) depolimerizāciju, lai uzlabotu pārstrādi
Zinātniskie rezultāti: ultraskaņas apstrāde uzlabo PET pārstrādi
Ultraskaņas apstrāde paātrina tīra monomēra atdalīšanu zemtemperatūras neūdens vidēs
Bhogle un Pandit 2017. gadā publicētajā pētījumā pierādīts, ka 20 kHz ultraskaņas pielietošana ievērojami uzlabo PET atkritumu sārmaino hidrolīzi, jo īpaši ūdens nesaturošās metanola vidēs. Pētnieki konstatēja, ka, izmantojot ultraskaņu, 60 minūšu laikā 50 °C temperatūrā tika sasniegta 69 % PET pārveidošanās, salīdzinot ar tikai 46 % bez ultraskaņas iedarbības. Šis process ļauj iegūt tīru tereftālskābi (TA) maigākos apstākļos, piedāvājot jaunu, bez šķīdinātāju stratēģiju patērētāju izlietoto PET atkritumu apstrādei. Pētījumā uzsvērts, ka ultraskaņas mikrosajaukšana palielina sadursmju biežumu starp PET un sārmu molekulām, tādējādi paātrinot reakcijas ātrumu un padarot depolimerizācijas procesu ekonomiski dzīvotspējīgāku liela mēroga pārstrādes lietojumiem.
Ultraskaņas apstrāde ievērojami samazina reakcijas laiku un pārstrādes izmaksas
Paliwal un Mungray 2013. gadā publicētajā pētījumā pierādīts, ka ultraskaņas izmantošana ievērojami samazina reakcijas laiku, kas nepieciešams PET sārmainajai hidrolīzei fāžu pārneses katalizatora klātbūtnē. Kamēr tradicionālajā metodē bija nepieciešamas vairāk nekā 65 minūtes, lai panāktu 100 % PET pārvēršanu tereftālskābē, ultraskaņas atbalstītajā procesā reakcija norisinājās tikai 45 minūtēs. Pētījums apstiprina, ka ultraskaņa nemaina reakcijas pamatmehānismu, bet ievērojami paātrina reakcijas ātrumu, palielinot kavitāciju un masas pārnesi. Šis efektivitātes pieaugums ir ļoti nozīmīgs pārstrādes nozarē, jo samazina pārstrādes izmaksas un enerģijas patēriņu, padarot ķīmisko pārstrādi konkurētspējīgāku salīdzinājumā ar jauna materiāla ražošanu.
Ultraskaņas apstrāde uzlabo fermentu pieejamību, izmantojot virsmas modifikāciju
Pellis un kolēģu 2016. gadā publicētajā pētījumā tiek izpētīta ultraskaņas sinerģiskā ietekme uz fermentatīvo hidrolīzi, parādot, ka ultraskaņas apstrāde palielina PET virsmas laukumu, radot mikrorupjumu un defektus. Šī fizikālā modifikācija uzlabo fermentu piekļuvi polimēru ķēdēm, ievērojami paaugstinot fermentatīvās depolimerizācijas efektivitāti. Aizpildot plaisu starp ķīmiskajām un bioloģiskajām pārstrādes metodēm, šī pieeja piedāvā videi draudzīgāku alternatīvu, kas darbojas maigākos apstākļos nekā tradicionālā sārmainā hidrolīze, potenciāli samazinot enerģijas patēriņu un vienlaikus saglabājot augstus monomēru reģenerācijas rādītājus aprites ekonomikas vajadzībām.
Uzziniet vairāk par ultraskaņas un fermenta kutināzes sinerģisko pielietojumu PET pārstrādē!
Lineāra ražošanas apjoma palielināšana un vienkārša integrācija ražotnē
Hielscher inline ultraskaņas iekārtas ir paredzētas lineārai ražošanas apjoma palielināšanai, saglabājot noteiktos parametrus – piemēram, amplitūda, enerģijas patēriņš, spiediens, temperatūra, plūsmas ātrums un uzturēšanās laiks – vienlaikus palielinot ultraskaņas jaudu vai darbinot vairākas iekārtas paralēli. Kompaktos plūsmas kameru reaktorus var uzstādīt PET šķidruma pārvades līnijā vai recirkulācijas kontūrā, tādējādi ultraskaņas apstrādi ir salīdzinoši vienkārši integrēt esošajā pārstrādes rūpnīcā, nemainot tās galveno depolimerizācijas tvertni vai pēcapstrādes separācijas iekārtas.
Rūpnieciskā ultraskaņas iekārta UIP6000hdT ar plūsmas kameru depolimerizācijai procesa gaitā
Rūpniecisko procesu konfigurācija
Ultraskaņas tehnoloģiju izmantojoša PET pārstrādes līnija parasti sākas ar šķirošanu, mazgāšanu un sasmalcināšanu. PET pārslas tiek sajauktas ar izvēlēto reakcijas vidi un ar sūkņa palīdzību padotas caur ultraskaņas plūsmas reaktoru — vai nu vienreiz, vai atkārtoti recirkulācijas ciklā. Pēc tam apstrādātā suspensija nonāk vai atgriežas galvenajā depolimerizācijas reaktorā.
Hidrolīzes procesā turpmākajās procesa stadijās var ietilpt nereaģējušo cieto vielu atdalīšana, tereftalāta sāļu paskābināšana, TPA kristalizācija, mazgāšana un EG reģenerācija. Glikolīzei nepieciešama BHET un oligomēru atdalīšana un attīrīšana, savukārt fermentatīvajos procesos ir nepieciešama fermentu pārvaldība un šķīstošo hidrolīzes produktu reģenerācija. Iebūvēti mērinstrumenti var kontrolēt temperatūru, spiedienu, plūsmu un pievadīto ultraskaņas enerģiju, ļaujot apstrādi izteikt kā reproducējamu enerģijas devu uz PET masas vienību.
Rūpniecisks ultraskaņas reaktors PET depolimerizācijai ražošanas procesa laikā
Bieži uzdotie jautājumi par PET depolimerizāciju ar ultraskaņu
Kas ir PET ultraskaņas depolimerizācija?
PET ultraskaņas depolimerizācija ir ultraskaņas atbalstīts pārstrādes process, kas palīdz sadalīt polietilēntereftalātu monomēros vai īsākos ķīmiskos starpproduktos. Augstas jaudas ultraskaņa pastiprina hidrolīzi, glikolīzi, metanolīzi vai fermentatīvās reakcijas, uzlabojot sajaukšanos, masas pārnesi un kontaktu starp PET daļiņām un reakcijas vidi.
Kā ultraskaņa uzlabo PET pārstrādi?
Ultraskaņa šķidrumos izraisa akustisko kavitāciju. Mikroskopisko burbuļu sabrukums rada šķērsspēkus, mikrostrūklas, triecienviļņus un intensīvu lokālu sajaukšanos. Šie efekti atjauno PET virsmu, izkliedē daļiņas un katalizatorus, samazina difūzijas barjeras un palielina pieejamo reakcijas laukumu, potenciāli paātrinot depolimerizāciju un uzlabojot monomēru reģenerāciju.
Vai ultraskaņa var depolimerizēt PET bez ķimikāliju vai fermentu izmantošanas?
Ultraskaņa piemērotos apstākļos var sadalīt daļiņas un izraisīt ierobežotu polimēru ķēžu sadalīšanos, taču parasti tā pati par sevi nenodrošina selektīvu un pilnīgu PET depolimerizāciju. Tās galvenā nozīme rūpniecībā ir pastiprināt jau izveidotu ķīmisko vai fermentatīvo pārstrādes reakciju.
Kādus PET pārstrādes procesus var atvieglot, izmantojot ultraskaņu?
Ultraskaņas apstrāde var veicināt sārmainu, skābu vai neitrālu hidrolīzi; glikolīzi ar etilēnglikolu; metanolīzi; katalītisko solvolīzi; un fermentatīvo PET hidrolīzi. Atbilstošais ultraskaņas intensitātes līmenis, temperatūra, spiediens un uzturēšanās laiks ir atkarīgi no izvēlētās reakcijas un vēlamajiem produktiem.
Kādus produktus var iegūt, pārstrādājot PET ar ultraskaņas metodi?
Hidrolīzes procesā var atgūt tereftālskābi un etilēnglikolu, savukārt glikolīzes procesā parasti rodas bis(2-hidroksietil)tereftalāts, kas plaši pazīstams kā BHET, kopā ar īsākiem oligomēriem. Metanolīzes procesā rodas dimetiltereftalāts un etilēnglikols. Pēc attīrīšanas šīs vielas var izmantot jaunu polimēru un citu ķīmisko produktu ražošanai.
Vai ultraskaņa var samazināt PET depolimerizācijas laiku vai temperatūru?
Ultraskaņa var paātrināt fāžu robežu reakcijas un, iespējams, ļaut samazināt uzturēšanās laiku vai izmantot maigākus apstrādes apstākļus. Faktiskais uzlabojums ir atkarīgs no PET daļiņu izmēra, kristāliskuma, cieto vielu koncentrācijas, šķīdinātāja, katalizatora un reaktora konfigurācijas. Lai noteiktu, vai laika vai temperatūras samazinājums kompensē ultraskaņas apstrādei nepieciešamo papildu elektroenerģiju, ir nepieciešami eksperimentāli testi.
Vai ultraskaņas depolimerizācija ir piemērota lietotā PET?
Jā, ultraskaņas palīdzībā notiekošajā pārstrādē var pārstrādāt mazgātu un sasmalcinātu lietotāju izlietoto PET, tostarp pudeles, iepakojumus un, iespējams, tekstilatkritumus ar augstu poliestera saturu. Izejvielu šķirošana un priekšapstrāde joprojām ir svarīgas, jo krāsvielas, daudzslāņu materiāli, citi polimēri, piedevas un netīrumi var ietekmēt reakcijas efektivitāti un monomēra tīrību turpmākajos pārstrādes posmos.
Vai Hielscher inline ultraskaņas iekārtas var tikt pielāgotas lielākiem apjomiem un uzstādītas jau esošajās PET pārstrādes rūpnīcās?
Hielscher inline ultraskaņas iekārtas nodrošina lineāru ražošanas apjoma palielināšanu, pārnesot noteiktus parametrus, piemēram, amplitūdu, enerģijas patēriņu, spiedienu, temperatūru, plūsmas ātrumu un uzturēšanās laiku, no eksperimentālajiem izmēģinājumiem uz lielākiem procesoriem vai paralēliem ultraskaņas iekārtu klasteriem. To kompaktajos plūsmas kameru reaktoros var integrēt esošajā PET-slurrijas pārvades līnijā vai recirkulācijas kontūrā, kas ļauj veikt salīdzinoši vienkāršu modernizāciju, nemainot iekārtas galveno depolimerizācijas reaktoru.
Vai ultraskaņas PET depolimerizācija var notikt nepārtraukti?
Jā. PET suspensiju var sūknēt caur ultraskaņas plūsmas kameras reaktoru vienā ciklā vai cirkulēt atkārtoti, līdz tiek sasniegta mērķa enerģijas deva vai pārveidojums. Nepārtraukta ultraskaņas apstrāde plūsmas līnijā nodrošina kontrolētu uzturēšanās laiku, reproducējamu apstrādi un vieglāku integrāciju ar rūpnieciskajiem sūkņiem, siltummainiem, reakcijas tvertnēm un separācijas iekārtām.
Kādi parametri nosaka ultraskaņas PET depolimerizāciju?
Svarīgi darbības parametri ietver ultraskaņas amplitūdu, īpatnējo enerģijas patēriņu, spiedienu, temperatūru, plūsmas ātrumu, uzturēšanās laiku, impulsu režīmu, PET daļiņu izmēru, cieto vielu koncentrāciju, kristāliskumu un reaktora ģeometriju. Ķīmiskie parametri — tostarp šķīdinātāja sastāvs, katalizatora koncentrācija, pH un PET un reaģenta attiecība — ir jāoptimizē vienlaikus ar ultraskaņas apstākļiem.
Vai ultraskaņa var uzlabot fermentatīvo PET pārstrādi?
Īsa, kontrolēta ultraskaņas apstrāde var uzlabot fermentu izkliedēšanu, fermentu un substrāta saskari, PET virsmas pieejamību, kā arī šķīstošo sadalīšanās produktu atbrīvošanos. Pārmērīga ultraskaņas intensitāte vai ilgstoša iedarbība var deaktivēt fermentu, tāpēc impulsveida ultraskaņas apstrāde vai īsa aktivācijas fāze bieži vien ir vēlamāka nekā nepārtraukta apstrāde. Lasīt vairāk!
Vai PET pārstrāde, izmantojot ultraskaņu, ir videi draudzīga?
Ultraskaņas apstrāde var uzlabot ilgtspējību, ja ātrākas reakcijas, zemākas temperatūras, samazināts katalizatora patēriņš, augstāks monomēru iznākums vai mazāki reaktori atsver ultraskaņas iekārtas patērēto elektroenerģiju. Pilnīgam novērtējumam būtu jāiekļauj arī izejvielu priekšapstrāde, šķīdinātāju un reaģentu reģenerācija, produkta attīrīšana, notekūdeņu veidošanās un elektroenerģijas piegādes oglekļa intensitāte.
Kā ultraskaņas ķīmiskā pārstrāde atšķiras no mehāniskās PET pārstrādes?
Mehāniskā pārstrāde paredz PET mazgāšanu, kausēšanu un pārveidošanu, vienlaikus lielā mērā saglabājot polimēru ķēdes. Ultraskaņas ķīmiskā pārstrāde palīdz sadalīt šīs ķēdes monomēros vai starpproduktos, kurus var attīrīt un atkārtoti polimerizēt. Tādēļ tā var būt noderīga PET plūsmām, kuras ir grūti pārstrādāt mehāniski krāsas, piesārņojuma, degradācijas vai produkta kvalitātes prasību dēļ.
Literatūra / Atsauces
- 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 ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.