Алкална хидролиза уз помоћ ултразвука за рециклажу PET-а
Алкална хидролиза је ефикасна метода за деполимеризацију отпадног полиетилен-терефталата (PET). Овим процесом PET се претвара у соли терефталне киселине, које се затим могу закиселити ради добијања терефталне киселине (TPA) високе чистоће за производњу новог PET-а и других полиестерских материјала. Ултразвук велике снаге, односно соникација, побољшава мешање и пренос масе и може значајно убрзати хидролизу PET-а. Сазнајте како соникација може учинити рециклажу PET-а бржом и ефикаснијом.
Одржив и ефикасан приступ деполимеризацији полиетилен-терефталата применом ултразвучне енергије
При хидролизи PET реагује са водом у киселим, неутралним или алкалним условима, при чему настају терефтална киселина (TPA) и етилен-гликол (EG). Конвенционална хидролиза може захтевати високе температуре, повишен притисак, концентроване реагенсе или дуга времена задржавања, јер се реакција одвија на граници између релативно отпорног чврстог полимера и течне фазе. Мешање изазвано соникацијом може убрзати ову реакцију на међуфазној граници, побољшати катализу фазног преноса и омогућити постизање већег степена конверзије при блажим реакционим условима.
Реците нам нешто о својој PET сировини и реакционим условима. Наши стручњаци за соникацију препоручиће вам оптимални соникатор и конфигурацију реактора за ваш процес рециклаже.
Индустријски соникатор UIP1600hdT интензивира деполимеризацију полиетилен-терефталата (PET) ради побољшања рециклаже
Научни резултати: соникација побољшава рециклажу PET-а
Соникација убрзава добијање чистог мономера у неводеним срединама на ниским температурама
Студија аутора Bhogle и Pandit, објављена 2017. године, показује да примена ултразвука фреквенције 20 kHz значајно побољшава алкалну хидролизу отпадног PET-а, нарочито у неводеним метанолним срединама. Истраживачи су утврдили да је применом ултразвука постигнута конверзија PET-а од 69% за 60 минута на 50°C, у поређењу са само 46% без соникације. Овај процес омогућава добијање чисте терефталне киселине (TA) у блажим условима, нудећи нову стратегију без растварача за прераду PET отпада након потрошачке употребе. Студија истиче да ултразвучно микромешање повећава учесталост судара између PET-а и молекула алкалије, чиме се повећава брзина реакције и процес деполимеризације чини економски исплативијим за примену у рециклажи већих размера.
Соникација драстично скраћује време реакције и смањује трошкове прераде
Студија аутора Paliwal и Mungray, објављена 2013. године, показује да примена ултразвука драстично скраћује време реакције потребно за алкалну хидролизу PET-а у присуству катализатора фазног преноса. Док је конвенционалној методи било потребно више од 65 минута да постигне 100% конверзију PET-а у терефталну киселину, процес уз помоћ ултразвука завршио је реакцију за само 45 минута. Студија потврђује да ултразвук не мења сам механизам реакције, али значајно повећава брзину реакције појачавањем кавитације и преноса масе. Ово повећање ефикасности веома је значајно за индустрију рециклаже јер смањује трошкове прераде и потребе за енергијом, чинећи хемијску рециклажу конкурентнијом у односу на производњу примарног материјала.
Соникација повећава доступност полимера ензимима модификацијом површине
Студија коју су Pellis и сарадници објавили 2016. године истражује синергијски ефекат ултразвука на ензимску хидролизу и показује да соникација повећава површину PET-а стварањем микрохрапавости и дефеката. Ова физичка модификација повећава доступност полимерних ланаца ензимима, чиме се значајно побољшава ефикасност ензимске деполимеризације. Повезивањем хемијских и биолошких метода рециклаже, овај приступ нуди еколошки прихватљивију алтернативу која се одвија у блажим условима од традиционалне алкалне хидролизе, уз могуће смањење потрошње енергије и истовремено одржавање високог степена издвајања мономера за циркуларну економију.
Прочитајте више о синергијској примени ултразвучног третмана и ензима кутиназе у рециклажи PET-а!
Линеарно повећање размера процеса и једноставна интеграција у постројење
Hielscher проточни соникатори пројектовани су за линеарно повећање размера процеса одржавањем дефинисаних параметара – као што су амплитуда, унос енергије, притисак, температура, проток и време задржавања – уз повећање ултразвучне снаге или паралелни рад више уређаја. Компактни реактори са проточном ћелијом могу се уградити у цевовод за транспорт суспензије PET-а или у рециркулациону петљу, што омогућава релативно једноставно увођење соникације у постојеће постројење за рециклажу без замене његове главне посуде за деполимеризацију или опреме за накнадну сепарацију.
Индустријски соникатор UIP6000hdT са проточном ћелијом за деполимеризацију у протоку
Конфигурација индустријског процеса
Линија за рециклажу PET-а уз помоћ ултразвука обично би започињала сортирањем, прањем и уситњавањем. Пахуљице PET-а мешају се са одабраним реакционим медијумом и пумпају кроз ултразвучни проточни реактор, једнократно или више пута у рециркулационој петљи. Третирана суспензија затим улази у главни реактор за деполимеризацију или се враћа у њега.
Код хидролизе, низ накнадних процесних корака може обухватати уклањање неизреагованих чврстих материја, закисељавање соли терефталне киселине, кристализацију TPA, прање и издвајање EG. Гликолиза захтева сепарацију и пречишћавање BHET и олигомера, док ензимски процеси захтевају управљање ензимима и издвајање растворљивих производа хидролизе. Мерни инструменти уграђени у процесну линију могу пратити температуру, притисак, проток и испоручену ултразвучну енергију, што омогућава да се третман изрази као поновљива доза енергије по јединици масе PET-а.
Индустријски ултразвучни реактор за деполимеризацију PET-а у протоку
Често постављана питања о ултразвучној деполимеризацији PET-а
Шта је ултразвучна деполимеризација PET-а?
Ултразвучна деполимеризација PET-а је процес рециклаже уз помоћ ултразвука који помаже разградњу полиетилен-терефталата на мономере или краће хемијске интермедијере. Ултразвук велике снаге интензивира хидролизу, гликолизу, метанолизу или ензимске реакције побољшавањем мешања, преноса масе и контакта између честица PET-а и реакционог медијума.
Како ултразвук побољшава рециклажу PET-а?
Ултразвук ствара акустичну кавитацију у течностима. Колапс микроскопских мехурића ствара силе смицања, микромлазеве, ударне таласе и интензивно локално мешање. Ови ефекти обнављају површину PET-а, диспергују честице и катализаторе, смањују дифузионе баријере и повећавају површину доступну за реакцију, чиме могу убрзати деполимеризацију и побољшати издвајање мономера.
Може ли ултразвук деполимеризовати PET без хемикалија или ензима?
Ултразвук може уситнити честице и изазвати ограничено цепање полимерних ланаца у одговарајућим условима, али сам по себи обично не омогућава селективну и потпуну деполимеризацију PET-а. Његова примарна индустријска улога је интензивирање већ успостављене хемијске или ензимске реакције рециклаже.
Који процеси рециклаже PET-а могу бити потпомогнути ултразвучним третманом?
Ултразвучни третман може подржати алкалну, киселу или неутралну хидролизу; гликолизу етилен-гликолом; метанолизу; каталитичку солволизу; и ензимску хидролизу PET-а. Одговарајући интензитет ултразвука, температура, притисак и време задржавања зависе од одабране реакције и жељених производа.
Који производи се могу добити ултразвучном рециклажом PET-а?
Хидролизом се могу добити терефтална киселина и етилен-гликол, док се гликолизом обично добија бис(2-хидроксиетил) терефталат, познат као BHET, заједно са краћим олигомерима. Метанолизом се добијају диметил-терефталат и етилен-гликол. Након пречишћавања, ови материјали се могу користити за производњу нових полимера и других хемијских производа.
Може ли ултразвук скратити време или снизити температуру деполимеризације PET-а?
Ултразвук може убрзати реакције на граници фаза и потенцијално омогућити краће време задржавања или блаже услове обраде. Стварно побољшање зависи од величине честица PET-а, кристалиничности, концентрације чврсте фазе, растварача, катализатора и конфигурације реактора. Испитивање на пилот-постројењу неопходно је да би се утврдило да ли скраћено време или снижена температура надокнађују додатну електричну енергију потребну за соникацију.
Да ли је ултразвучна деполимеризација погодна за PET отпад након потрошачке употребе?
Да, рециклажом потпомогнутом ултразвуком може се обрадити опран и уситњен PET отпад након потрошачке употребе, укључујући боце, амбалажу и потенцијално текстилни отпад са високим садржајем полиестера. Сортирање и предобрада сировине и даље су важни јер боје, вишеслојни материјали, други полимери, адитиви и нечистоће могу утицати на ефикасност реакције и чистоћу мономера у наредним фазама процеса.
Могу ли се Hielscher проточни соникатори применити у већем обиму и накнадно уградити у постојећа постројења за рециклажу PET-а?
Hielscher проточни соникатори подржавају линеарно повећање обима процеса преношењем дефинисаних параметара, као што су амплитуда, унос енергије, притисак, температура, запремински проток и време задржавања, са пилот-испитивања на веће процесоре или групе паралелно повезаних соникатора. Њихови компактни реактори са проточном ћелијом могу се интегрисати у постојећи вод за транспорт суспензије PET-а или рециркулациону петљу, што омогућава релативно једноставну накнадну уградњу без замене главног реактора за деполимеризацију у постројењу.
Може ли се ултразвучна деполимеризација PET-а одвијати континуално?
Да. Суспензија PET-а може се пумпати кроз ултразвучни реактор са проточном ћелијом у једном пролазу или вишекратно циркулисати док се не достигне циљна доза енергије или степен конверзије. Континуална проточна соникација обезбеђује контролисано време задржавања, поновљиву обраду и лакшу интеграцију са индустријским пумпама, измењивачима топлоте, реакционим судовима и опремом за сепарацију.
Који параметри контролишу ултразвучну деполимеризацију PET-а?
Важне радне променљиве обухватају амплитуду ултразвука, специфични унос енергије, притисак, температуру, запремински проток, време задржавања, импулсни режим, величину честица PET-а, удео чврсте фазе, кристалиничност и геометрију реактора. Хемијске променљиве – укључујући састав растварача, концентрацију катализатора, pH и однос PET-а и реагенса – морају се оптимизовати заједно са условима ултразвучне обраде.
Може ли ултразвук побољшати ензимску рециклажу PET-а?
Кратка, контролисана соникација може побољшати дисперговање ензима, контакт ензима и супстрата, доступност површине PET-а и ослобађање растворљивих производа разградње. Прекомерни интензитет ултразвука или продужено излагање могу деактивирати ензим, па је импулсна соникација или кратка фаза активације често пожељнија од континуалне обраде. Прочитајте више!
Да ли је ултразвучна рециклажа PET-а еколошки одржива?
Ултразвучна обрада може побољшати одрживост када користи од бржих реакција, нижих температура, смањене потрошње катализатора, већих приноса мономера или мањих реактора превазилазе потрошњу електричне енергије соникатора. Потпуна процена треба да обухвати и предобраду сировине, поновно издвајање растварача и реагенаса, пречишћавање производа, настајање отпадних вода и угљенични интензитет снабдевања електричном енергијом.
Како се ултразвучна хемијска рециклажа разликује од механичке рециклаже PET-а?
При механичкој рециклажи PET се пере, топи и поново обликује, при чему се полимерни ланци у великој мери очувају. Ултразвучна хемијска рециклажа помаже у разлагању тих ланаца на мономере или међупроизводе који се могу пречистити и поново полимеризовати. Стога може бити корисна за токове PET отпада које је тешко механички рециклирати због боје, контаминације, деградације или захтева у погледу квалитета производа.
Литература / Референце
- 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 производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси од лабораторијских до индустријских размера.