Щелочной гидролиз с ультразвуковой интенсификацией для переработки PET
Щелочной гидролиз – эффективный метод деполимеризации отходов полиэтилентерефталата (PET). В ходе этого процесса PET превращается в соли терефталевой кислоты, которые затем можно подкислить для получения высокочистой терефталевой кислоты (TPA), используемой для производства нового PET и других полиэфирных материалов. Мощный ультразвук, или обработка ультразвуком, улучшает перемешивание и массоперенос и может значительно ускорить гидролиз PET. Узнайте, как обработка ультразвуком может сделать переработку PET быстрее и эффективнее.
Экологически устойчивый и эффективный подход к деполимеризации полиэтилентерефталата с использованием ультразвуковой энергии
При гидролизе PET реагирует с водой в кислой, нейтральной или щелочной среде с образованием терефталевой кислоты (TPA) и этиленгликоля (EG). Традиционный гидролиз может требовать высоких температур, повышенного давления, концентрированных реагентов или длительного времени пребывания, поскольку реакция протекает на границе раздела между сравнительно стойким твёрдым полимером и жидкой фазой. Перемешивание под действием ультразвука может ускорить эту межфазную реакцию, улучшить межфазный катализ и повысить степень превращения в более мягких условиях реакции.
Расскажите нам о вашем исходном сырье PET и условиях реакции. Наши специалисты по обработке ультразвуком порекомендуют вам оптимальный ультразвуковой аппарат и конфигурацию реактора для вашего процесса переработки.
Промышленный ультразвуковой аппарат UIP1600hdT интенсифицирует деполимеризацию полиэтилентерефталата (PET), повышая эффективность переработки
Научные результаты: обработка ультразвуком улучшает переработку PET
Обработка ультразвуком ускоряет получение чистого мономера в неводных средах при низкой температуре
Опубликованное в 2017 году исследование Bhogle и Pandit показывает, что применение ультразвука с частотой 20 kHz значительно улучшает щелочной гидролиз отходов PET, особенно в неводных метанольных средах. Исследователи установили, что при использовании ультразвука степень превращения PET достигала 69% за 60 минут при 50°C по сравнению лишь с 46% без обработки ультразвуком. Этот процесс позволяет получать чистую терефталевую кислоту (TA) в более мягких условиях, предлагая новую стратегию обработки отходов PET после потребительского использования без растворителей. В исследовании подчёркивается, что ультразвуковое микроперемешивание увеличивает частоту столкновений между молекулами PET и щёлочи, тем самым повышая скорость реакции и делая процесс деполимеризации более экономически целесообразным для переработки в более крупном масштабе.
Обработка ультразвуком резко сокращает время реакции и затраты на переработку
Опубликованное в 2013 году исследование Paliwal и Mungray показывает, что применение ультразвука резко сокращает время реакции, необходимое для щелочного гидролиза PET в присутствии катализатора межфазного переноса. Тогда как традиционный метод требовал более 65 минут для достижения 100% превращения PET в терефталевую кислоту, процесс с ультразвуковой интенсификацией завершал реакцию всего за 45 минут. Исследование подтверждает, что ультразвук не изменяет собственный механизм реакции, но значительно повышает её скорость благодаря усилению кавитации и массопереноса. Такое повышение эффективности имеет большое значение для отрасли переработки, поскольку снижает затраты на обработку и потребность в энергии, делая химическую переработку более конкурентоспособной по сравнению с производством первичного материала.
Обработка ультразвуком повышает доступность полимера для ферментов за счёт модификации поверхности
Опубликованное в 2016 году исследование Pellis и коллег изучает синергетическое влияние ультразвука на ферментативный гидролиз и показывает, что обработка ультразвуком увеличивает площадь поверхности PET за счёт создания микрошероховатостей и дефектов. Такая физическая модификация улучшает доступ ферментов к полимерным цепям, значительно повышая эффективность ферментативной деполимеризации. Объединяя химические и биологические методы переработки, этот подход предлагает более экологичную альтернативу, которая работает в более мягких условиях, чем традиционный щелочной гидролиз, и потенциально снижает энергопотребление при сохранении высоких показателей извлечения мономеров для экономики замкнутого цикла.
Узнайте больше о синергетическом применении обработки ультразвуком и фермента кутиназы при переработке PET!
Линейное масштабирование и простая интеграция в производственную установку
Проточные ультразвуковые аппараты Hielscher разработаны для линейного масштабирования за счёт поддержания заданных параметров – таких как амплитуда, подводимая энергия, давление, температура, расход и время пребывания – при увеличении ультразвуковой мощности или параллельной работе нескольких устройств. Компактные реакторы с проточными ячейками можно установить в линию транспортировки суспензии PET или в контур рециркуляции, что позволяет сравнительно просто внедрить обработку ультразвуком на существующем предприятии по переработке без замены основного аппарата деполимеризации или последующего оборудования для разделения.
Промышленный ультразвуковой аппарат UIP6000hdT с проточной ячейкой для деполимеризации в потоке
Конфигурация промышленного процесса
Линия переработки PET с ультразвуковой интенсификацией обычно начиналась бы с сортировки, промывки и измельчения. Хлопья PET смешивают с выбранной реакционной средой и прокачивают через ультразвуковой проточный реактор однократно или многократно в контуре рециркуляции. Затем обработанная суспензия поступает или возвращается в основной реактор деполимеризации.
При гидролизе последующая технологическая цепочка может включать удаление непрореагировавших твёрдых веществ, подкисление солей терефталевой кислоты, кристаллизацию TPA, промывку и извлечение EG. Гликолиз требует разделения и очистки BHET и олигомеров, а ферментативные процессы – работы с ферментами и извлечения растворимых продуктов гидролиза. Встроенные в линию приборы могут контролировать температуру, давление, расход и переданную ультразвуковую энергию, позволяя выражать обработку как воспроизводимую дозу энергии на единицу массы PET.
Промышленный ультразвуковой реактор для деполимеризации PET в потоке
Часто задаваемые вопросы об ультразвуковой деполимеризации PET
Что такое ультразвуковая деполимеризация PET?
Ультразвуковая деполимеризация PET – это процесс переработки с применением ультразвука, который помогает расщеплять полиэтилентерефталат на мономеры или более короткие промежуточные химические соединения. Ультразвук высокой мощности интенсифицирует гидролиз, гликолиз, метанолиз или ферментативные реакции, улучшая перемешивание, массоперенос и контакт между частицами PET и реакционной средой.
Как ультразвук улучшает переработку PET?
Ультразвук создаёт акустическую кавитацию в жидкостях. Схлопывание микроскопических пузырьков порождает силы сдвига, микроструи, ударные волны и интенсивное локальное перемешивание. Эти эффекты обновляют поверхность PET, диспергируют частицы и катализаторы, уменьшают диффузионные барьеры и увеличивают доступную для реакции площадь, потенциально ускоряя деполимеризацию и улучшая извлечение мономеров.
Может ли ультразвук деполимеризовать PET без химических веществ или ферментов?
Ультразвук может дробить частицы и вызывать ограниченный разрыв полимерных цепей при подходящих условиях, но сам по себе обычно не обеспечивает селективную и полную деполимеризацию PET. Его основная промышленная роль заключается в интенсификации уже существующей химической или ферментативной реакции переработки.
Какие процессы переработки PET можно интенсифицировать обработкой ультразвуком?
Обработка ультразвуком может способствовать щелочному, кислотному или нейтральному гидролизу; гликолизу с этиленгликолем; метанолизу; каталитическому сольволизу; и ферментативному гидролизу PET. Подходящие интенсивность ультразвука, температура, давление и время пребывания зависят от выбранной реакции и требуемых продуктов.
Какие продукты можно получить при ультразвуковой переработке PET?
При гидролизе можно получить терефталевую кислоту и этиленгликоль, тогда как при гликолизе обычно образуется bis(2-hydroxyethyl) terephthalate, широко известный как BHET, вместе с более короткими олигомерами. При метанолизе образуются диметилтерефталат и этиленгликоль. После очистки эти материалы можно использовать для производства новых полимеров и других химических продуктов.
Может ли ультразвук сократить время или снизить температуру деполимеризации PET?
Ультразвук может ускорять межфазные реакции и может позволить сократить время пребывания или смягчить условия обработки. Фактическое улучшение зависит от размера частиц PET, кристалличности, концентрации твёрдых веществ, растворителя, катализатора и конфигурации реактора. Пилотные испытания необходимы, чтобы определить, компенсирует ли сокращение времени или снижение температуры дополнительную электрическую энергию, необходимую для обработки ультразвуком.
Подходит ли ультразвуковая деполимеризация для PET после потребительского использования?
Да, переработка с ультразвуковой интенсификацией позволяет обрабатывать промытый и измельчённый PET после потребительского использования, включая бутылки, упаковку и потенциально текстильные отходы с высоким содержанием полиэфиров. Сортировка сырья и предварительная обработка остаются важными, поскольку красители, многослойные материалы, другие полимеры, добавки и грязь могут влиять на протекание реакции и чистоту мономеров после последующих стадий обработки.
Можно ли масштабировать проточные ультразвуковые аппараты Hielscher и внедрять их на существующих предприятиях по переработке PET?
Проточные ультразвуковые аппараты Hielscher поддерживают линейное масштабирование за счёт переноса заданных параметров, таких как амплитуда, подводимая энергия, давление, температура, расход и время пребывания, с пилотных испытаний на более крупные аппараты или группы параллельно работающих ультразвуковых аппаратов. Их компактные реакторы с проточными ячейками можно интегрировать в существующую линию транспортировки суспензии PET или контур рециркуляции, обеспечивая сравнительно простую модернизацию без замены основного реактора деполимеризации на предприятии.
Может ли ультразвуковая деполимеризация PET работать непрерывно?
Да. Суспензию PET можно прокачивать через ультразвуковой реактор с проточной ячейкой за один проход или многократно циркулировать до достижения целевой дозы энергии или степени превращения. Непрерывная обработка ультразвуком в потоке обеспечивает контролируемое время пребывания, воспроизводимую обработку и более простую интеграцию с промышленными насосами, теплообменниками, реакционными аппаратами и оборудованием для разделения.
Какие параметры определяют ультразвуковую деполимеризацию PET?
Важные рабочие переменные включают амплитуду ультразвука, удельную подводимую энергию, давление, температуру, расход, время пребывания, импульсный режим, размер частиц PET, содержание твёрдых веществ, кристалличность и геометрию реактора. Химические переменные – включая состав растворителя, концентрацию катализатора, pH и соотношение PET и реагента – необходимо оптимизировать вместе с условиями ультразвуковой обработки.
Может ли ультразвук улучшить ферментативную переработку PET?
Кратковременная контролируемая обработка ультразвуком может улучшить диспергирование ферментов, контакт фермента с субстратом, доступность поверхности PET и высвобождение растворимых продуктов разложения. Чрезмерная интенсивность ультразвука или длительное воздействие могут дезактивировать фермент, поэтому импульсная обработка ультразвуком или краткая фаза активации часто предпочтительнее непрерывной обработки. Узнайте больше!
Является ли ультразвуковая переработка PET экологически устойчивой?
Ультразвуковая обработка может повышать экологическую устойчивость, когда преимущества более быстрых реакций, более низких температур, меньшего расхода катализатора, более высокого выхода мономеров или меньших реакторов перевешивают затраты электроэнергии на работу ультразвукового аппарата. Полная оценка также должна учитывать предварительную обработку сырья, рекуперацию растворителей и реагентов, очистку продукта, образование сточных вод и углеродную интенсивность электроснабжения.
Чем ультразвуковая химическая переработка отличается от механической переработки PET?
При механической переработке PET промывают, плавят и заново формуют, в значительной степени сохраняя полимерные цепи. Ультразвуковая химическая переработка способствует расщеплению этих цепей на мономеры или промежуточные соединения, которые можно очистить и повторно полимеризовать. Поэтому она может быть полезна для потоков PET, которые трудно перерабатывать механически из-за цвета, загрязнения, деградации или требований к качеству продукта.
Литература / Источники
- 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 производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лабораторного до промышленного масштаба.