Ultrazvokom podprta alkalna hidroliza za recikliranje PET-a
Alkalna hidroliza je učinkovita metoda za depolimerizacijo odpadnega polietilen tereftalata (PET). V tem procesu se PET pretvori v tereftalate, ki se nato lahko nakisajo, da se pridobi tereftalna kislina (TPA) visoke čistosti za uporabo pri proizvodnji novega PET-a in drugih poliestrskih materialov. Močan ultrazvok, imenovan tudi sonikacija, izboljša mešanje in prenos mase ter lahko znatno pospeši hidrolizo PET-a. Preberite, kako sonikacija omogoča hitrejše in učinkovitejše recikliranje PET-a.
Trajnosten in učinkovit pristop k depolimerizaciji polietilen tereftalata z uporabo ultrazvočne energije
Pri hidrolizi PET reagira z vodo v kislih, nevtralnih ali bazičnih pogojih, pri čemer nastaneta tereftalna kislina (TPA) in etilenglikol (EG). Konvencionalna hidroliza lahko zahteva visoke temperature, povišan tlak, koncentrirana reagenta ali dolge zadrževalne čase, saj reakcija poteka na mejni ploskvi med sorazmerno odpornim trdnim polimerom in tekočo fazo. Mešanje s pomočjo ultrazvoka lahko pospeši to reakcijo na mejni ploskvi, izboljša katalizo s prenosom faz in omogoči boljšo konverzijo v blažjih reakcijskih pogojih.
Povejte nam kaj več o surovinah PET in reakcijskih pogojih. Naši strokovnjaki za ultrazvok vam bodo priporočili optimalno konfiguracijo ultrazvočnega naprave in reaktorja za vaš postopek recikliranja.
Industrijski ultrazvočni aparat UIP1600hdT pospešuje depolimerizacijo polietilen tereftalata (PET) za boljše recikliranje
Znanstveni rezultati: Ultrazvok izboljša recikliranje PET-a
Ultrazvok pospešuje izločanje čistega monomera v nevodnih medijih pri nizkih temperaturah
Študija, ki sta jo leta 2017 objavila Bhogle in Pandit, kaže, da uporaba ultrazvoka s frekvenco 20 kHz znatno izboljša alkalno hidrolizo odpadnega PET-a, zlasti v nevodnih metanolnih medijih. Raziskovalci so ugotovili, da je ultrazvok pri temperaturi 50 °C v 60 minutah dosegel 69-odstotno pretvorbo PET-a, medtem ko je bila ta brez ultrazvoka le 46-odstotna. Ta postopek omogoča pridobivanje čiste tereftalne kisline (TA) v blažjih pogojih, kar ponuja novo strategijo brez topil za obdelavo PET-odpadkov po porabi. Študija poudarja, da ultrazvočno mikromešanje poveča pogostost trkov med molekulami PET in alkalij, s čimer pospeši reakcijsko hitrost in naredi proces depolimerizacije gospodarsko bolj izvedljiv za recikliranje v večjem obsegu.
Ultrazvok znatno skrajša reakcijske čase in zmanjša stroške predelave
Študija, ki sta jo leta 2013 objavila Paliwal in Mungray, kaže, da ultrazvočna podpora drastično skrajša reakcijski čas, potreben za alkalno hidrolizo PET-a v prisotnosti katalizatorja s faznim prenosom. Medtem ko je pri konvencionalni metodi za 100-odstotno pretvorbo PET-a v tereftalno kislino potrebnih več kot 65 minut, je postopek z ultrazvočno podporo reakcijo zaključil v zgolj 45 minutah. Študija potrjuje, da ultrazvok ne spreminja notranjega reakcijskega mehanizma, temveč znatno poveča hitrost reakcije s povečano kavitacijo in prenosom mase. Ta povečana učinkovitost je zelo pomembna za industrijo recikliranja, saj znižuje stroške predelave in porabo energije, zaradi česar je kemično recikliranje bolj konkurenčno v primerjavi s proizvodnjo novih surovin.
Ultrazvok izboljša dostopnost encimov prek površinske modifikacije
Študija, ki so jo leta 2016 objavili Pellis in sodelavci, raziskuje sinergistični učinek ultrazvoka na encimsko hidrolizo in kaže, da sonikacija poveča površino PET-a z ustvarjanjem mikro-hrapavosti in defektov. Ta fizikalna sprememba izboljša dostopnost encimov do polimernih verig, s čimer se znatno poveča učinkovitost encimske depolimerizacije. S premostitvijo vrzeli med kemičnimi in biološkimi metodami recikliranja ta pristop ponuja okolju prijaznejšo alternativo, ki deluje v blažjih pogojih kot tradicionalna alkalna hidroliza, s čimer se lahko zmanjša poraba energije, hkrati pa se ohranijo visoke stopnje izkoristka monomerov za krožno gospodarstvo.
Preberite več o sinergistični uporabi ultrazvoka in encima kutinaze pri recikliranju PET-a!
Linearna povečljivost in enostavna integracija v obrat
Inline sonikatorji podjetja Hielscher so zasnovani za linearno povečanje obsega ob ohranjanju določenih parametrov – kot so amplituda, vnesena energija, tlak, temperatura, pretok in čas zadrževanja – ob povečanju ultrazvočne moči ali vzporednem delovanju več enot. Kompaktne reaktorje s pretočno celico je mogoče vgraditi v cevovod za prenos PET-suspenzije ali v recirkulacijski krog, kar omogoča razmeroma enostavno naknadno vgradnjo ultrazvoka v obstoječo reciklažno napravo, ne da bi bilo treba zamenjati njeno glavno posodo za depolimerizacijo ali opremo za ločevanje v nadaljnjem delu procesa.
Industrijski ultrazvočni aparat UIP6000hdT s pretočno celico za depolimerizacijo v proizvodni liniji
Konfiguracija industrijskih procesov
Proizvodna linija za recikliranje PET-a z ultrazvokom se običajno začne s sortiranjem, pranjem in drobljenjem. PET-ovi kosmiči se zmešajo z izbranim reakcijskim medijem in se s črpalko dovajajo skozi ultrazvočni pretočni reaktor, bodisi enkrat bodisi večkrat v krožnem toku. Obdelana suspenzija nato vstopi v glavni depolimerizacijski reaktor ali se vanj vrne.
Pri hidrolizi lahko nadaljnji procesni sklop vključuje odstranjevanje nereagiranih trdnih snovi, zakisanje tereftalatih soli, kristalizacijo TPA, pranje in izločanje EG. Glikoliza zahteva ločevanje in čiščenje BHET-a in oligomerov, medtem ko encimski postopki zahtevajo upravljanje z encimi in izkoriščanje topnih produktov hidrolize. Vgrajeni merilni instrumenti lahko spremljajo temperaturo, tlak, pretok in dovedeno ultrazvočno energijo, kar omogoča, da se obdelava izrazi kot ponovljiv odmerek energije na enoto mase PET-a.
Industrijski ultrazvočni reaktor za depolimerizacijo PET-a v proizvodni liniji
Pogosta vprašanja o ultrazvočni depolimerizaciji PET-a
Kaj je ultrazvočna depolimerizacija PET-a?
Ultrazvočna depolimerizacija PET-a je postopek recikliranja z uporabo ultrazvoka, ki omogoča razgradnjo polietilen tereftalata v monomere ali krajše kemijske vmesne produkte. Visokozmogljivi ultrazvok pospešuje hidrolizo, glikolizo, metanolizo ali encimske reakcije z izboljšanjem mešanja, prenosa mase in stika med delci PET-a ter reakcijskim medijem.
Kako ultrazvok izboljša recikliranje PET-a?
Ultrazvok v tekočinah povzroča akustično kavitacijo. Razpad mikroskopskih mehurčkov ustvarja strižne sile, mikro curke, udarne valove in intenzivno lokalno mešanje. Ti učinki obnavljajo površino PET-a, razpršijo delce in katalizatorje, zmanjšajo difuzijske ovire ter povečajo dostopno reakcijsko površino, s čimer lahko pospešijo depolimerizacijo in izboljšajo izkoristek monomerov.
Ali lahko ultrazvok depolimerizira PET brez kemikalij ali encimov?
Ultrazvok lahko v ustreznih pogojih razdrobi delce in povzroči omejeno pretrganje polimernih verig, vendar sam po sebi običajno ne omogoča selektivne in popolne depolimerizacije PET-a. Njegova glavna vloga v industriji je pospeševanje uveljavljene kemične ali encimske reciklažne reakcije.
Kateri postopki recikliranja PET-a se lahko podpirajo z ultrazvokom?
Ultrazvok lahko podpira alkalno, kislo ali nevtralno hidrolizo; glikolizo z etilenglikolom; metanolizo; katalitično solvolizo; ter encimsko hidrolizo PET-a. Ustrezna intenzivnost ultrazvoka, temperatura, tlak in čas zadrževanja so odvisni od izbrane reakcije in želenih produktov.
Kateri izdelki se lahko pridobijo z ultrazvočnim recikliranjem PET-a?
S hidrolizo je mogoče pridobiti tereftalno kislino in etilenglikol, medtem ko se pri glikolizi običajno tvori bis(2-hidroksietil)tereftalat, splošno znan kot BHET, skupaj s krajšimi oligomeri. Pri metanolizi nastajata dimetiltereftalat in etilenglikol. Po prečiščenju se ti materiali lahko uporabijo za proizvodnjo novih polimerov in drugih kemičnih izdelkov.
Ali lahko ultrazvok skrajša čas depolimerizacije PET-a ali zniža temperaturo?
Ultrazvok lahko pospeši reakcije na mejni ploskvi in omogoči krajše zadrževalne čase ali blažje pogoje obdelave. Dejanska izboljšava je odvisna od velikosti delcev PET, kristalnosti, koncentracije trdnih snovi, topila, katalizatorja in konfiguracije reaktorja. Potrebno je izvesti pilotne preskuse, da se ugotovi, ali skrajšani čas ali nižja temperatura odtehtata dodatno električno energijo, potrebno za ultrazvočno obdelavo.
Ali je ultrazvočna depolimerizacija primerna za PET iz potrošniških odpadkov?
Da, pri recikliranju z ultrazvokom je mogoče predelati opran in na manjše kose razrezan PET iz potrošniških odpadkov, vključno s steklenicami, embalažo in morebitnimi tekstilnimi odpadki z visoko vsebnostjo poliestra. Razvrščanje surovin in njihova predobdelava ostajata pomembna, saj lahko barvila, večslojni materiali, drugi polimeri, dodatki in umazanija vplivajo na potek reakcije ter na čistost monomerov v nadaljnjih fazah procesa.
Ali je mogoče ultrazvočne naprave Hielscher za vgradnjo v proizvodno linijo povečati in jih naknadno vgraditi v obstoječe obrate za recikliranje PET-a?
Inline sonikatorji podjetja Hielscher omogočajo linearno povečanje obsega proizvodnje s prenosom določenih parametrov, kot so amplituda, vnesena energija, tlak, temperatura, pretok in čas zadrževanja, iz pilotnih poskusov v večje procesne enote ali vzporedne skupine sonikatorjev. Njihove kompaktne reaktorje s pretočno celico je mogoče vgraditi v obstoječo cevovodno linijo za prenos PET-suspenzije ali v krožni tok, kar omogoča razmeroma preprosto naknadno vgradnjo brez zamenjave glavnega depolimerizacijskega reaktorja obrata.
Ali lahko ultrazvočna depolimerizacija PET poteka neprekinjeno?
Da. PET-suspenzijo je mogoče v enem prehodu črpati skozi ultrazvočni reaktor s pretočno celico ali pa jo večkrat krožiti, dokler ni dosežen želeni energijski odmerek ali stopnja pretvorbe. Neprekinjeno vgrajeno ultrazvočno obdelovanje omogoča nadzorovan čas zadrževanja, ponovljivo obdelavo ter lažjo integracijo z industrijskimi črpalkami, toplotnimi izmenjevalniki, reakcijskimi posodami in ločevalno opremo.
Kateri parametri vplivajo na ultrazvočno depolimerizacijo PET-a?
Med pomembne obratovalne spremenljivke spadajo amplituda ultrazvoka, specifični vnos energije, tlak, temperatura, pretok, čas zadrževanja, impulzni način delovanja, velikost delcev PET, vsebnost trdnih snovi, kristalnost in geometrija reaktorja. Kemijske spremenljivke – vključno s sestavo topila, koncentracijo katalizatorja, vrednostjo pH in razmerjem med PET in reagentom – je treba optimizirati skupaj z ultrazvočnimi pogoji.
Ali lahko ultrazvok izboljša encimsko recikliranje PET-a?
Kratka, nadzorovana ultrazvočna obdelava lahko izboljša razporeditev encimov, stik med encimi in substrati, dostopnost površine PET-a ter sproščanje topnih produktov razgradnje. Prevelika intenzivnost ultrazvoka ali podaljšana izpostavljenost lahko deaktivira encim, zato je impulzna ultrazvočna obdelava ali kratka aktivacijska faza pogosto boljša od neprekinjene obdelave. Preberi več!
Ali je recikliranje PET-a z ultrazvokom okoljsko trajnostno?
Ultrazvočna obdelava lahko prispeva k večji trajnosti, kadar hitrejše reakcije, nižje temperature, manjša poraba katalizatorjev, višji izkoristki monomerov ali manjši reaktorji odtehtajo porabo električne energije, ki jo porabi ultrazvočni aparat. Celovita ocena bi morala vključevati tudi predobdelavo surovin, izkoriščanje topil in reagentov, čiščenje proizvodov, nastajanje odpadne vode ter ogljično intenzivnost oskrbe z električno energijo.
V čem se ultrazvočno kemično recikliranje razlikuje od mehanskega recikliranja PET-a?
Pri mehanskem recikliranju se PET opere, stopi in preoblikuje, pri čemer se polimerne verige v veliki meri ohranijo. Ultrazvočno kemično recikliranje pomaga pri razgradnji teh verig v monomere ali vmesne produkte, ki jih je mogoče prečistiti in ponovno polimerizirati. Zato je lahko koristno za tokove PET-a, ki jih je težko mehansko reciklirati zaradi barve, onesnaženosti, razgradnje ali zahtev glede kakovosti izdelka.
Literatura / Reference
- 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 proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.