| 聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET,簡稱聚酯)是通用高分子材料之一。雖然PET不會直接對環境造成危害,但由于其使用后的廢品數目巨大且對大氣和微生物試劑的抵抗性很強,因而從環境行為和生態效應考慮,PET廢棄物已成為全球性的環境污染有機物。
聚酰胺(polyamide),簡稱PA,俗稱尼龍(nylon),是指分子主鏈上含有酰胺集團的高分子化合物。由己內酰胺聚合而得的產物稱為聚酰胺6,亦稱尼龍6,廣泛應用于汽車工業、機械工藝、包裝業、體育器材及家具制造業等行業。
目前廢棄塑料的處理主要方法有:填埋、焚燒、簡單再生及回收利用。雖然這些方法都將其轉化為液體石油產品、燃料油、單體或其它原料,但仍存在后續污染問題,故將超臨界流體技術引入廢棄塑料的解聚回收研究中。
1超臨界流體解聚廢舊塑料的研究1.1超臨界水1.1.1降解PET日本KobeSteel公司推出一種廢聚酯的化學再生技術,這種技術采用超臨界水將廢聚酯水解制對苯二甲酸(TPA)和乙二醇(EG)。
在這種工藝中,固態的PET加熱到熔點溫度(245℃),然后與水一起送入反應器進行水解反應。反應產物送入固體分離器,分離器為室溫。由于TPA不溶于水,因此分離出來;而EG則留在溶液中。當反應溫度達到350℃,反應時間為6min時,回收率最大。回收的TPA純度達到近99%。
Tadafumi等研究了400℃、40MPa下超臨界水中PET的降解情況,發現反應2min后,PET的分解率便達到了95%;12.5min后,TPA回收率達到90%。然而由于TPA的催化作用,EG被大部分分解,回收率很低。
阿尻等采用內徑為8.5mm、長210mm的不銹鋼間歇反應器,進行了以超臨界水為溶劑,快速分解PET和回收單體TPA的實驗研究。通過考察溫度、壓力和反應時間的變化對反應產物的影響以及產物成分的表征分析,得出在超臨界水中分解PET的最佳反應條件為400℃、40MPa.
Yamamoto等在接近水的超臨界狀態下,于350℃,10.0~54.0MPa下水解PET,解聚僅6min,TPA最大收率可達99%。EG由于在高溫下不穩定,易發生二聚反應,故收率僅有35%左右。
梭藤元信研究了超臨界水解聚PET的反應,并對超臨界水解和普通高溫水解的反應結果作了比較。發現PET超臨界水解速率遠遠大于普通高溫水解,在超臨界水中反應2min后,PET分解率已達95%,5min后接近100%。而要達到同樣的分解率,普通高溫水解需至少30min.
1.1.2降解尼龍6佐古猛
研究了超臨界水解聚尼龍6的反應,發現PA6單體化最適宜的條件是330℃、12.9MPa,反應30min.在同樣實驗條件下,研究了用超臨界水分解,由PA6和聚乙烯粘合形成的多層薄膜的實驗,結果表明,PA6幾乎完全降解為其對應單體ε己內酰胺,且溶于水中;產物中未檢測到任何副產物,說明PA6未發生副反應,且ε己內酰胺未發生二次分解;另外,聚乙烯不溶于水,可作為固體回收。
劉愛學等研究了PA6在高溫高壓條件下水解的主要產物為ε己內酰胺,在反應中,溫度越高,時間越長,體系的壓力越大,對PA6的分解越有利。采用紫外分光光度計測定,得到了不同溫度下PA6水解的速率常數,并通過Arrhenius公式得到了其水解的活化能為41.98kJ/mol.
GOTO等研究了PA6在300℃條件下充分反應60min后,單體化程度達100%。隨著反應時間的增加PA6會被快速水解為氨基己酸,然后經環化脫水作用轉化為ε己內酰胺。其中當溫度達到330℃、反應20min時己內酰胺產量達到峰值51%。
1.2超臨界甲醇佐古猛
采用超臨界甲醇在270~350℃、大于8.0MPa的反應條件下解聚廢舊PET.甲醇與PET的質量比為4:1,反應進行30min后,PET幾乎完全解聚,反應結束后解聚產物在結晶槽中冷卻,對苯二甲酸二甲酯(DMT)結晶析出,離心分離,過濾得產品DMT,回收率接近100%。同時濾液通過蒸餾可回收EG和甲醇。
曹維良等研究了PET在超臨界甲醇中的解聚行為及溫度、壓力和反應時間對PET解聚率的影響,發現PET在超臨界甲醇中可迅速地完全解聚,紅外光譜檢測解聚產物是純度很高的DMT單體和EG.
王漢夫等以超臨界甲醇為介質,對PET的降解規律進行了探索,并通過紅外、色譜等分析手段,研究降解后單體回收率與溫度、壓力及反應時間的關系,確定甲醇對PET降解的最佳條件為330℃、14MPa,反應30min.
程為莊等探討了以PET瓶為原料,以醋酸鋅為催化劑的熔融醇解反應實驗方法,并進行了反應動力學的初步研究。通過對反應過程中羥值和自由醇含量的定時分析,得出廢PET的醇解反應是逐步進行的。
陳磊等在間歇高壓反應器中研究了PET在超臨界甲醇中的解聚反應特性,通過掃描電鏡觀測了不同解聚條件下固相聚合物的內部結構,提出了解聚反應歷程和解聚動力學方程并得到了不同解聚條件下反應表觀活化能。
高菲、邢存章研究了在甲醇與PET質量比為8、溫度350℃、壓力16.7~17.0MPa的條件下反應60min,PET的轉化率在90%以上。由于PET中含有酯基,在超臨界狀態解聚過程中,酯基斷裂后與甲醇分子結合,生成DMT、EG以及少量的對苯一甲酸乙二醇脂(MHET)、對苯二甲酸乙二醇脂(BHET)、二聚物以及低聚物。
GOTO等研究了PET在超臨界甲醇中反應。解聚反應的主產物為DMT和EG及一定數量的MHET,產物還包括對苯二甲酸甲脂(TAMME),二乙基乙二醇(DEG)和二甲基乙醇(ME)BHET.
2結論超臨界水能不用任何催化劑、將PET迅速分解成單體,但具有乙二醇回收率很低,反應條件較為苛刻,實行連續化操作對設備要求較高等缺點,離大規模地實際應用尚有一段距離。而超臨界甲醇中PET可以被降解至單體水平;單體的回收率隨反應溫度、壓力和反應時間的增大而增大;氣體和熱解產物幾乎不產生。它基本上滿足了工業化連續操作的要求,具有很大的開發潛力,是對PET回收利用的較理想選擇。
超臨界水中尼龍6的降解產物相對單一,便于檢測,故此方法合理可行。隨著高分子材料工業的發展,石油資源的危機以及人類環保意識的增強,這項技術必將受到各國政府的高度重視,將成為解決“白色污染”的一種有效和實用的工業技術。 |