<р>1. Небиологические пути переработки/обновления ПЭТ

Переработка ПЭТ может осуществляться небиологическими способами, такими как механические методы или химические процессы. Механический метод включает измельчение, промывку и нагревание, но имеет ограничения по чистоте и качеству получаемых продуктов. И наоборот, химическая переработка включает деполимеризацию и реполимеризацию для создания высококачественного сырья, способствуя переработке замкнутого цикла и росту цепочки создания стоимости ресурсов, а также сокращая выбросы углерода.

1.1 Механическая переработка ПЭТ: состояние и проблемы

Механическая переработка — это зрелая и широко применяемая технология в области переработки ПЭТ, а ее низкая стоимость и простота в эксплуатации делают ее доминирующей при переработке продуктов из одного материала, таких как пластиковые бутылки.

Механическая переработка в основном включает сбор и сортировку отходов ПЭТ, затем их измельчение и измельчение на мелкие кусочки с последующей промывкой для удаления загрязнений, сушкой и нагреванием для преобразования в расплавленную смолу ПЭТ, которая затем экструдируется в гранулы для производства новых. продукты.

Однако механическая переработка также имеет существенные ограничения. Во-первых, чистота отходов ПЭТ должна достигать определенного стандарта, чтобы гарантировать качество перерабатываемой продукции. Во-вторых, процесс физической переработки может повредить молекулярные цепи ПЭТ, в результате чего переработанный ПЭТ будет работать хуже, чем исходный материал. Более того, этот метод ограничен в преобразовании отходов ПЭТ в продукцию с высокой добавленной стоимостью.

Кроме того, нельзя не учитывать потребление энергии и выбросы углекислого газа, связанные с механической переработкой. Процессы дробления, измельчения и промывки в процессе механической переработки требуют механической и тепловой энергии, которая часто получается в результате сгорания ископаемого топлива, что приводит к выбросам углекислого газа. Стадии сушки и нагрева также требуют значительных затрат энергии, что еще больше увеличивает общий углеродный след.

1.2 Химическая переработка: новаторские методы переработки ПЭТ 

Химическая переработка представляет собой революционный подход к управлению отходами ПЭТ, предлагая сложную альтернативу традиционным методам механической переработки. Этот процесс не только дает сырье высокой чистоты, такое как терефталевая кислота (ТТА) и моноэтиленгликоль (МЭГ), но также обеспечивает универсальность, необходимую как для переработки ПЭТ в системе с замкнутым циклом, так и для изучения новых возможностей использования ресурсов через пути с открытым циклом. .

Химическая переработка, также известная как переработка по замкнутому циклу, представляет собой небиологическую технологию, которая включает разрушение длинных полимерных цепей ПЭТ с помощью методов термохимической обработки на мономеры или другое основное нефтехимическое сырье, которое затем можно использовать для производства нового ПЭТ. или другие продукты с добавленной стоимостью.

Процесс химической переработки включает деполимеризацию, очистку, реполимеризацию и формование. Деполимеризация является критически важным этапом, который обычно достигается за счет использования избытка метанола и катализаторов для нагрева и разложения ПЭТ на отдельные мономеры. Стадия очистки включает удаление примесей или загрязнений из мономеров, а при повторной полимеризации используются тепло и катализаторы для повторной сборки мономеров в новые полимеры ПЭТ.

По сравнению с производством первичного ПЭТ, химическая переработка также может сократить выбросы парниковых газов и потребление энергии до 50 %. Однако химическая переработка является более сложным и дорогостоящим процессом, чем механическая переработка, и остаются проблемы с точки зрения масштабируемости и коммерческой жизнеспособности. Несмотря на эти проблемы, потенциал химической переработки ПЭТ огромен.

1.2.1 Эффективная переработка по замкнутому циклу: преобразование отходов ПЭТ в высококачественные TPA и EG

Переработка отходов ПЭТ по замкнутому циклу посредством точной обработки на молекулярном уровне может превратить его в TPA и EG высокой чистоты, которые являются важнейшими мономерами для производства совершенно новых продуктов из ПЭТ. 

Ключ к этому процессу лежит в деполимеризации, которая может быть достигнута с помощью различных методов, включая гидролиз, аммонолиз, алкоголиз, а также передовые фотокаталитические и электрохимические технологии.

Гидролиз: в кислых, щелочных или нейтральных условиях ПЭТ подвергается гидролизу при высоких температурах и/или давлениях с образованием ТРА и ЭГ.

Аммонолиз: при высоких температурах ПЭТ реагирует с аммиаком или аминными соединениями, образуя терефталамид (амидную форму ТРА) и ЭГ, которые в дальнейшем можно преобразовать в ТРА.

Алкоголиз: при определенных температурах ПЭТ реагирует с метанолом, образуя диметилтерефталат (ДМТ) и ЭГ, что является формой переэтерификации.

Передовые окислительные методы разрушения пластиковых отходов, такие как фотокатализ и электрохимия, находятся в центре внимания исследований в области химической переработки. Эти подходы предлагают многообещающие, экологически чистые и эффективные средства преобразования и извлечения ценных материалов из отходов.

Фотокатализ предполагает использование полупроводниковых материалов в качестве катализаторов и облучение ПЭТ светом для получения TPA и EG с использованием возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия. Этот метод работает при комнатной температуре и атмосферном давлении, что снижает потребление энергии и воздействие на окружающую среду.

В электрохимии используется электрохимический процесс в электролитической ячейке для разложения ПЭТ на ТРА и ЭГ, что обеспечивает управляемость процесса, высокую селективность и минимальное потребление энергии. Это позволяет использовать возобновляемую электроэнергию для снижения выбросов углекислого газа.

1.2.2 Модернизация отходов ПЭТ: от мономеров к химикатам с добавленной стоимостью

Применение технологий химической переработки при вторичной переработке ПЭТ-отходов продемонстрировало свой огромный потенциал, открывая новые направления для переработки ресурсов и устойчивого развития.

Как упоминалось ранее, деполимеризация является важным этапом химической переработки, а различные методы деполимеризации также открывают возможности для переработки отходов ПЭТ для производства химикатов с добавленной стоимостью.

Во время аммонолиза при химической переработке полимер ПЭТ может быть преобразован в ценные диамиды/амиды ТФК путем реакции с аммиаком или аминами при высоких температурах. Эти продукты имеют различное применение, например, в качестве пластификаторов, клеев, противомикробных средств и текстильных красителей, а также могут быть дополнительно модифицированы в полиэфирамиды, терефталонитрил и п-ксилилендиамин, что дает новые материалы для органических растворителей и других химических производств. .

В более продвинутых стратегиях окисления фотокаталитический процесс использует полупроводниковые материалы в качестве катализаторов, генерируя свободные радикалы или активные формы кислорода под световым облучением для расщепления ПЭТ-пластика на более мелкие молекулы, такие как формальдегид, муравьиная кислота и уксусная кислота. Эти продукты также могут служить растворителями, химическим сырьем и добавками к пластикам, предлагая широкий спектр промышленного применения.

С другой стороны, электрохимический процесс использует электрический ток в электролитической ячейке для разложения ПЭТ на ТРА и ЭГ, а затем дальнейшего преобразования ЭГ в кислородсодержащие соединения, такие как формиатные эфиры, муравьиная кислота и гликолевая кислота. Этот метод также позволяет производить водород, одновременно снижая потребление энергии и выбросы углекислого газа.

<р>2. Биологические пути: экологические инновации в переработке ПЭТ

Ферментативная переработка, также называемая биологической переработкой, – это новый метод переработки ПЭТ, в котором используются ферменты для расщепления ПЭТ-продуктов на мономеры. Он устраняет недостатки механической и химической переработки и снижает выбросы парниковых газов и потребление энергии, тем самым повышая эффективность переработки ПЭТ.

Процесс биологической переработки ПЭТ включает в себя несколько этапов: сначала сбор и сортировка отходов ПЭТ, затем измельчение, за которым следует ферментативная деполимеризация, очистка и, наконец, повторная полимеризация для регенерации ПЭТ-материалов. В этом методе используются микроорганизмы и ферменты для биодеполимеризации, производящие высококачественную смесь мономеров и олигомеров, обеспечивая экологически чистый и устойчивый путь переработки.

Основным преимуществом биологической переработки является ее относительно низкое воздействие на окружающую среду, позволяющее перерабатывать отходы ПЭТ низкого качества и производить новый ПЭТ с характеристиками, аналогичными первичному ПЭТ. Кроме того, биологическая переработка не требует использования ископаемого топлива, что значительно снижает потребление энергии и выбросы углекислого газа.

<р>3. Комплексный небиологический/биологический подход: инновационная переработка ПЭТ-отходов

Внедрение биокатализа привело к переходу «зеленой» химии к круговой химии. Интегрированный небиологический/биологический подход представляет собой поэтапный процесс, который сочетает в себе преимущества технологий химического гидролиза и биологической конверсии для достижения утилизации ресурсов отходов ПЭТ.

Переработка и модернизация ПЭТ-отходов могут быть реализованы с помощью инновационного комплексного небиологического/биологического метода. В этом подходе сначала используются химические пути, такие как гидролиз, для эффективного преобразования отходов ПЭТ в ТРА, бис(2-гидроксиэтил)терефталат (БГЭТ) и ЭГ. Эти химически разложившиеся продукты затем становятся идеальными субстратами для биологической конверсии, где сконструированные бактериальные штаммы могут дополнительно преобразовывать эти органические мономеры в более широкий спектр полезных химикатов, обеспечивая селективную деполимеризацию и эффективную биологическую конверсию.

Этот комплексный химико-биологический подход сочетает в себе скорость и управляемость химии с селективностью и мягкими условиями биологии, обеспечивая более эффективное производство TPA и EG, а также способствуя производству химических веществ с высокой добавленной стоимостью, тем самым стимулируя замкнутая переработка и модернизация ПЭТ. Например, BHET, как основной продукт ферментации сахара из ПЭТ, может быть преобразован в TPA посредством ферментативного воздействия, и этот процесс может быть завершен за относительно короткое время и с высоким выходом.

Кроме того, инновационные биокаталитические фотоэлектрохимические (PEC) системы используют солнечную энергию для стимулирования биосинтеза, превращая такие соединения, как этиленгликоль, в другие полезные химические вещества. В этих системах используются твердотельные каталитические электроды в качестве активаторов солнечных ферментов, что открывает новые перспективы для преобразования и применения солнечной энергии, еще больше повышая устойчивость и экологичность переработки ПЭТ.

<р>4. Заключение

Область переработки ПЭТ разнообразилась с появлением механических, химических и биологических процессов, а также передовых интегрированных небиологических и биологических методов. Несмотря на свои индивидуальные преимущества и ограничения, эти технологии в целом направлены на то, чтобы направить ПЭТ-отходы в экономику замкнутого цикла. Благодаря будущим инновациям эффективность и устойчивость переработки ПЭТ могут значительно повыситься, что еще больше приведет в соответствие человеческую промышленность с охраной окружающей среды.