Ultrasoon-ondersteunde alkalische hydrolyse voor PET-recycling
Alkalische hydrolyse is een effectieve methode voor het depolymeriseren van afval van polyethyleentereftalaat (PET). Bij dit proces wordt PET omgezet in tereftaalzouten, die vervolgens kunnen worden aangezuurd om zeer zuiver tereftaalzuur (TPA) terug te winnen voor gebruik bij de productie van nieuw PET en andere polyestermaterialen. Krachtige ultrasone trillingen, of sonicatie, bevorderen het mengen en de massaoverdracht en kunnen de PET-hydrolyse aanzienlijk versnellen. Ontdek hoe sonicatie de recycling van PET sneller en efficiënter kan maken.
Een duurzame, efficiënte methode voor het depolymeriseren van polyethyleentereftalaat met behulp van ultrasone energie
Bij hydrolyse reageert PET onder zure, neutrale of basische omstandigheden met water, waarbij tereftaalzuur (TPA) en ethyleenglycol (EG) worden gevormd. Bij conventionele hydrolyse zijn vaak hoge temperaturen, verhoogde druk, geconcentreerde reagentia of lange verblijftijden nodig, omdat de reactie plaatsvindt aan het grensvlak tussen een relatief resistent vast polymeer en de vloeibare fase. Door ultrasone trillingen aangedreven menging kan deze grensvlakreactie versnellen, de faseoverdrachtskatalyse verbeteren en een betere omzetting bewerkstelligen onder mildere reactieomstandigheden.
Vertel ons meer over uw PET-grondstof en de reactieomstandigheden. Onze experts op het gebied van ultrasone bewerking zullen u de optimale configuratie van ultrasone apparatuur en reactor aanbevelen voor uw recyclingproces.
Industriële ultrasone apparatuur UIP1600hdT versnelt de depolymerisatie van polyethyleentereftalaat (PET) met het oog op een betere recycling
Wetenschappelijke resultaten: Ultrasone behandeling verbetert de recycling van PET
Ultrasone behandeling versnelt de terugwinning van zuivere monomeren in niet-waterige media bij lage temperaturen
Uit het in 2017 gepubliceerde onderzoek van Bhogle en Pandit blijkt dat de toepassing van 20 kHz-ultrasoon de alkalische hydrolyse van PET-afval aanzienlijk bevordert, met name in niet-waterige methanolhoudende media. De onderzoekers stelden vast dat ultrasone trillingen bij 50 °C binnen 60 minuten een PET-omzetting van 69% opleverden, tegenover slechts 46% zonder ultrasone behandeling. Dit proces maakt de terugwinning van zuiver tereftaalzuur (TA) onder mildere omstandigheden mogelijk en biedt daarmee een nieuwe, oplosmiddelvrije strategie voor de verwerking van PET-afval na gebruik. De studie benadrukt dat ultrasoon micro-mixen de botsingsfrequentie tussen PET- en alkalimoleculen verhoogt, waardoor de reactiesnelheid wordt geïntensiveerd en het depolymerisatieproces economisch haalbaarder wordt voor recyclingtoepassingen op grotere schaal.
Ultrasone behandeling verkort de reactietijden aanzienlijk en verlaagt de verwerkingskosten
Uit het in 2013 gepubliceerde onderzoek van Paliwal en Mungray blijkt dat ultrasone ondersteuning de reactietijd die nodig is voor de alkalische hydrolyse van PET in aanwezigheid van een faseoverdrachtskatalysator drastisch verkort. Terwijl de conventionele methode meer dan 65 minuten nodig had om een 100% omzetting van PET in tereftaalzuur te bereiken, voltooide het ultrasoon-ondersteunde proces de reactie in slechts 45 minuten. De studie bevestigt dat ultrasone trillingen het intrinsieke reactiemechanisme niet veranderen, maar de reactiesnelheid aanzienlijk verhogen door toegenomen cavitatie en massaoverdracht. Deze efficiëntiewinst is van groot belang voor de recyclingindustrie, aangezien het de verwerkingskosten en het energieverbruik verlaagt, waardoor chemische recycling concurrerender wordt ten opzichte van de productie van nieuw materiaal.
Ultrasone behandeling verbetert de enzymatische toegankelijkheid door middel van oppervlaktemodificatie
De in 2016 gepubliceerde studie van Pellis en collega’s onderzoekt het synergetische effect van ultrageluid op enzymatische hydrolyse en toont aan dat ultrasone behandeling het oppervlak van PET vergroot door micro-ruwheid en defecten te creëren. Deze fysische wijziging vergroot de toegankelijkheid van enzymen tot de polymeerketens, waardoor de efficiëntie van enzymatische depolymerisatie aanzienlijk wordt verbeterd. Door de kloof tussen chemische en biologische recyclingmethoden te overbruggen, biedt deze aanpak een groener alternatief dat onder mildere omstandigheden werkt dan traditionele alkalische hydrolyse, waardoor het energieverbruik mogelijk wordt verminderd terwijl hoge monomeerterugwinningspercentages voor de circulaire economie worden gehandhaafd.
Lees meer over de synergetische toepassing van ultrasone trillingen en het enzym cutinase bij de recycling van PET!
Lineaire opschaling en eenvoudige integratie in de fabriek
De inline-sonicatoren van Hielscher zijn ontworpen voor lineaire opschaling door het handhaven van vastgelegde parameters – zoals amplitude, energie-inbreng, druk, temperatuur, debiet en verblijftijd – terwijl het ultrasone vermogen wordt verhoogd of meerdere eenheden parallel worden ingezet. Compacte flow-cell-reactoren kunnen worden geïnstalleerd in een transportleiding voor PET-slurry of in een recirculatielus, waardoor ultrasone behandeling relatief eenvoudig achteraf kan worden geïntegreerd in een bestaande recyclinginstallatie zonder dat het hoofdvat voor depolymerisatie of de stroomafwaartse scheidingsapparatuur hoeft te worden vervangen.
Industriële ultrasone reiniger UIP6000hdT met doorstroomcel voor inline-depolymerisatie
Configuratie van industriële processen
Een ultrasoon-ondersteunde PET-recyclinglijn begint doorgaans met sorteren, wassen en verkleinen. De PET-vlokken worden gemengd met het geselecteerde reactiemedium en door een ultrasone stromingsreactor gepompt, hetzij eenmalig, hetzij herhaaldelijk in een recirculatielus. De behandelde suspensie wordt vervolgens naar de hoofdreactor voor depolymerisatie geleid of keert daar naar terug.
Voor de hydrolyse kan de stroomafwaartse verwerkingslijn bestaan uit het verwijderen van niet-gereageerde vaste stoffen, het aanzuren van tereftalaatzouten, TPA-kristallisatie, wassen en EG-terugwinning. Glycolyse vereist de scheiding en zuivering van BHET en oligomeren, terwijl enzymatische processen het beheer van enzymen en de terugwinning van oplosbare hydrolyseproducten vereisen. Inline-instrumenten kunnen de temperatuur, druk, doorstroming en de toegevoerde ultrasone energie monitoren, waardoor de behandeling kan worden uitgedrukt als een reproduceerbare energiedosis per massa-eenheid PET.
Industriële ultrasone reactor voor inline-depolymerisatie van PET
Veelgestelde vragen over ultrasone PET-depolymerisatie
Wat is ultrasone depolymerisatie van PET?
Ultrasone PET-depolymerisatie is een door ultrageluid ondersteund recyclingproces dat helpt bij het afbreken van polyethyleentereftalaat tot monomeren of kortere chemische tussenproducten. Krachtig ultrageluid versterkt hydrolyse, glycolyse, methanolyse of enzymatische reacties door de menging, de massaoverdracht en het contact tussen PET-deeltjes en het reactiemedium te verbeteren.
Hoe draagt echografie bij aan een betere recycling van PET?
Echografie veroorzaakt akoestische cavitatie in vloeistoffen. Door het instorten van microscopisch kleine belletjes ontstaan schuifkrachten, microstralen, schokgolven en intense lokale vermenging. Deze effecten vernieuwen het PET-oppervlak, verspreiden deeltjes en katalysatoren, verminderen diffusiebarrières en vergroten het toegankelijke reactieoppervlak, waardoor de depolymerisatie mogelijk wordt versneld en de terugwinning van monomeren wordt verbeterd.
Kan PET met behulp van ultrageluid worden gedepolymeriseerd zonder gebruik te maken van chemicaliën of enzymen?
Ultrasoon kan onder geschikte omstandigheden deeltjes fragmenteren en een beperkte splitsing van polymeerketens veroorzaken, maar leidt op zichzelf doorgaans niet tot een selectieve en volledige depolymerisatie van PET. De belangrijkste industriële rol ervan is het versterken van een bestaande chemische of enzymatische recyclingreactie.
Bij welke PET-recyclingprocessen kan ultrasone behandeling worden ingezet?
Ultrasone behandeling kan alkalische, zure of neutrale hydrolyse ondersteunen, evenals glycolyse met ethyleenglycol, methanolyse, katalytische solvolyse en enzymatische PET-hydrolyse. De juiste ultrasone intensiteit, temperatuur, druk en verblijftijd zijn afhankelijk van de gekozen reactie en de gewenste producten.
Welke producten kunnen worden teruggewonnen bij het recyclen van PET met behulp van ultrasone technologie?
Door hydrolyse kunnen tereftaalzuur en ethyleenglycol worden teruggewonnen, terwijl bij glycolyse doorgaans bis(2-hydroxyethyl)tereftalaat, beter bekend als BHET, wordt gevormd, samen met kortere oligomeren. Methanolyse levert dimethyltereftalaat en ethyleenglycol op. Na zuivering kunnen deze stoffen worden gebruikt voor de productie van nieuwe polymeren en andere chemische producten.
Kan echografie de depolymerisatietijd of -temperatuur bij PET verkorten?
Echografie kan reacties aan het grensvlak versnellen en kan kortere verblijftijden of mildere verwerkingsomstandigheden mogelijk maken. De daadwerkelijke verbetering hangt af van de deeltjesgrootte van het PET, de kristalliniteit, de concentratie aan vaste stoffen, het oplosmiddel, de katalysator en de configuratie van de reactor. Er zijn proefexperimenten nodig om vast te stellen of de besparing in tijd of temperatuur opweegt tegen de extra elektrische energie die nodig is voor de ultrasone behandeling.
Is ultrasone depolymerisatie geschikt voor PET uit consumentenafval?
Ja, bij recycling met behulp van ultrasone trillingen kan gewassen en verkleind PET-afval van consumenten, waaronder flessen, verpakkingen en mogelijk polyesterrijk textielafval, worden verwerkt. Het sorteren en de voorbehandeling van de grondstoffen blijven belangrijk, omdat kleurstoffen, meerlaagse materialen, andere polymeren, additieven en vuil de reactieprestaties en de zuiverheid van de monomeren in de verdere verwerking kunnen beïnvloeden.
Kunnen de inline-sonicators van Hielscher worden opgeschaald en achteraf worden ingebouwd in bestaande PET-recyclinginstallaties?
De inline-sonicatoren van Hielscher ondersteunen lineaire opschaling door vastgestelde parameters, zoals amplitude, energie-inbreng, druk, temperatuur, debiet en verblijftijd, over te dragen van proefopstellingen naar grotere verwerkingsinstallaties of parallelle clusters van sonicatoren. Hun compacte doorstroomreactoren kunnen worden geïntegreerd in een bestaande PET-slurry-transportlijn of recirculatielus, waardoor een relatief eenvoudige aanpassing mogelijk is zonder dat de hoofdreactor voor depolymerisatie van de installatie hoeft te worden vervangen.
Kan de depolymerisatie van PET met behulp van ultrasone golven continu plaatsvinden?
Ja. Een PET-slurry kan in één doorloop door een ultrasone flow-cell-reactor worden gepompt of herhaaldelijk worden gecirculeerd totdat de beoogde energiedosis of omzetting is bereikt. Continue inline-sonicatie zorgt voor een gecontroleerde verblijftijd, een reproduceerbare behandeling en een eenvoudigere integratie met industriële pompen, warmtewisselaars, reactievat en scheidingsapparatuur.
Welke parameters zijn bepalend voor de depolymerisatie van PET met behulp van ultrasone golven?
Belangrijke procesvariabelen zijn onder meer de ultrasone amplitude, de specifieke energie-inbreng, druk, temperatuur, stroomsnelheid, verblijftijd, pulsmodus, de deeltjesgrootte van PET, de vaste-stofbelasting, de kristalliniteit en de reactorgeometrie. Chemische variabelen – waaronder de samenstelling van het oplosmiddel, de katalysatorconcentratie, de pH en de verhouding tussen PET en reagens – moeten samen met de ultrasone omstandigheden worden geoptimaliseerd.
Kan echografie de enzymatische PET-recycling verbeteren?
Een korte, gecontroleerde ultrasone behandeling kan de verspreiding van het enzym, het contact tussen enzym en substraat, de toegankelijkheid van het PET-oppervlak en de afgifte van oplosbare afbraakproducten verbeteren. Een te hoge ultrasone intensiteit of langdurige blootstelling kan het enzym deactiveren, waardoor een gepulseerde ultrasone behandeling of een korte activeringsfase vaak de voorkeur geniet boven een continue behandeling. Lees meer!
Is het recyclen van PET met behulp van ultrasone golven milieuvriendelijk?
Ultrasone bewerking kan de duurzaamheid verbeteren wanneer snellere reacties, lagere temperaturen, een lager katalysatorverbruik, hogere monomeeropbrengsten of kleinere reactoren opwegen tegen het elektriciteitsverbruik van de ultrasone apparatuur. Een volledige beoordeling moet ook rekening houden met de voorbehandeling van grondstoffen, de terugwinning van oplosmiddelen en reagentia, de zuivering van het product, de productie van afvalwater en de koolstofintensiteit van de elektriciteitsvoorziening.
Waarin verschilt chemische recycling met behulp van ultrasone golven van mechanische PET-recycling?
Bij mechanische recycling wordt PET gewassen, gesmolten en opnieuw gevormd, waarbij de polymeerketens grotendeels intact blijven. Ultrasone chemische recycling helpt bij het afbreken van die ketens tot monomeren of tussenproducten die kunnen worden gezuiverd en opnieuw gepolymeriseerd. Het kan daarom nuttig zijn voor PET-stromen die moeilijk mechanisch te recyclen zijn vanwege kleur, verontreiniging, afbraak of eisen aan de productkwaliteit.
Literatuur / Referenties
- 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 produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.