Ultraljudsassisterad alkalisk hydrolys för återvinning av PET
Alkalisk hydrolys är en effektiv metod för att depolymerisera avfall av polyetentereftalat (PET). Processen omvandlar PET till tereftalatsalter, som sedan kan försuras för att utvinna tereftalsyra (TPA) med hög renhet för användning vid tillverkning av nytt PET och andra polyestermaterial. Kraftfull ultraljudsbehandling, eller sonikering, förbättrar blandningen och massöverföringen och kan avsevärt påskynda PET-hydrolysen. Läs mer om hur sonikering kan göra PET-återvinningen snabbare och mer effektiv.
En hållbar och effektiv metod för depolymerisering av polyetentereftalat med hjälp av ultraljudsenergi
Vid hydrolys reagerar PET med vatten under sura, neutrala eller alkaliska förhållanden och bildar tereftalsyra (TPA) och etylenglykol (EG). Konventionell hydrolys kan kräva höga temperaturer, förhöjt tryck, koncentrerade reagenser eller långa uppehållstider eftersom reaktionen sker vid gränssnittet mellan ett relativt motståndskraftigt fast polymermaterial och vätskefasen. Ultraljudsdriven omrörning kan påskynda denna gränssnittsreaktion, förbättra fasöverföringskatalysen och uppnå bättre omvandling under mildare reaktionsförhållanden.
Berätta om ditt PET-utgångsmaterial och dina reaktionsförhållanden. Våra experter på ultraljudsteknik kommer att rekommendera den optimala ultraljudsenheten och reaktorkonfigurationen för din återvinningsprocess.
Industriell ultraljudsapparat UIP1600hdT effektiviserar nedbrytningen av polyetentereftalat (PET) för att förbättra återvinningen
Vetenskapliga resultat: Ultraljudsbehandling förbättrar återvinningen av PET
Ultraljudsbehandling påskyndar utvinningen av ren monomer i icke-vattenhaltiga medier vid låg temperatur
Den studie som Bhogle och Pandit publicerade 2017 visar att användningen av 20 kHz ultraljud avsevärt förbättrar den alkaliska hydrolysen av PET-avfall, särskilt i icke-vattenhaltiga metanolbaserade medier. Forskarna fann att ultraljudet uppnådde en PET-omvandling på 69 % på 60 minuter vid 50 °C, jämfört med endast 46 % utan ultraljudsbehandling. Denna process möjliggör återvinning av ren tereftalsyra (TA) under mildare förhållanden, vilket erbjuder en ny, lösningsmedelsfri strategi för behandling av PET-avfall från konsumenter. Studien belyser att ultraljudsmikroblandning ökar kollisionsfrekvensen mellan PET- och alkalimolekyler, vilket därmed intensifierar reaktionshastigheten och gör depolymeriseringsprocessen mer ekonomiskt lönsam för återvinningsapplikationer i större skala.
Ultraljudsbehandling minskar reaktionstiderna och bearbetningskostnaderna avsevärt
Den studie som Paliwal och Mungray publicerade 2013 visar att ultraljudsstöd drastiskt minskar den reaktionstid som krävs för alkalisk hydrolys av PET i närvaro av en fasöverföringskatalysator. Medan den konventionella metoden krävde över 65 minuter för att uppnå 100 % omvandling av PET till tereftalsyra, fullbordade den ultraljudsassisterade processen reaktionen på bara 45 minuter. Studien bekräftar att ultraljud inte förändrar den inneboende reaktionsmekanismen, men avsevärt ökar reaktionshastigheten genom ökad kavitation och massöverföring. Denna effektivitetsvinst är av stor betydelse för återvinningsindustrin, eftersom den sänker bearbetningskostnaderna och energibehovet, vilket gör kemisk återvinning mer konkurrenskraftig jämfört med produktion av nyplast.
Ultraljudsbehandling förbättrar enzymers tillgänglighet genom ytmodifiering
I den studie som publicerades 2016 av Pellis och kollegor undersöks den synergistiska effekten av ultraljud på enzymatisk hydrolys, och det visas att ultraljudsbehandling ökar PET:s ytarea genom att skapa mikroojämnheter och defekter. Denna fysiska modifiering förbättrar enzymens tillgång till polymerkedjorna, vilket avsevärt förbättrar effektiviteten hos den enzymatiska depolymeriseringen. Genom att överbrygga klyftan mellan kemiska och biologiska återvinningsmetoder erbjuder denna metod ett mer miljövänligt alternativ som fungerar under mildare förhållanden än traditionell alkalisk hydrolys, vilket potentiellt kan minska energiförbrukningen samtidigt som höga monomeråtervinningsgrader upprätthålls för den cirkulära ekonomin.
Läs mer om den synergistiska tillämpningen av ultraljud och enzymet kutinas vid återvinning av PET!
Linjär uppskalning och enkel integration i anläggningen
Hielschers inline-ultraljudsenheter är konstruerade för linjär uppskalning genom att de upprätthåller fastställda parametrar – såsom amplitud, energitillförsel, tryck, temperatur, flödeshastighet och uppehållstid – samtidigt som ultraljudseffekten ökas eller flera enheter drivs parallellt. Kompakta flödescellsreaktorer kan installeras i en transportledning för PET-slam eller i en återcirkulationsslinga, vilket gör det relativt enkelt att eftermontera ultraljudsbehandling i en befintlig återvinningsanläggning utan att behöva byta ut dess huvudsakliga depolymeriseringskärl eller nedströms separationsutrustning.
Industriell ultraljudsapparat UIP6000hdT med flödesceller för depolymerisering i processkedjan
Konfiguration av industriella processer
En ultraljudsassisterad återvinningslinje för PET inleds vanligtvis med sortering, tvättning och finfördelning. PET-flingorna blandas med det valda reaktionsmediet och pumpas genom en ultraljudsflödesreaktor, antingen en gång eller upprepade gånger i en återcirkulationsslinga. Den behandlade suspensionen leds sedan in i eller återförs till huvudreaktorn för depolymerisering.
Vid hydrolys kan den efterföljande processkedjan omfatta avlägsnande av oreagerade fasta ämnen, försurning av tereftalatsalter, TPA-kristallisation, tvättning och återvinning av EG. Glykolys kräver separation och rening av BHET och oligomerer, medan enzymatiska processer kräver enzymhantering och återvinning av lösliga hydrolysprodukter. Inline-instrument kan övervaka temperatur, tryck, flöde och tillförd ultraljudsenergi, vilket gör det möjligt att uttrycka behandlingen som en reproducerbar energidos per massenhet PET.
Industriell ultraljudsreaktor för depolymerisering av PET i produktionslinjen
Vanliga frågor om depolymerisering av PET med ultraljud
Vad är ultraljudsdepolymerisering av PET?
Ultraljudsbaserad PET-depolymerisering är en ultraljudsassisterad återvinningsprocess som bidrar till att bryta ned polyetentereftalat till monomerer eller kortare kemiska mellanprodukter. Högfrekvent ultraljud förstärker hydrolys, glykolys, metanolys eller enzymatiska reaktioner genom att förbättra omrörningen, massöverföringen och kontakten mellan PET-partiklarna och reaktionsmediet.
Hur bidrar ultraljud till att förbättra återvinningen av PET?
Ultraljud skapar akustisk kavitation i vätskor. När mikroskopiska bubblor kollapsar uppstår skjuvkrafter, mikrostrålar, chockvågor och intensiv lokal omrörning. Dessa effekter förnyar PET-ytan, sprider partiklar och katalysatorer, minskar diffusionsbarriärerna och ökar den tillgängliga reaktionsytan, vilket potentiellt kan påskynda depolymeriseringen och förbättra monomeråtervinningen.
Kan ultraljud depolymerisera PET utan kemikalier eller enzymer?
Ultraljud kan under lämpliga förhållanden fragmentera partiklar och orsaka begränsad klyvning av polymerkedjor, men ger normalt sett inte i sig någon selektiv och fullständig depolymerisering av PET. Dess främsta industriella roll är att förstärka en redan etablerad kemisk eller enzymatisk återvinningsreaktion.
Vilka återvinningsprocesser för PET kan underlättas med hjälp av ultraljud?
Ultraljudsbehandling kan användas vid alkalisk, sur eller neutral hydrolys; glykolys med etylenglykol; metanolys; katalytisk solvolys; samt enzymatisk PET-hydrolys. Lämplig ultraljudsintensitet, temperatur, tryck och uppehållstid beror på den valda reaktionen och de önskade produkterna.
Vilka produkter kan återvinnas genom ultraljudsbaserad PET-återvinning?
Genom hydrolys kan tereftalsyra och etylenglykol återvinnas, medan glykolys vanligtvis ger upphov till bis(2-hydroxietyl)tereftalat, allmänt känt som BHET, tillsammans med kortare oligomerer. Metanolys ger upphov till dimetyltereftalat och etylenglykol. Efter rening kan dessa ämnen användas för att tillverka nya polymerer och andra kemiska produkter.
Kan ultraljud minska depolymeriseringstiden eller -temperaturen vid PET?
Ultraljud kan påskynda gränsskiktsreaktioner och kan möjliggöra kortare uppehållstider eller mildare processförhållanden. Den faktiska förbättringen beror på PET-partiklarnas storlek, kristallinitet, fastämneskoncentration, lösningsmedel, katalysator och reaktorkonfiguration. Pilotförsök krävs för att avgöra om den minskade tiden eller temperaturen uppväger den extra elektriska energi som krävs för ultraljudsbehandlingen.
Är ultraljudsdepolymerisering lämplig för återvunnen PET?
Ja, ultraljudsassisterad återvinning kan bearbeta tvättat och krossat PET-avfall från konsumenter, inklusive flaskor, förpackningar och eventuellt polyesterrikt textilavfall. Sortering och förbehandling av råmaterialet är fortfarande viktigt, eftersom färgämnen, flerskiktsmaterial, andra polymerer, tillsatser och smuts kan påverka reaktionsförloppet och monomerernas renhet i de efterföljande stegen.
Kan Hielschers inline-ultraljudsenheter skalas upp och eftermonteras i befintliga PET-återvinningsanläggningar?
Hielschers inline-ultraljudsapparater möjliggör linjär uppskalning genom att överföra definierade parametrar såsom amplitud, energitillförsel, tryck, temperatur, flödeshastighet och uppehållstid från pilotförsök till större processorer eller parallella kluster av ultraljudsapparater. Deras kompakta flödescellsreaktorer kan integreras i en befintlig överföringslinje eller återcirkulationsslinga för PET-slam, vilket möjliggör en relativt enkel eftermontering utan att anläggningens huvudsakliga depolymerisationsreaktor behöver bytas ut.
Kan PET-depolymerisering med ultraljud ske kontinuerligt?
Ja. En PET-slamlösning kan pumpas genom en ultraljudsreaktor med flödesceller i ett enda genomlopp eller cirkuleras upprepade gånger tills den önskade energidosen eller omvandlingen har uppnåtts. Kontinuerlig ultraljudsbehandling i linjen ger en kontrollerad uppehållstid, reproducerbar behandling och enklare integration med industriella pumpar, värmeväxlare, reaktionskärl och separationsutrustning.
Vilka parametrar styr depolymeriseringen av PET med ultraljud?
Viktiga driftsparametrar är bland annat ultraljudsamplitud, specifik energitillförsel, tryck, temperatur, flödeshastighet, uppehållstid, pulsläge, PET-partikelstorlek, fastämneshalt, kristallinitet och reaktorgeometri. Kemiska parametrar – däribland lösningsmedlets sammansättning, katalysatorkoncentration, pH och förhållandet mellan PET och reagens – måste optimeras i samband med ultraljudsförhållandena.
Kan ultraljud förbättra den enzymatiska återvinningen av PET?
En kort, kontrollerad ultraljudsbehandling kan förbättra enzymdispersionen, kontakten mellan enzym och substrat, tillgängligheten till PET-ytan samt frisättningen av lösliga nedbrytningsprodukter. För hög ultraljudsintensitet eller för lång exponeringstid kan inaktivera enzymet, varför pulserad ultraljudsbehandling eller en kort aktiveringsfas ofta är att föredra framför kontinuerlig behandling. Läs mer!
Är återvinning av PET med ultraljud miljömässigt hållbar?
Ultraljudsbehandling kan bidra till ökad hållbarhet när snabbare reaktioner, lägre temperaturer, minskad katalysatorförbrukning, högre monomerutbyten eller mindre reaktorer uppväger den el som ultraljudsapparaten förbrukar. En fullständig utvärdering bör även omfatta förbehandling av råmaterial, återvinning av lösningsmedel och reagenser, produktrening, avfallsvattenproduktion samt elförsörjningens koldioxidintensitet.
Hur skiljer sig kemisk återvinning med ultraljud från mekanisk PET-återvinning?
Vid mekanisk återvinning tvättas, smälts och omformas PET samtidigt som polymerkedjorna i stort sett bevaras. Kemisk återvinning med ultraljud bidrar till att bryta ned dessa kedjor till monomerer eller mellanprodukter som kan renas och repolymeriseras. Den kan därför vara användbar för PET-strömmar som är svåra att återvinna mekaniskt på grund av färg, föroreningar, nedbrytning eller krav på produktkvalitet.
Litteratur / Referenser
- 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 tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från labb till industriell storlek.