Ультразвуковой щелочной гидролиз для переработки ПЭТ
Щелочной гидролиз — это эффективный метод деполимеризации отходов полиэтилентерефталата (ПЭТ). В ходе этого процесса ПЭТ преобразуется в соли терефталата, которые затем можно подвергнуть подкислению для извлечения терефталевой кислоты (ТФК) высокой чистоты, используемой при производстве нового ПЭТ и других полиэфирных материалов. Мощный ультразвук, или соникация, улучшает перемешивание и массообмен и может значительно ускорить гидролиз ПЭТ. Узнайте, как соникация может сделать переработку ПЭТ более быстрой и эффективной.
Экологичный и эффективный подход к деполимеризации полиэтилентерефталата с использованием ультразвуковой энергии
При гидролизе ПЭТ вступает в реакцию с водой в кислой, нейтральной или щелочной среде с образованием терефталевой кислоты (ТПА) и этиленгликоля (ЭГ). Обычный гидролиз может требовать высоких температур, повышенного давления, концентрированных реагентов или длительного времени пребывания, поскольку реакция протекает на границе раздела между сравнительно устойчивым твердым полимером и жидкой фазой. Перемешивание под действием ультразвука может ускорить эту межфазную реакцию, улучшить фазовый переносный катализ и обеспечить более высокую степень превращения при менее агрессивных условиях реакции.
Расскажите нам о вашем исходном сырье для ПЭТ и условиях реакции. Наши специалисты по ультразвуковой обработке подберут для вас оптимальную конфигурацию ультразвукового устройства и реактора для вашего процесса переработки.
Промышленный ультразвуковой аппарат UIP1600hdT усиливает деполимеризацию полиэтилентерефталата (ПЭТ) для более эффективной переработки
Научные результаты: Ультразвуковая обработка повышает эффективность переработки ПЭТ
Ультразвуковая обработка ускоряет извлечение чистого мономера в низкотемпературных неводных средах
Исследование, опубликованное в 2017 году Бхоглом и Пандитом, демонстрирует, что применение ультразвука частотой 20 кГц значительно усиливает щелочной гидролиз отходов ПЭТ, особенно в неводных метанольных средах. Исследователи обнаружили, что при использовании ультразвука степень превращения ПЭТ достигала 69 % за 60 минут при температуре 50 °C, тогда как без ультразвуковой обработки этот показатель составлял всего 46 %. Этот процесс позволяет извлекать чистую терефталевую кислоту (ТК) в более мягких условиях, предлагая новую стратегию переработки отходов ПЭТ после потребления без использования растворителей. В исследовании подчеркивается, что ультразвуковое микросмешивание увеличивает частоту столкновений между молекулами ПЭТ и щелочи, тем самым ускоряя реакцию и делая процесс деполимеризации более экономически выгодным для крупномасштабных применений в сфере переработки отходов.
Ультразвуковая обработка значительно сокращает время реакции и затраты на переработку
Исследование, опубликованное в 2013 году Паливалом и Мунгреем, демонстрирует, что применение ультразвука позволяет значительно сократить время реакции, необходимое для щелочного гидролиза ПЭТ в присутствии фазопереносного катализатора. В то время как традиционный метод требовал более 65 минут для достижения 100%-ного превращения ПЭТ в терефталевую кислоту, процесс с ультразвуковой поддержкой завершил реакцию всего за 45 минут. Исследование подтверждает, что ультразвук не изменяет внутренний механизм реакции, но значительно повышает скорость реакции за счет усиления кавитации и массопереноса. Такое повышение эффективности имеет большое значение для отрасли переработки отходов, поскольку снижает затраты на переработку и потребность в энергии, делая химическую переработку более конкурентоспособной по сравнению с производством продукции из первичного сырья.
Ультразвуковая обработка повышает доступность ферментов за счет модификации поверхности
В исследовании, опубликованном в 2016 году Пеллисом и его коллегами, изучается синергетический эффект ультразвука на ферментативный гидролиз; в нём показано, что ультразвуковая обработка увеличивает площадь поверхности ПЭТ за счёт образования микронеровностей и дефектов. Такая физическая модификация облегчает доступ ферментов к полимерным цепям, что значительно повышает эффективность ферментативной деполимеризации. Устраняя разрыв между химическими и биологическими методами переработки, этот подход предлагает более экологичную альтернативу, которая реализуется в более мягких условиях, чем традиционный щелочной гидролиз, что потенциально позволяет снизить потребление энергии при сохранении высоких показателей извлечения мономеров для целесообразного использования ресурсов.
Узнайте больше о синергетическом применении ультразвукового воздействия и фермента кутиназы в процессе переработки ПЭТ!
Линейное масштабирование и простая интеграция в производственную линию
Установки для ультразвуковой обработки Hielscher, работающие в поточном режиме, рассчитаны на линейное масштабирование при соблюдении заданных параметров – такие как амплитуда, подаваемая энергия, давление, температура, расход и время пребывания – при одновременном увеличении мощности ультразвука или параллельной работе нескольких установок. Компактные реакторы с проточной ячейкой можно установить в линию транспортировки ПЭТ-суспензии или в контур рециркуляции, что позволяет сравнительно просто модернизировать существующую установку по переработке, добавив ультразвуковую обработку, без замены основного резервуара деполимеризации или последующего сепарационного оборудования.
Промышленный ультразвуковой аппарат UIP6000hdT с проточной ячейкой для поточной деполимеризации
Настройка промышленных процессов
Линия по переработке ПЭТ с использованием ультразвука обычно начинается с сортировки, промывки и измельчения. ПЭТ-осколки смешиваются с выбранной реакционной средой и перекачиваются через ультразвуковой проточный реактор — либо однократно, либо многократно в контуре рециркуляции. Затем обработанная суспензия поступает в основной реактор деполимеризации или возвращается в него.
В процессе гидролиза последующая технологическая цепочка может включать удаление непрореагировавших твердых веществ, подкисление солей терефталата, кристаллизацию ТПА, промывку и рекуперацию ЭГ. Гликолиз требует отделения и очистки BHET и олигомеров, тогда как ферментативные процессы — управления ферментами и извлечения растворимых продуктов гидролиза. Встроенные приборы могут контролировать температуру, давление, расход и подаваемую ультразвуковую энергию, что позволяет выражать обработку в виде воспроизводимой дозы энергии на единицу массы ПЭТ.
Промышленный ультразвуковой реактор для поточной деполимеризации ПЭТ
Часто задаваемые вопросы об ультразвуковой деполимеризации ПЭТ
Что такое ультразвуковая деполимеризация ПЭТ?
Ультразвуковая деполимеризация ПЭТ — это процесс переработки с использованием ультразвука, который способствует расщеплению полиэтилентерефталата на мономеры или более короткие химические промежуточные соединения. Мощный ультразвук усиливает гидролиз, гликолиз, метанолиз или ферментативные реакции за счет улучшения перемешивания, массообмена и контакта между частицами ПЭТ и реакционной средой.
Как ультразвук способствует повышению эффективности переработки ПЭТ?
Ультразвук вызывает акустическую кавитацию в жидкостях. Разрушение микроскопических пузырьков приводит к возникновению сдвиговых сил, микроструй, ударных волн и интенсивного локального перемешивания. Эти эффекты обновляют поверхность ПЭТ, диспергируют частицы и катализаторы, снижают диффузионные барьеры и увеличивают доступную площадь реакции, что потенциально ускоряет деполимеризацию и повышает выход мономера.
Может ли ультразвук деполимеризовать ПЭТ без использования химических веществ или ферментов?
Ультразвук может фрагментировать частицы и вызывать ограниченное расщепление полимерных цепей при соответствующих условиях, однако сам по себе он, как правило, не обеспечивает избирательную и полную деполимеризацию ПЭТ. Его основная роль в промышленности заключается в усилении уже установленной химической или ферментативной реакции вторичной переработки.
Какие процессы переработки ПЭТ можно оптимизировать с помощью ультразвука?
Ультразвуковая обработка может использоваться для щелочного, кислотного или нейтрального гидролиза; гликолиза с использованием этиленгликоля; метанолиза; каталитического сольволиза; а также ферментативного гидролиза ПЭТ. Оптимальные значения интенсивности ультразвука, температуры, давления и времени пребывания зависят от выбранной реакции и желаемых продуктов.
Какие продукты можно получить в результате ультразвуковой переработки ПЭТ?
В результате гидролиза можно получить терефталевую кислоту и этиленгликоль, тогда как в процессе гликолиза обычно образуется бис(2-гидроксиэтил)терефталат, широко известный как BHET, а также олигомеры с более короткой цепью. В результате метанолиза получаются диметилтерефталат и этиленгликоль. После очистки эти вещества можно использовать для производства новых полимеров и других химических продуктов.
Может ли ультразвук сократить время деполимеризации ПЭТ или снизить температуру?
Ультразвук может ускорять межфазные реакции и, возможно, позволить сократить время пребывания или использовать менее агрессивные условия обработки. Фактическая эффективность зависит от размера частиц ПЭТ, степени кристалличности, концентрации твердого вещества, растворителя, катализатора и конфигурации реактора. Для определения того, компенсирует ли сокращение времени или снижение температуры дополнительные затраты электроэнергии, необходимые для ультразвуковой обработки, необходимо провести пилотные испытания.
Подходит ли ультразвуковая деполимеризация для переработки ПЭТ, бывшего в употреблении?
Да, при переработке с использованием ультразвука можно обрабатывать промытый и измельчённый ПЭТ, бывший в употреблении, включая бутылки, упаковку и, возможно, текстильные отходы с высоким содержанием полиэстера. Сортировка и предварительная обработка сырья по-прежнему играют важную роль, поскольку красители, многослойные материалы, другие полимеры, добавки и загрязнения могут повлиять на эффективность реакции и чистоту получаемого мономера.
Можно ли увеличить мощность ультразвуковых установок Hielscher и модернизировать ими существующие заводы по переработке ПЭТ?
Встроенные ультразвуковые устройства Hielscher обеспечивают линейное масштабирование за счет переноса заданных параметров, таких как амплитуда, потребляемая энергия, давление, температура, расход и время пребывания, из пилотных испытаний на более крупные технологические установки или кластеры ультразвуковых устройств, работающих параллельно. Их компактные реакторы с проточной ячейкой могут быть интегрированы в существующую линию транспортировки ПЭТ-суспензии или контур рециркуляции, что позволяет осуществить относительно простую модернизацию без замены основного реактора деполимеризации установки.
Может ли ультразвуковая деполимеризация ПЭТ осуществляться в непрерывном режиме?
Да. Суспензию ПЭТ можно прокачивать через ультразвуковой реактор с проточной ячейкой за один проход или циркулировать ее несколько раз до достижения заданной энергетической дозы или степени превращения. Непрерывная ультразвуковая обработка в потоке обеспечивает контролируемое время пребывания, воспроизводимость процесса и упрощает интеграцию с промышленными насосами, теплообменниками, реакционными сосудами и сепарационным оборудованием.
Какие параметры определяют процесс ультразвуковой деполимеризации ПЭТ?
К важным технологическим параметрам относятся амплитуда ультразвука, удельная подаваемая энергия, давление, температура, расход, время пребывания, импульсный режим, размер частиц ПЭТ, загрузка твердых веществ, кристалличность и геометрия реактора. Химические параметры — в том числе состав растворителя, концентрация катализатора, pH и соотношение ПЭТ к реагенту — необходимо оптимизировать одновременно с ультразвуковыми условиями.
Может ли ультразвук повысить эффективность ферментативной рециркуляции ПЭТ?
Кратковременная контролируемая ультразвуковая обработка может улучшить диспергирование фермента, контакт фермента с субстратом, доступность поверхности ПЭТ и высвобождение растворимых продуктов распада. Чрезмерная интенсивность ультразвука или длительное воздействие могут привести к инактивации фермента, поэтому импульсная ультразвуковая обработка или кратковременная фаза активации зачастую предпочтительнее непрерывной обработки. Читать далее!
Является ли утилизация ПЭТ с помощью ультразвука экологически устойчивой?
Ультразвуковая обработка может способствовать повышению экологической устойчивости, если ускорение реакций, снижение температур, сокращение расхода катализатора, повышение выхода мономеров или использование реакторов меньшего объёма перевешивают электроэнергию, потребляемую ультразвуковым аппаратом. Комплексная оценка должна также учитывать предварительную обработку исходного сырья, рекуперацию растворителей и реагентов, очистку продукции, образование сточных вод, а также углеродную интенсивность электроснабжения.
Чем ультразвуковая химическая переработка отличается от механической переработки ПЭТ?
При механической переработке ПЭТ промывается, плавится и переформовывается с практически полным сохранением полимерных цепей. Ультразвуковая химическая переработка способствует расщеплению этих цепей на мономеры или промежуточные соединения, которые можно очистить и подвергнуть повторной полимеризации. Поэтому она может быть полезна для потоков ПЭТ, которые трудно переработать механическим способом из-за цвета, загрязнения, деградации или требований к качеству продукции.
Литература / Литература
- 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 лаборатория Кому промышленного размера.