Ar ultraskaņu veicināta sārmainā hidrolīze PET pārstrādei
Sārmainā hidrolīze ir efektīva metode polietilēntereftalāta (PET) atkritumu depolimerizācijai. Šajā procesā PET pārvērš tereftalāta sāļos, kurus pēc tam var paskābināt, lai atgūtu augstas tīrības pakāpes tereftālskābi (TPA) izmantošanai jauna PET un citu poliestera materiālu ražošanā. Lielas jaudas ultraskaņa jeb apstrāde ar ultraskaņu uzlabo sajaukšanu un masas pārnesi un var ievērojami paātrināt PET hidrolīzi. Uzziniet, kā apstrāde ar ultraskaņu var padarīt PET pārstrādi ātrāku un efektīvāku.
Ilgtspējīga un efektīva pieeja polietilēntereftalāta depolimerizācijai, izmantojot ultraskaņas enerģiju
Hidrolīzē PET reaģē ar ūdeni skābā, neitrālā vai sārmainā vidē, veidojot tereftālskābi (TPA) un etilēnglikolu (EG). Tradicionālajai hidrolīzei var būt nepieciešama augsta temperatūra, paaugstināts spiediens, koncentrēti reaģenti vai ilgs uzturēšanās laiks, jo reakcija notiek uz robežvirsmas starp samērā izturīgu cietu polimēru un šķidro fāzi. Apstrādes ar ultraskaņu izraisīta sajaukšana var paātrināt šo robežvirsmas reakciju, uzlabot fāžu pārneses katalīzi un nodrošināt augstāku konversijas pakāpi maigākos reakcijas apstākļos.
Pastāstiet mums par savām PET izejvielām un reakcijas apstākļiem. Mūsu ultraskaņas apstrādes eksperti ieteiks optimālo ultraskaņas apstrādes ierīci un reaktora konfigurāciju jūsu pārstrādes procesam.
Rūpnieciskā ultraskaņas apstrādes ierīce UIP1600hdT intensificē polietilēntereftalāta (PET) depolimerizāciju, uzlabojot pārstrādi
Zinātniskie rezultāti: apstrāde ar ultraskaņu uzlabo PET pārstrādi
Apstrāde ar ultraskaņu paātrina tīru monomēru atgūšanu neūdens vidēs zemā temperatūrā
Bhogle un Pandit 2017. gadā publicētais pētījums parāda, ka 20 kHz ultraskaņas izmantošana ievērojami uzlabo PET atkritumu sārmaino hidrolīzi, jo īpaši neūdens metanola vidēs. Pētnieki konstatēja, ka ar ultraskaņu 60 minūtēs 50°C temperatūrā tika sasniegta 69% PET konversija salīdzinājumā ar tikai 46% bez apstrādes ar ultraskaņu. Šis process ļauj atgūt tīru tereftālskābi (TA) maigākos apstākļos, piedāvājot jaunu stratēģiju pēcpatēriņa PET atkritumu apstrādei bez šķīdinātājiem. Pētījumā uzsvērts, ka ultraskaņas izraisīta mikrosajaukšana palielina PET un sārma molekulu sadursmju biežumu, tādējādi palielinot reakcijas ātrumu un padarot depolimerizācijas procesu ekonomiski izdevīgāku lielāka mēroga pārstrādei.
Apstrāde ar ultraskaņu krasi samazina reakcijas laiku un apstrādes izmaksas
Paliwal un Mungray 2013. gadā publicētais pētījums parāda, ka ultraskaņas izmantošana krasi samazina reakcijas laiku, kas nepieciešams PET sārmainajai hidrolīzei fāžu pārneses katalizatora klātbūtnē. Lai gan ar tradicionālo metodi bija nepieciešamas vairāk nekā 65 minūtes, lai sasniegtu 100% PET konversiju par tereftālskābi, ar ultraskaņu veicinātajā procesā reakcija tika pabeigta tikai 45 minūtēs. Pētījums apstiprina, ka ultraskaņa nemaina pašu reakcijas mehānismu, bet ievērojami palielina reakcijas ātrumu, pastiprinot kavitāciju un masas pārnesi. Šis efektivitātes pieaugums ir ļoti nozīmīgs pārstrādes nozarei, jo tas samazina apstrādes izmaksas un enerģijas patēriņu, padarot ķīmisko pārstrādi konkurētspējīgāku salīdzinājumā ar pirmreizējo materiālu ražošanu.
Apstrāde ar ultraskaņu uzlabo fermentu piekļuvi, modificējot virsmu
Pellis un kolēģu 2016. gadā publicētajā pētījumā aplūkota ultraskaņas sinerģiskā ietekme uz fermentatīvo hidrolīzi, parādot, ka apstrāde ar ultraskaņu palielina PET virsmas laukumu, radot mikronelīdzenumus un defektus. Šī fizikālā modifikācija uzlabo enzīmu piekļuvi polimēru ķēdēm, būtiski palielinot fermentatīvās depolimerizācijas efektivitāti. Sasaistot ķīmiskās un bioloģiskās pārstrādes metodes, šī pieeja piedāvā videi draudzīgāku alternatīvu, kas darbojas maigākos apstākļos nekā tradicionālā sārmainā hidrolīze, potenciāli samazinot enerģijas patēriņu un vienlaikus saglabājot augstus monomēru atgūšanas rādītājus aprites ekonomikas vajadzībām.
Lasiet vairāk par apstrādes ar ultraskaņu un enzīma kutināzes sinerģisko izmantošanu PET pārstrādē!
Lineāra mēroga palielināšana un vienkārša integrēšana ražotnē
Hielscher caurplūdes ultraskaņas apstrādes ierīces ir paredzētas lineārai mēroga palielināšanai, saglabājot noteiktus parametrus – piemēram, amplitūdu, ievadīto enerģiju, spiedienu, temperatūru, plūsmas ātrumu un uzturēšanās laiku – un vienlaikus palielinot ultraskaņas jaudu vai darbinot vairākas ierīces paralēli. Kompaktus plūsmas šūnu reaktorus var uzstādīt PET suspensijas pārvades līnijā vai recirkulācijas kontūrā, ļaujot apstrādi ar ultraskaņu salīdzinoši vienkārši ieviest esošā pārstrādes ražotnē, nenomainot tās galveno depolimerizācijas tvertni vai turpmākajos posmos izmantotās atdalīšanas iekārtas.
Rūpnieciskā ultraskaņas apstrādes ierīce UIP6000hdT ar plūsmas šūnu depolimerizācijai caurplūdes režīmā
Rūpnieciskā procesa konfigurācija
PET pārstrādes līnija ar ultraskaņas palīdzību parasti sāktos ar šķirošanu, mazgāšanu un izmēra samazināšanu. PET pārslas sajauc ar izvēlēto reakcijas vidi un sūknē caur ultraskaņas plūsmas reaktoru vienu reizi vai atkārtoti recirkulācijas kontūrā. Pēc tam apstrādātā suspensija nonāk vai atgriežas galvenajā depolimerizācijas reaktorā.
Hidrolīzes gadījumā turpmākie procesa posmi var ietvert neizreaģējušo cieto vielu atdalīšanu, tereftalātu sāļu paskābināšanu, TPA kristalizāciju, mazgāšanu un EG atgūšanu. Glikolīzei nepieciešama BHET un oligomēru atdalīšana un attīrīšana, savukārt fermentatīvajos procesos nepieciešama enzīmu pārvaldība un šķīstošo hidrolīzes produktu atgūšana. Procesa līnijā uzstādīti mērinstrumenti var uzraudzīt temperatūru, spiedienu, plūsmu un pievadīto ultraskaņas enerģiju, ļaujot apstrādi izteikt kā reproducējamu enerģijas devu uz PET masas vienību.
Rūpniecisks ultraskaņas reaktors PET depolimerizācijai caurplūdes režīmā
Bieži uzdotie jautājumi par PET depolimerizāciju ar ultraskaņu
Kas ir PET depolimerizācija ar ultraskaņu?
PET depolimerizācija ar ultraskaņu ir pārstrādes process ar ultraskaņas palīdzību, kas palīdz sadalīt polietilēntereftalātu monomēros vai īsākos ķīmiskos starpproduktos. Lieljaudas ultraskaņa intensificē hidrolīzi, glikolīzi, metanolīzi vai fermentatīvās reakcijas, uzlabojot sajaukšanu, masas pārnesi un saskari starp PET daļiņām un reakcijas vidi.
Kā ultraskaņa uzlabo PET pārstrādi?
Ultraskaņa šķidrumos rada akustisko kavitāciju. Mikroskopisko burbuļu sabrukšana rada bīdes spēkus, mikrostrūklas, triecienviļņus un intensīvu lokālu sajaukšanu. Šī iedarbība atjauno PET virsmu, izkliedē daļiņas un katalizatorus, samazina difūzijas barjeras un palielina reakcijai pieejamo virsmas laukumu, potenciāli paātrinot depolimerizāciju un uzlabojot monomēru atgūšanu.
Vai ultraskaņa var depolimerizēt PET bez ķīmiskām vielām vai enzīmiem?
Piemērotos apstākļos ultraskaņa var sadrumstalot daļiņas un izraisīt ierobežotu polimēru ķēžu šķelšanu, taču pati par sevi tā parasti nenodrošina selektīvu un pilnīgu PET depolimerizāciju. Tās galvenā loma rūpniecībā ir intensificēt jau iedibinātu ķīmiskās vai fermentatīvās pārstrādes reakciju.
Kurus PET pārstrādes procesus var veicināt ar apstrādi ar ultraskaņu?
Apstrāde ar ultraskaņu var veicināt sārmainu, skābu vai neitrālu hidrolīzi; glikolīzi ar etilēnglikolu; metanolīzi; katalītisko solvolīzi un PET fermentatīvo hidrolīzi. Piemērotā ultraskaņas intensitāte, temperatūra, spiediens un uzturēšanās laiks ir atkarīgi no izvēlētās reakcijas un vēlamajiem produktiem.
Kādus produktus var atgūt, pārstrādājot PET ar ultraskaņu?
Ar hidrolīzi var atgūt tereftalskābi un etilēnglikolu, savukārt glikolīzē parasti iegūst bis(2-hidroksietil)tereftalātu, ko parasti dēvē par BHET, kopā ar īsākiem oligomēriem. Metanolīzē iegūst dimetiltereftalātu un etilēnglikolu. Pēc attīrīšanas šos materiālus var izmantot jaunu polimēru un citu ķīmisko produktu ražošanai.
Vai ultraskaņa var samazināt PET depolimerizācijas laiku vai temperatūru?
Ultraskaņa var paātrināt reakcijas uz fāžu saskares virsmas un var ļaut saīsināt uzturēšanās laiku vai izmantot maigākus apstrādes apstākļus. Faktiskais uzlabojums ir atkarīgs no PET daļiņu izmēra, kristāliskuma pakāpes, cietvielu koncentrācijas, šķīdinātāja, katalizatora un reaktora konfigurācijas. Ir nepieciešami izmēģinājumi pilotmērogā, lai noteiktu, vai laika vai temperatūras samazinājums kompensē papildu elektroenerģiju, kas nepieciešama apstrādei ar ultraskaņu.
Vai depolimerizācija ar ultraskaņu ir piemērota pēc patēriņa savāktam PET?
Jā, pārstrādē ar ultraskaņas palīdzību var apstrādāt mazgātu un sasmalcinātu pēc patēriņa savāktu PET, tostarp pudeles, iepakojumu un, iespējams, arī tekstila atkritumus ar augstu poliestera saturu. Izejvielu šķirošana un priekšapstrāde joprojām ir svarīga, jo krāsvielas, daudzslāņu materiāli, citi polimēri, piedevas un netīrumi var ietekmēt reakcijas efektivitāti un turpmākajos posmos iegūto monomēru tīrību.
Vai var palielināt Hielscher caurplūdes ultraskaņas apstrādes iekārtu mērogu un tās uzstādīt esošās PET pārstrādes ražotnēs?
Hielscher caurplūdes ultraskaņas apstrādes iekārtas nodrošina lineāru mēroga palielināšanu, pārnesot noteiktus parametrus, piemēram, amplitūdu, enerģijas ievadi, spiedienu, temperatūru, plūsmas ātrumu un uzturēšanās laiku, no izmēģinājumiem pilotmērogā uz lielākām apstrādes iekārtām vai paralēli darbinātām ultraskaņas apstrādes iekārtu grupām. To kompaktos plūsmas šūnu reaktorus var integrēt esošā PET suspensijas pārsūknēšanas līnijā vai recirkulācijas kontūrā, ļaujot salīdzinoši vienkārši modernizēt ražotni, nenomainot tās galveno depolimerizācijas reaktoru.
Vai PET depolimerizāciju ar ultraskaņu var veikt nepārtraukti?
Jā. PET suspensiju var sūknēt caur ultraskaņas plūsmas šūnas reaktoru vienā caurlaidē vai atkārtoti cirkulēt, līdz tiek sasniegta mērķa enerģijas deva vai konversija. Nepārtraukta apstrāde ar ultraskaņu caurplūdē nodrošina kontrolētu uzturēšanās laiku, reproducējamu apstrādi un vienkāršāku integrāciju ar rūpnieciskajiem sūkņiem, siltummaiņiem, reakcijas tvertnēm un atdalīšanas iekārtām.
Kādi parametri nosaka PET depolimerizāciju ar ultraskaņu?
Svarīgi darbības parametri ir ultraskaņas amplitūda, īpatnējā enerģijas ievade, spiediens, temperatūra, plūsmas ātrums, uzturēšanās laiks, impulsu režīms, PET daļiņu izmērs, cietās fāzes saturs, kristāliskuma pakāpe un reaktora ģeometrija. Ķīmiskie parametri – tostarp šķīdinātāja sastāvs, katalizatora koncentrācija, pH un PET un reaģenta attiecība – ir jāoptimizē kopā ar ultraskaņas apstrādes apstākļiem.
Vai ultraskaņa var uzlabot PET enzimātisko pārstrādi?
Īslaicīga, kontrolēta apstrāde ar ultraskaņu var uzlabot enzīmu izkliedi, enzīmu un substrāta saskari, PET virsmas pieejamību un šķīstošo noārdīšanās produktu izdalīšanos. Pārmērīga ultraskaņas intensitāte vai ilgstoša iedarbība var deaktivēt enzīmu, tāpēc apstrāde ar ultraskaņas impulsiem vai īss aktivācijas posms bieži vien ir vēlams salīdzinājumā ar nepārtrauktu apstrādi. Lasiet vairāk!
Vai PET pārstrāde ar ultraskaņu ir ekoloģiski ilgtspējīga?
Apstrāde ar ultraskaņu var uzlabot ilgtspēju, ja ātrāku reakciju, zemākas temperatūras, mazāka katalizatora patēriņa, lielāka monomēru iznākuma vai mazāku reaktoru sniegtie ieguvumi atsver ultraskaņas apstrādes iekārtas patērēto elektroenerģiju. Pilnīgā novērtējumā jāiekļauj arī izejvielu priekšapstrāde, šķīdinātāju un reaģentu atgūšana, produktu attīrīšana, notekūdeņu veidošanās un elektroenerģijas piegādes oglekļa emisiju intensitāte.
Kā ķīmiskā pārstrāde ar ultraskaņu atšķiras no PET mehāniskās pārstrādes?
Mehāniskajā pārstrādē PET mazgā, kausē un pārveido, lielā mērā saglabājot polimēra ķēdes. Ķīmiskā pārstrāde ar ultraskaņu palīdz sašķelt 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 produktu 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 laboratorijas mēroga līdz rūpnieciskam mērogam.