Ультразвуковий лужний гідроліз для переробки ПЕТ
Лужний гідроліз — це ефективний метод деполімеризації відходів поліетилентерефталату (ПЕТ). У ході цього процесу ПЕТ перетворюється на солі терефталату, які потім можна піддавати підкисненню для отримання терефталевої кислоти (ТПА) високої чистоти, що використовується у виробництві нового ПЕТ та інших поліефірних матеріалів. Потужний ультразвук, або ультразвукова обробка, покращує перемішування та масообмін і може значно прискорити гідроліз ПЕТ. Дізнайтеся, як ультразвукова обробка може зробити переробку ПЕТ швидшою та ефективнішою.
Екологічний та ефективний підхід до деполімеризації поліетилентерефталату з використанням ультразвукової енергії
Під час гідролізу ПЕТ вступає в реакцію з водою в кислих, нейтральних або лужних умовах, утворюючи терефталеву кислоту (ТПА) та етиленгліколь (ЕГ). Традиційний гідроліз може вимагати високих температур, підвищеного тиску, концентрованих реагентів або тривалого часу перебування, оскільки реакція відбувається на межі розділу між порівняно стійким твердим полімером та рідкою фазою. Змішування під дією ультразвуку може прискорити цю міжфазну реакцію, покращити каталіз фазового перенесення та забезпечити вищий ступінь перетворення за м’якших умов реакції.
Розкажіть нам про вашу сировину для ПЕТ та умови реакції. Наші фахівці з ультразвукової обробки порекомендують вам оптимальну конфігурацію ультразвукового апарата та реактора для вашого процесу переробки.
Промисловий ультразвуковий апарат UIP1600hdT посилює деполімеризацію поліетилентерефталату (ПЕТ) з метою поліпшення процесу переробки
Наукові результати: Ультразвукова обробка сприяє переробці ПЕТ
Ультразвукова обробка прискорює вилучення чистого мономеру в низькотемпературних неводних середовищах
Опубліковане у 2017 році дослідження Бхогле та Пандіта демонструє, що застосування ультразвуку частотою 20 кГц значно покращує лужний гідроліз відходів ПЕТ, особливо у неводних метанольних середовищах. Дослідники виявили, що за допомогою ультразвуку за 60 хвилин при температурі 50 °C було досягнуто 69 % перетворення ПЕТ, тоді як без ультразвукової обробки цей показник становив лише 46 %. Цей процес дозволяє отримувати чисту терефталеву кислоту (ТК) за м’якших умов, пропонуючи нову стратегію переробки відходів ПЕТ після споживання без використання розчинників. У дослідженні підкреслюється, що ультразвукове мікрозмішування збільшує частоту зіткнень між молекулами ПЕТ та лугу, тим самим прискорюючи швидкість реакції та роблячи процес деполімеризації економічно вигіднішим для застосування у переробці відходів у великих масштабах.
Ультразвукова обробка значно скорочує час реакції та витрати на переробку
Опубліковане у 2013 році дослідження Палівала та Мунгрея демонструє, що застосування ультразвуку значно скорочує час реакції, необхідний для лужного гідролізу ПЕТ у присутності каталізатора фазового перенесення. У той час як традиційний метод вимагав понад 65 хвилин для досягнення 100% перетворення ПЕТ на терефталеву кислоту, процес із застосуванням ультразвуку завершив реакцію всього за 45 хвилин. Дослідження підтверджує, що ультразвук не змінює внутрішній механізм реакції, але значно підвищує швидкість реакції за рахунок посилення кавітації та масообміну. Таке підвищення ефективності є надзвичайно важливим для галузі переробки відходів, оскільки воно знижує витрати на переробку та енергоспоживання, роблячи хімічну переробку більш конкурентоспроможною порівняно з виробництвом первинної сировини.
Ультразвукова обробка підвищує доступність ферментів завдяки модифікації поверхні
У дослідженні, опублікованому в 2016 році Пеллісом та його колегами, вивчається синергетичний ефект ультразвуку на ферментативний гідроліз; у ньому показано, що ультразвукова обробка збільшує площу поверхні ПЕТ шляхом створення мікронерівностей та дефектів. Ця фізична модифікація покращує доступність полімерних ланцюгів для ферментів, що значно підвищує ефективність ферментативної деполімеризації. Поєднуючи хімічні та біологічні методи переробки, цей підхід пропонує більш екологічну альтернативу, яка працює в м’якших умовах, ніж традиційний лужний гідроліз, що потенційно дозволяє зменшити споживання енергії, зберігаючи при цьому високі показники вилучення мономерів для циркулярної економіки.
Дізнайтеся більше про синергетичне застосування ультразвуку та ферменту кутинази в переробці ПЕТ!
Лінійне масштабування та проста інтеграція в виробничу лінію
Установки для ультразвукової обробки Hielscher, що встановлюються в технологічний контур, призначені для лінійного масштабування за умови дотримання заданих параметрів – такі як амплітуда, вхідна енергія, тиск, температура, витрата та час перебування – при одночасному збільшенні потужності ультразвуку або паралельній роботі декількох установок. Компактні реактори з проточною коміркою можна встановити в лінію транспортування суспензії ПЕТ або в контур рециркуляції, що робить впровадження ультразвукової обробки порівняно простим для існуючої установки з переробки без заміни її основної ємності для деполімеризації або подальшого сепараційного обладнання.
Промисловий ультразвуковий апарат UIP6000hdT з проточною коміркою для послідовної деполімеризації
Конфігурація промислових процесів
Лінія з переробки ПЕТ з використанням ультразвуку зазвичай починається з сортування, промивання та подрібнення. ПЕТ-пластівці змішують із вибраним реакційним середовищем і прокачують через ультразвуковий потоковий реактор — одноразово або багаторазово в контурі рециркуляції. Потім оброблена суспензія надходить або повертається до головного реактора деполімеризації.
У процесі гідролізу подальша технологічна ланка може включати видалення твердих речовин, що не вступили в реакцію, підкислення солей терефталату, кристалізацію ТПА, промивання та рекуперацію ЕГ. Гліколіз вимагає розділення та очищення BHET та олігомерів, тоді як ферментативні процеси вимагають управління ферментами та відновлення розчинних продуктів гідролізу. Вбудовані прилади можуть контролювати температуру, тиск, витрату та подану ультразвукову енергію, що дозволяє виражати обробку як відтворювану дозу енергії на одиницю маси ПЕТ.
Промисловий ультразвуковий реактор для потокової деполімеризації ПЕТ
Поширені запитання щодо ультразвукової деполімеризації ПЕТ
Що таке ультразвукова деполімеризація ПЕТ?
Ультразвукова деполімеризація ПЕТ — це процес переробки з використанням ультразвуку, який сприяє розщепленню поліетилентерефталату на мономери або коротші хімічні проміжні сполуки. Потужний ультразвук підсилює гідроліз, гліколіз, метаноліз або ферментативні реакції за рахунок поліпшення перемішування, масообміну та контакту між частинками ПЕТ і реакційним середовищем.
Як ультразвук сприяє переробці ПЕТ?
Ультразвук викликає акустичну кавітацію в рідинах. Руйнування мікроскопічних бульбашок призводить до виникнення зсувних сил, мікроструменів, ударних хвиль та інтенсивного локального перемішування. Ці ефекти оновлюють поверхню ПЕТ, диспергують частинки та каталізатори, зменшують дифузійні бар’єри та збільшують доступну площу реакції, що потенційно прискорює деполімеризацію та покращує вилучення мономерів.
Чи може ультразвук деполімеризувати ПЕТ без використання хімічних речовин або ферментів?
Ультразвук може роздрібнювати частинки та спричиняти обмежене розщеплення полімерних ланцюгів за відповідних умов, але сам по собі він, як правило, не забезпечує селективної та повної деполімеризації ПЕТ. Його основна промислова роль полягає в посиленні вже відомих хімічних або ферментативних реакцій переробки.
Які процеси переробки ПЕТ можна оптимізувати за допомогою ультразвуку?
Ультразвукова обробка може сприяти лужному, кислотному або нейтральному гідролізу; гліколізу з використанням етиленгліколю; метанолізу; каталітичному сольволізу; а також ферментативному гідролізу ПЕТ. Відповідні значення інтенсивності ультразвуку, температури, тиску та часу перебування залежать від обраної реакції та бажаних продуктів.
Які продукти можна отримати в результаті ультразвукової переробки ПЕТ?
В результаті гідролізу можна отримати терефталеву кислоту та етиленгліколь, тоді як у процесі гліколізу зазвичай утворюється біс(2-гідроксиетил)терефталат, широко відомий як BHET, разом із коротколанцюговими олігомерами. В результаті метанолізу утворюються диметилтерефталат та етиленгліколь. Після очищення ці речовини можна використовувати для виробництва нових полімерів та інших хімічних продуктів.
Чи може ультразвук скоротити час або знизити температуру деполімеризації ПЕТ?
Ультразвук може прискорювати міжфазні реакції та, можливо, дозволити скоротити час перебування речовини в реакторі або застосовувати м’якші умови обробки. Фактичне поліпшення залежить від розміру частинок ПЕТ, кристалічності, концентрації твердої речовини, розчинника, каталізатора та конфігурації реактора. Необхідно провести пілотні випробування, щоб визначити, чи компенсує скорочення часу або зниження температури додаткову електроенергію, необхідну для ультразвукової обробки.
Чи підходить ультразвукова деполімеризація для переробленого ПЕТ?
Так, у процесі переробки з використанням ультразвуку можна переробляти промитий та подрібнений ПЕТ, що походить із споживчих відходів, зокрема пляшки, упаковку та, можливо, текстильні відходи з високим вмістом поліестеру. Сортування та попередня обробка сировини залишаються важливими, оскільки барвники, багатошарові матеріали, інші полімери, добавки та забруднення можуть впливати на ефективність реакції та чистоту мономеру на наступних етапах процесу.
Чи можна збільшити потужність убудованих у виробничу лінію ультразвукових апаратів компанії Hielscher та встановити їх на існуючих заводах з переробки ПЕТ?
Вбудовані у виробничу лінію ультразвукові установки компанії Hielscher забезпечують лінійне масштабування завдяки перенесенню заданих параметрів, таких як амплітуда, споживання енергії, тиск, температура, витрата та час перебування, з пілотних випробувань на більші технологічні установки або паралельні кластери ультразвукових установок. Їхні компактні реактори з проточними камерами можна інтегрувати в існуючу лінію транспортування ПЕТ-суспензії або контур рециркуляції, що дозволяє здійснити порівняно просту модернізацію без заміни основного реактора деполімеризації установки.
Чи може ультразвукова деполімеризація ПЕТ здійснюватися в безперервному режимі?
Так. Суспензію ПЕТ можна прокачувати через ультразвуковий реактор з проточною коміркою за один прохід або циркулювати її багаторазово до досягнення заданої енергетичної дози або ступеня перетворення. Безперервне вбудоване ультразвукове оброблення забезпечує контрольований час перебування, відтворюваність процесу обробки та спрощує інтеграцію з промисловими насосами, теплообмінниками, реакційними ємностями та сепараційним обладнанням.
Які параметри визначають процес ультразвукової деполімеризації ПЕТ?
До важливих технологічних параметрів належать амплітуда ультразвуку, питома потужність, тиск, температура, швидкість потоку, час перебування, імпульсний режим, розмір частинок ПЕТ, вміст твердих речовин, кристалічність та геометрія реактора. Хімічні параметри — зокрема склад розчинника, концентрація каталізатора, рН та співвідношення ПЕТ до реагенту — необхідно оптимізувати разом з ультразвуковими умовами.
Чи може ультразвук покращити ферментативну рециркуляцію ПЕТ?
Короткочасна контрольована обробка ультразвуком може покращити дисперсію ферменту, контакт ферменту з субстратом, доступність поверхні ПЕТ та вивільнення розчинних продуктів розпаду. Надмірна інтенсивність ультразвуку або тривале опромінення можуть призвести до інактивації ферменту, тому імпульсна обробка ультразвуком або коротка фаза активації часто є кращим варіантом, ніж безперервна обробка. Читайте далі!
Чи є ультразвукова переробка ПЕТ екологічно стійкою?
Ультразвукова обробка може сприяти підвищенню екологічної стійкості, якщо прискорення реакцій, зниження температури, зменшення витрати каталізатора, підвищення виходу мономерів або використання реакторів меншого розміру переважають споживання електроенергії ультразвуковим приладом. Комплексна оцінка також повинна враховувати попередню обробку сировини, рекуперацію розчинників і реагентів, очищення продукції, утворення стічних вод та вуглецеву інтенсивність електропостачання.
Чим ультразвукова хімічна переробка відрізняється від механічної переробки ПЕТ?
Механічна переробка передбачає промивання, плавлення та реформування ПЕТ із значним збереженням полімерних ланцюгів. Ультразвукова хімічна переробка сприяє розриву цих ланцюгів на мономери або проміжні сполуки, які можна очистити та повторно полімеризувати. Тому вона може бути корисною для потоків ПЕТ, які важко переробити механічним способом через колір, забруднення, деградацію або вимоги до якості продукції.
Література / Список літератури
- 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 виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори з Лабораторії до промислові розміри.