Alkalická hydrolýza s využitím ultrazvuku pri recyklácii PET
Alkalická hydrolýza je účinná metóda depolymerizácie odpadového polyetyléntereftalátu (PET). V rámci tohto procesu sa PET premieňa na tereftalátové soli, ktoré sa následne môžu okysliť s cieľom získať kyselinu tereftalovú (TPA) vysokej čistoty na použitie pri výrobe nového PET a iných polyesterových materiálov. Vysokoenergetický ultrazvuk, alebo sonikácia, zlepšuje premiešavanie a prenos hmoty a môže výrazne urýchliť hydrolýzu PET. Zistite, ako sonikácia môže urobiť recykláciu PET rýchlejšou a efektívnejšou.
Udržateľný a efektívny prístup k depolymerizácii polyetyléntereftalátu pomocou ultrazvukovej energie
Pri hydrolýze reaguje PET s vodou v kyslých, neutrálnych alebo zásaditých podmienkach za vzniku kyseliny tereftalovej (TPA) a etylénglykolu (EG). Bežná hydrolýza môže vyžadovať vysoké teploty, zvýšený tlak, koncentrované činidlá alebo dlhé doby zdržania, pretože reakcia prebieha na rozhraní medzi relatívne odolným pevným polymérom a kvapalnou fázou. Miešanie pomocou ultrazvuku môže túto rozhraničnú reakciu urýchliť, zlepšiť katalýzu fázového prenosu a dosiahnuť vyššiu konverziu za miernejších reakčných podmienok.
Povedzte nám niečo o vašej surovine z PET a reakčných podmienkach. Naši odborníci na ultrazvuk vám odporučia optimálnu konfiguráciu ultrazvukového zariadenia a reaktora pre váš recyklačný proces.
Priemyselný ultrazvukový prístroj UIP1600hdT zvyšuje rýchlosť depolymerizácie polyetyléntereftalátu (PET) s cieľom zlepšiť recykláciu
Vedecké výsledky: Ultrazvukové ošetrzenie zlepšuje recykláciu PET
Ultrazvuk urýchľuje získavanie čistého monoméru v nevodných prostrediach pri nízkych teplotách
Štúdia, ktorú v roku 2017 publikovali Bhogle a Pandit, preukázala, že použitie ultrazvuku s frekvenciou 20 kHz výrazne zvyšuje účinnosť alkalickej hydrolýzy odpadového PET, najmä v nevodných metanolových prostrediach. Výskumníci zistili, že ultrazvuk dosiahol konverziu PET na úrovni 69 % za 60 minút pri teplote 50 °C, zatiaľ čo bez sonikácie to bolo len 46 %. Tento proces umožňuje získanie čistej kyseliny tereftalovej (TA) za miernejších podmienok, čím ponúka novú stratégiu spracovania PET odpadu po spotrebiteľskom použití bez použitia rozpúšťadiel. Štúdia zdôrazňuje, že ultrazvukové mikromiešanie zvyšuje frekvenciu zrážok medzi molekulami PET a alkálií, čím zintenzívňuje rýchlosť reakcie a robí proces depolymerizácie ekonomicky životaschopnejším pre recyklačné aplikácie vo väčšom meradle.
Ultrazvukové ošetrzenie výrazne skracuje reakčné časy a znižuje náklady na spracovanie
Štúdia, ktorú v roku 2013 uverejnili Paliwal a Mungray, dokazuje, že využitie ultrazvuku výrazne skracuje reakčný čas potrebný na alkalickú hydrolýzu PET v prítomnosti katalyzátora s fázovým prenosom. Zatiaľ čo konvenčná metóda vyžadovala viac ako 65 minút na dosiahnutie 100 % premeny PET na kyselinu tereftalovú, proces podporovaný ultrazvukom dokončil reakciu za pouhých 45 minút. Štúdia potvrdzuje, že ultrazvuk nemení vnútorný mechanizmus reakcie, ale výrazne zvyšuje rýchlosť reakcie prostredníctvom zvýšenej kavitácie a prenosu hmoty. Toto zvýšenie účinnosti je pre recyklačný priemysel veľmi dôležité, pretože znižuje náklady na spracovanie a energetickú náročnosť, čím sa chemická recyklácia stáva konkurencieschopnejšou voči výrobe z nových surovín.
Ultrazvuková ošetrácia zvyšuje enzymatickú dostupnosť prostredníctvom povrchovej úpravy
Štúdia, ktorú v roku 2016 publikovali Pellis a kolegovia, skúma synergický účinok ultrazvuku na enzymatickú hydrolýzu a dokazuje, že sonikácia zvyšuje povrchovú plochu PET vytváraním mikrodrhosti a defektov. Táto fyzikálna úprava zlepšuje prístupnosť enzýmov k polymérnym reťazcom, čím sa výrazne zvyšuje účinnosť enzymatickej depolymerizácie. Tým, že preklenuje priepasť medzi chemickými a biologickými metódami recyklácie, ponúka tento prístup ekologickejšiu alternatívu, ktorá prebieha za miernejších podmienok než tradičná alkalická hydrolýza, čím potenciálne znižuje spotrebu energie a zároveň zachováva vysokú mieru zhodnotenia monomérov pre cirkulárnu ekonomiku.
Prečítajte si viac o synergickom využití ultrazvuku a enzýmu kutinázy pri recyklácii PET!
Lineárne rozšírenie a jednoduchá integrácia do prevádzky
Inline sonikátory spoločnosti Hielscher sú navrhnuté tak, aby umožňovali lineárne zvyšovanie výkonu pri zachovaní definovaných parametrov – ako napríklad amplitúda, prísun energie, tlak, teplota, prietok a doba zdržania – a to aj pri zvýšení ultrazvukového výkonu alebo pri prevádzke viacerých jednotiek paralelne. Kompaktné reaktory s prietokovou komorou je možné nainštalovať do potrubia na prepravu PET-suspenzie alebo do recirkulačného okruhu, vďaka čomu je dodatočná inštalácia ultrazvukového ožiarenia do existujúceho recyklačného zariadenia pomerne jednoduchá bez nutnosti výmeny hlavnej depolymerizačnej nádrže alebo následných separačných zariadení.
Priemyselný ultrazvukový prístroj UIP6000hdT s prietokovou komorou na depolymerizáciu v priebehu procesu
Konfigurácia priemyselných procesov
Linka na recykláciu PET s využitím ultrazvuku zvyčajne začína triedením, umývaním a drvením. PET vločky sa zmiešajú s vybraným reakčným médiom a čerpadlom sa prečerpávajú cez ultrazvukový prietokový reaktor, a to buď jednorazovo, alebo opakovane v recirkulačnom okruhu. Upravená suspenzia potom vstupuje do hlavného depolymerizačného reaktora alebo sa do neho vracia.
V prípade hydrolýzy môže následný proces zahŕňať odstránenie nezreagovaných tuhých látok, okyslenie tereftalátových solí, kryštalizáciu TPA, preplachovanie a získanie EG. Glykolýza si vyžaduje separáciu a čistenie BHET a oligomérov, zatiaľ čo enzymatické procesy si vyžadujú riadenie enzýmov a získanie rozpustných produktov hydrolýzy. Inline prístroje môžu monitorovať teplotu, tlak, prietok a dodávanú ultrazvukovú energiu, čo umožňuje vyjadriť spracovanie ako reprodukovateľnú dávku energie na jednotku hmotnosti PET.
Priemyselný ultrazvukový reaktor na inline depolymerizáciu PET
Najčastejšie otázky týkajúce sa ultrazvukovej depolymerizácie PET
Čo je ultrazvuková depolymerizácia PET?
Ultrazvuková depolymerizácia PET je recyklačný proces podporovaný ultrazvukom, ktorý pomáha rozložiť polyetyléntereftalát na monoméry alebo kratšie chemické medziprodukty. Vysokovýkonný ultrazvuk zintenzívňuje hydrolýzu, glykolýzu, metanolýzu alebo enzymatické reakcie tým, že zlepšuje premiešavanie, prenos hmoty a kontakt medzi časticami PET a reakčným prostredím.
Ako ultrazvuk prispieva k zlepšeniu recyklácie PET?
Ultrazvuk vyvoláva v kvapalinách akustickú kavitáciu. Kolaps mikroskopických bublín generuje šmykové sily, mikroprúdy, rázové vlny a intenzívne lokálne premiešavanie. Tieto účinky obnovujú povrch PET, dispergujú častice a katalyzátory, znižujú difúzne bariéry a zvyšujú dostupnú reakčnú plochu, čím potenciálne urýchľujú depolymerizáciu a zlepšujú výťažnosť monoméru.
Môže ultrazvuk depolymerizovať PET bez použitia chemikálií alebo enzýmov?
Ultrazvuk môže za vhodných podmienok rozbíjať častice a spôsobiť obmedzené štiepenie polymérnych reťazcov, avšak sám o sebe zvyčajne nezabezpečuje selektívnu a úplnú depolymerizáciu PET. Jeho hlavnou úlohou v priemysle je zintenzívniť už zavedenú chemickú alebo enzymatickú recyklačnú reakciu.
Ktoré procesy recyklácie PET-u je možné podporiť pomocou ultrazvuku?
Ultrazvukové ožiarenie môže podporovať alkalickú, kyslú alebo neutrálnu hydrolýzu; glykolýzu s etylénglykolom; metanolýzu; katalytickú solvolýzu; a enzymatickú hydrolýzu PET. Vhodná intenzita ultrazvuku, teplota, tlak a doba zdržania závisia od zvolenej reakcie a požadovaných produktov.
Aké produkty je možné získať z ultrazvukovej recyklácie PET?
Hydrolýzou je možné získať kyselinu tereftalovú a etylénglykol, zatiaľ čo glykolýza zvyčajne vedie k tvorbe bis(2-hydroxyetyl)tereftalátu, bežne známeho ako BHET, spolu s kratšími oligomérmi. Metanolýza produkuje dimetyltereftalát a etylénglykol. Po vyčistení sa tieto látky môžu použiť na výrobu nových polymérov a iných chemických produktov.
Môže ultrazvuk skrátiť čas alebo znížiť teplotu depolymerizácie PET?
Ultrazvuk môže urýchliť medzifázové reakcie a umožniť skrátenie doby zdržania alebo použitie miernejších spracovateľských podmienok. Skutočné zlepšenie závisí od veľkosti častíc PET, kryštalinity, koncentrácie tuhých látok, rozpúšťadla, katalyzátora a konfigurácie reaktora. Na zistenie, či skrátenie času alebo zníženie teploty vyváži dodatočnú spotrebu elektrickej energie potrebnej na sonikáciu, je potrebné vykonať pilotné testy.
Je ultrazvuková depolymerizácia vhodná pre PET z spotrebiteľských odpadov?
Áno, recyklácia s využitím ultrazvuku umožňuje spracovávať umytý a drvený PET z spotrebiteľských odpadov, vrátane fliaš, obalov a prípadne aj textilného odpadu s vysokým obsahom polyesteru. Triedenie a predúprava surovín zostávajú dôležité, pretože farbivá, viacvrstvové materiály, iné polyméry, prísady a nečistoty môžu ovplyvniť priebeh reakcie a čistotu monoméru v ďalších fázach spracovania.
Dajú sa ultrazvukové zariadenia Hielscher typu inline rozšíriť a dodatočne nainštalovať do existujúcich zariadení na recykláciu PET?
Inline sonikátory spoločnosti Hielscher podporujú lineárne zväčšovanie výroby prenášaním definovaných parametrov, ako sú amplitúda, prísun energie, tlak, teplota, prietok a doba zdržania, z pilotných pokusov do väčších spracovateľských zariadení alebo paralelných zoskupení sonikátorov. Ich kompaktné reaktory s prietokovou komorou je možné integrovať do existujúcej linky na prečerpávanie PET-suspenzie alebo do recirkulačného okruhu, čo umožňuje pomerne jednoduchú modernizáciu bez nutnosti výmeny hlavného depolymerizačného reaktora zariadenia.
Môže ultrazvuková depolymerizácia PET prebiehať nepretržite?
Áno. Suspenziu z PET je možné čerpať cez ultrazvukový reaktor s prietokovou komorou v jednom cykle alebo ju opakovane cirkulovať, až kým sa nedosiahne cieľová energetická dávka alebo konverzia. Nepretržité ultrazvukové ožarovanie v priebehu procesu zabezpečuje kontrolovanú dobu zdržania, reprodukovateľnú úpravu a jednoduchšiu integráciu s priemyselnými čerpadlami, výmenníkmi tepla, reakčnými nádobami a separačnými zariadeniami.
Ktoré parametre ovplyvňujú ultrazvukovú depolymerizáciu PET?
Medzi dôležité prevádzkové premenné patria amplitúda ultrazvuku, špecifický príkon energie, tlak, teplota, prietok, doba zdržania, pulzný režim, veľkosť častíc PET, obsah tuhých látok, kryštalickosť a geometria reaktora. Chemické premenné – vrátane zloženia rozpúšťadla, koncentrácie katalyzátora, hodnoty pH a pomeru PET k činidlu – je potrebné optimalizovať súbežne s ultrazvukovými podmienkami.
Môže ultrazvuk zlepšiť enzymatickú recykláciu PET?
Krátka, kontrolovaná ultrazvuková úprava môže zlepšiť disperziu enzýmu, kontakt medzi enzýmom a substrátom, dostupnosť povrchu PET a uvoľňovanie rozpustných produktov rozkladu. Nadmerná intenzita ultrazvuku alebo dlhodobé pôsobenie môžu enzým deaktivovať, preto je pulzná ultrazvuková úprava alebo krátka aktivačná fáza často vhodnejšia ako nepretržité ošetrovanie. Čítaj viac!
Je recyklácia PET pomocou ultrazvuku ekologicky udržateľná?
Ultrazvukové spracovanie môže prispieť k udržateľnosti, ak rýchlejšie reakcie, nižšie teploty, nižšia spotreba katalyzátora, vyššie výťažky monomérov alebo menšie reaktory prevážia nad spotrebou elektrickej energie zo strany ultrazvukového zariadenia. Komplexné posúdenie by malo zahŕňať aj predúpravu surovín, spätné získavanie rozpúšťadiel a činidiel, čistenie produktov, vznik odpadových vôd a uhlíkovú intenzitu dodávky elektrickej energie.
V čom sa ultrazvuková chemická recyklácia líši od mechanickej recyklácie PET?
Pri mechanickom recyklovaní sa PET premyje, roztaví a pretaví, pričom sa polymerové reťazce do veľkej miery zachovajú. Ultrazvuková chemická recyklácia pomáha rozložiť tieto reťazce na monoméry alebo medziprodukty, ktoré je možné vyčistiť a opätovne polymerizovať. Môže byť preto užitočná pre toky PET, ktoré sa ťažko recyklujú mechanicky kvôli farbe, znečisteniu, degradácii alebo požiadavkám na kvalitu výrobku.
Literatúra / Referencie
- 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.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.