Thủy phân kiềm có hỗ trợ siêu âm để tái chế PET
Thủy phân kiềm là một phương pháp hiệu quả để giải trùng hợp polyethylene terephthalate (PET) phế thải. Quá trình này chuyển PET thành các muối terephthalate, sau đó có thể axit hóa các muối này để thu hồi axit terephthalic (TPA) có độ tinh khiết cao dùng để sản xuất PET mới và các vật liệu polyester khác. Siêu âm công suất cao, hay xử lý bằng siêu âm, tăng cường sự trộn và truyền khối, đồng thời có thể đẩy nhanh đáng kể quá trình thủy phân PET. Tìm hiểu cách xử lý bằng siêu âm có thể giúp tái chế PET nhanh hơn và hiệu quả hơn.
Một phương pháp bền vững và hiệu quả để giải trùng hợp polyethylene terephthalate bằng năng lượng siêu âm
Trong quá trình thủy phân, PET phản ứng với nước trong điều kiện axit, trung tính hoặc kiềm để tạo ra axit terephthalic (TPA) và ethylene glycol (EG). Thủy phân thông thường có thể đòi hỏi nhiệt độ cao, áp suất cao, thuốc thử đậm đặc hoặc thời gian lưu dài vì phản ứng diễn ra tại bề mặt phân cách giữa polyme rắn tương đối khó phản ứng và pha lỏng. Sự trộn do siêu âm tạo ra có thể đẩy nhanh phản ứng tại bề mặt phân cách này, cải thiện quá trình xúc tác chuyển pha và đạt mức chuyển hóa cao hơn trong điều kiện phản ứng ôn hòa hơn.
Hãy cho chúng tôi biết về nguyên liệu PET đầu vào và điều kiện phản ứng của bạn. Các chuyên gia xử lý bằng siêu âm của chúng tôi sẽ đề xuất máy siêu âm và cấu hình thiết bị phản ứng tối ưu cho quy trình tái chế của bạn.
Máy siêu âm công nghiệp UIP1600hdT tăng cường quá trình giải trùng hợp polyethylene terephthalate (PET) để cải thiện hiệu quả tái chế
Kết quả khoa học: Xử lý bằng siêu âm cải thiện hiệu quả tái chế PET
Xử lý bằng siêu âm đẩy nhanh quá trình thu hồi monome tinh khiết trong môi trường không chứa nước ở nhiệt độ thấp
Nghiên cứu của Bhogle và Pandit công bố năm 2017 cho thấy việc sử dụng siêu âm 20 kHz tăng cường đáng kể quá trình thủy phân kiềm PET phế thải, đặc biệt trong môi trường metanol không chứa nước. Các nhà nghiên cứu nhận thấy siêu âm giúp đạt mức chuyển hóa PET 69% trong 60 phút ở 50°C, so với chỉ 46% khi không xử lý bằng siêu âm. Quá trình này cho phép thu hồi axit terephthalic (TA) tinh khiết trong điều kiện ôn hòa hơn, mang đến một chiến lược mới, không sử dụng dung môi để xử lý PET phế thải sau tiêu dùng. Nghiên cứu nhấn mạnh rằng sự trộn ở cấp độ vi mô do siêu âm tạo ra làm tăng tần suất va chạm giữa các phân tử PET và kiềm, qua đó tăng tốc độ phản ứng và giúp quá trình giải trùng hợp khả thi hơn về mặt kinh tế cho các ứng dụng tái chế ở quy mô lớn hơn.
Xử lý bằng siêu âm rút ngắn mạnh thời gian phản ứng và giảm mạnh chi phí xử lý
Nghiên cứu của Paliwal và Mungray công bố năm 2013 cho thấy sự hỗ trợ của siêu âm rút ngắn mạnh thời gian phản ứng cần thiết cho quá trình thủy phân kiềm PET khi có mặt chất xúc tác chuyển pha. Trong khi phương pháp thông thường cần hơn 65 phút để đạt mức chuyển hóa 100% PET thành axit terephthalic, quá trình có hỗ trợ siêu âm hoàn tất phản ứng chỉ trong 45 phút. Nghiên cứu xác nhận rằng siêu âm không làm thay đổi cơ chế phản ứng nội tại nhưng làm tăng đáng kể tốc độ phản ứng nhờ tăng cường hiện tượng xâm thực và truyền khối. Mức cải thiện hiệu suất này có ý nghĩa lớn đối với ngành tái chế vì giúp giảm chi phí xử lý và nhu cầu năng lượng, từ đó giúp tái chế hóa học có khả năng cạnh tranh cao hơn so với sản xuất vật liệu nguyên sinh.
Xử lý bằng siêu âm tăng khả năng tiếp cận của enzyme thông qua biến đổi bề mặt
Nghiên cứu được công bố năm 2016 của Pellis và các cộng sự khảo sát tác động hiệp đồng của siêu âm đối với quá trình thủy phân bằng enzyme, cho thấy xử lý siêu âm làm tăng diện tích bề mặt PET bằng cách tạo ra độ nhám vi mô và các khuyết tật. Sự biến đổi vật lý này giúp enzyme tiếp cận các chuỗi polymer dễ dàng hơn, cải thiện đáng kể hiệu suất giải trùng hợp bằng enzyme. Bằng cách kết nối các phương pháp tái chế hóa học và sinh học, cách tiếp cận này mang lại một phương án thân thiện hơn với môi trường, vận hành trong điều kiện ôn hòa hơn so với thủy phân kiềm truyền thống, có khả năng giảm mức tiêu thụ năng lượng trong khi vẫn duy trì tỷ lệ thu hồi monomer cao cho nền kinh tế tuần hoàn.
Đọc thêm về ứng dụng hiệp đồng của xử lý siêu âm và enzyme cutinase trong tái chế PET!
Mở rộng quy mô tuyến tính và tích hợp dễ dàng vào nhà máy
Các thiết bị siêu âm lắp trên đường ống của Hielscher được thiết kế để mở rộng quy mô tuyến tính bằng cách duy trì các thông số xác định – như biên độ, năng lượng đầu vào, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng và thời gian lưu – đồng thời tăng công suất siêu âm hoặc vận hành nhiều thiết bị song song. Các thiết bị phản ứng có buồng dòng chảy nhỏ gọn có thể được lắp đặt trên đường ống vận chuyển huyền phù PET hoặc trong vòng tuần hoàn, giúp việc bổ sung công đoạn xử lý siêu âm vào nhà máy tái chế hiện có tương đối đơn giản mà không cần thay thế thiết bị phản ứng giải trùng hợp chính hoặc thiết bị phân tách phía sau.
Thiết bị siêu âm công nghiệp UIP6000hdT với buồng dòng chảy để giải trùng hợp trên đường ống
Cấu hình quy trình công nghiệp
Một dây chuyền tái chế PET có hỗ trợ siêu âm thường sẽ bắt đầu bằng việc phân loại, rửa và giảm kích thước. Các mảnh PET được trộn với môi trường phản ứng đã chọn rồi bơm qua thiết bị phản ứng siêu âm dòng chảy, một lần hoặc nhiều lần trong vòng tuần hoàn. Huyền phù đã xử lý sau đó đi vào hoặc quay trở lại thiết bị phản ứng giải trùng hợp chính.
Đối với quá trình thủy phân, chuỗi công đoạn phía sau có thể bao gồm loại bỏ chất rắn chưa phản ứng, axit hóa các muối terephthalate, kết tinh TPA, rửa và thu hồi EG. Quá trình đường phân bằng glycol đòi hỏi phải phân tách và tinh chế BHET cùng các oligomer, trong khi các quy trình dùng enzyme đòi hỏi phải quản lý enzyme và thu hồi các sản phẩm thủy phân hòa tan. Các thiết bị đo trên đường ống có thể theo dõi nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và năng lượng siêu âm được truyền vào, cho phép biểu thị quá trình xử lý bằng một liều năng lượng có thể tái lập trên mỗi đơn vị khối lượng PET.
Thiết bị phản ứng siêu âm công nghiệp để giải trùng hợp PET trên đường ống
Các câu hỏi thường gặp về giải trùng hợp PET bằng siêu âm
Giải trùng hợp PET bằng siêu âm là gì?
Giải trùng hợp PET bằng siêu âm là một quy trình tái chế có hỗ trợ siêu âm giúp phân cắt polyethylene terephthalate thành các monomer hoặc các chất trung gian hóa học có mạch ngắn hơn. Siêu âm công suất cao tăng cường các phản ứng thủy phân, phân giải bằng glycol, phân giải bằng methanol hoặc phản ứng enzyme bằng cách cải thiện sự trộn, truyền khối và tiếp xúc giữa các hạt PET với môi trường phản ứng.
Siêu âm cải thiện quá trình tái chế PET như thế nào?
Siêu âm tạo ra hiện tượng xâm thực âm học trong chất lỏng. Sự sụp đổ của các bọt khí cực nhỏ tạo ra lực cắt, các tia chất lỏng vi mô, sóng xung kích và sự trộn cục bộ mạnh. Những tác động này làm mới bề mặt PET, phân tán các hạt và chất xúc tác, giảm các rào cản khuếch tán và tăng diện tích có thể tiếp cận để phản ứng, nhờ đó có khả năng đẩy nhanh quá trình giải trùng hợp và cải thiện khả năng thu hồi monomer.
Siêu âm có thể giải trùng hợp PET mà không cần hóa chất hoặc enzyme không?
Siêu âm có thể làm vỡ các hạt và gây đứt mạch polymer ở mức hạn chế trong điều kiện thích hợp, nhưng thông thường, chỉ riêng siêu âm không thể giải trùng hợp PET một cách chọn lọc và hoàn toàn. Vai trò công nghiệp chủ yếu của siêu âm là tăng cường một phản ứng tái chế hóa học hoặc bằng enzyme đã được thiết lập.
Những quy trình tái chế PET nào có thể được hỗ trợ bằng xử lý siêu âm?
Xử lý siêu âm có thể hỗ trợ thủy phân trong môi trường kiềm, axit hoặc trung tính; phân giải bằng ethylene glycol; phân giải bằng methanol; phân giải bằng dung môi có xúc tác; và thủy phân PET bằng enzyme. Cường độ siêu âm, nhiệt độ, áp suất và thời gian lưu phù hợp phụ thuộc vào phản ứng được chọn và các sản phẩm mong muốn.
Có thể thu hồi những sản phẩm nào từ quá trình tái chế PET bằng siêu âm?
Quá trình thủy phân có thể thu hồi axit terephthalic và ethylene glycol, trong khi quá trình glycol phân thường tạo ra bis(2-hydroxyethyl) terephthalate, thường được gọi là BHET, cùng với các oligome ngắn hơn. Quá trình methanol phân tạo ra dimethyl terephthalate và ethylene glycol. Sau khi tinh chế, các vật liệu này có thể được sử dụng để sản xuất polyme mới và các sản phẩm hóa học khác.
Siêu âm có thể giảm thời gian hoặc nhiệt độ khử trùng hợp PET không?
Siêu âm có thể đẩy nhanh các phản ứng tại bề mặt phân cách và có thể cho phép rút ngắn thời gian lưu hoặc sử dụng các điều kiện xử lý ôn hòa hơn. Mức cải thiện thực tế phụ thuộc vào kích thước hạt PET, độ kết tinh, nồng độ chất rắn, dung môi, chất xúc tác và cấu hình thiết bị phản ứng. Cần thử nghiệm ở quy mô thí điểm để xác định liệu việc giảm thời gian hoặc nhiệt độ có bù đắp được lượng điện năng bổ sung cần thiết cho quá trình xử lý bằng siêu âm hay không.
Quá trình khử trùng hợp bằng siêu âm có phù hợp với PET sau tiêu dùng không?
Có, quá trình tái chế có hỗ trợ siêu âm có thể xử lý PET sau tiêu dùng đã được rửa sạch và giảm kích thước, bao gồm chai, bao bì và có khả năng cả chất thải dệt may có hàm lượng polyester cao. Việc phân loại và tiền xử lý nguyên liệu đầu vào vẫn quan trọng vì thuốc nhuộm, vật liệu nhiều lớp, các polyme khác, phụ gia và chất bẩn có thể ảnh hưởng đến hiệu quả phản ứng và độ tinh khiết của monome ở các công đoạn tiếp theo.
Có thể mở rộng quy mô và lắp bổ sung các thiết bị siêu âm trên đường ống của Hielscher vào các nhà máy tái chế PET hiện có không?
Các thiết bị siêu âm trên đường ống của Hielscher hỗ trợ mở rộng quy mô tuyến tính bằng cách chuyển các thông số xác định như biên độ, năng lượng đầu vào, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng và thời gian lưu từ các thử nghiệm thí điểm sang các thiết bị xử lý lớn hơn hoặc các cụm thiết bị siêu âm hoạt động song song. Các thiết bị phản ứng có buồng dòng chảy nhỏ gọn của chúng có thể được tích hợp vào đường ống vận chuyển huyền phù PET hoặc vòng tuần hoàn hiện có, cho phép lắp bổ sung tương đối đơn giản mà không phải thay thế thiết bị phản ứng khử trùng hợp chính của nhà máy.
Quá trình khử trùng hợp PET bằng siêu âm có thể vận hành liên tục không?
Có. Huyền phù PET có thể được bơm qua thiết bị phản ứng siêu âm có buồng dòng chảy trong một lượt hoặc được tuần hoàn nhiều lần cho đến khi đạt liều năng lượng hoặc độ chuyển hóa mục tiêu. Xử lý siêu âm liên tục trên đường ống cho phép kiểm soát thời gian lưu, xử lý có khả năng tái lập và tích hợp dễ dàng hơn với máy bơm công nghiệp, thiết bị trao đổi nhiệt, bình phản ứng và thiết bị phân tách.
Những thông số nào chi phối quá trình khử trùng hợp PET bằng siêu âm?
Các biến số vận hành quan trọng bao gồm biên độ siêu âm, năng lượng riêng đầu vào, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, thời gian lưu, chế độ xung, kích thước hạt PET, tải lượng chất rắn, độ kết tinh và hình học của thiết bị phản ứng. Các biến số hóa học – bao gồm thành phần dung môi, nồng độ chất xúc tác, pH và tỷ lệ PET trên thuốc thử – phải được tối ưu hóa cùng với các điều kiện siêu âm.
Siêu âm có thể cải thiện quá trình tái chế PET bằng enzyme không?
Xử lý siêu âm trong thời gian ngắn và có kiểm soát có thể cải thiện sự phân tán enzyme, sự tiếp xúc giữa enzyme và cơ chất, khả năng tiếp cận bề mặt PET và sự giải phóng các sản phẩm phân hủy hòa tan. Cường độ siêu âm quá cao hoặc thời gian tiếp xúc kéo dài có thể làm bất hoạt enzyme, vì vậy xử lý siêu âm dạng xung hoặc một giai đoạn hoạt hóa ngắn thường được ưu tiên hơn so với xử lý liên tục. Đọc thêm!
Tái chế PET bằng siêu âm có bền vững về mặt môi trường không?
Xử lý bằng siêu âm có thể cải thiện tính bền vững khi lợi ích từ phản ứng nhanh hơn, nhiệt độ thấp hơn, mức tiêu thụ chất xúc tác giảm, hiệu suất thu hồi monome cao hơn hoặc thiết bị phản ứng nhỏ hơn vượt quá tác động của lượng điện mà thiết bị siêu âm sử dụng. Một đánh giá đầy đủ cũng cần bao gồm việc tiền xử lý nguyên liệu đầu vào, thu hồi dung môi và thuốc thử, tinh chế sản phẩm, phát sinh nước thải và cường độ phát thải carbon của nguồn điện.
Tái chế hóa học bằng siêu âm khác với tái chế PET cơ học như thế nào?
Tái chế cơ học bao gồm rửa, nung chảy và tạo hình lại PET trong khi phần lớn vẫn giữ nguyên các chuỗi polyme. Tái chế hóa học có hỗ trợ siêu âm giúp phân cắt các chuỗi này thành monome hoặc chất trung gian có thể được tinh chế và tái trùng hợp. Vì vậy, phương pháp này có thể hữu ích đối với các dòng PET khó tái chế bằng phương pháp cơ học do màu sắc, tạp chất, sự phân hủy hoặc các yêu cầu về chất lượng sản phẩm.
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- 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 sản xuất các thiết bị đồng nhất hóa siêu âm hiệu suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.