| 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET,简称聚酯)是通用高分子材料之一。虽然PET不会直接对环境造成危害,但由于其使用后的废品数目巨大且对大气和微生物试剂的抵抗性很强,因而从环境行为和生态效应考虑,PET废弃物已成为全球性的环境污染有机物。
聚酰胺(polyamide),简称PA,俗称尼龙(nylon),是指分子主链上含有酰胺集团的高分子化合物。由己内酰胺聚合而得的产物称为聚酰胺6,亦称尼龙6,广泛应用于汽车工业、机械工艺、包装业、体育器材及家具制造业等行业。
目前废弃塑料的处理主要方法有:填埋、焚烧、简单再生及回收利用。虽然这些方法都将其转化为液体石油产品、燃料油、单体或其它原料,但仍存在后续污染问题,故将超临界流体技术引入废弃塑料的解聚回收研究中。
1超临界流体解聚废旧塑料的研究1.1超临界水1.1.1降解PET日本KobeSteel公司推出一种废聚酯的化学再生技术,这种技术采用超临界水将废聚酯水解制对苯二甲酸(TPA)和乙二醇(EG)。
在这种工艺中,固态的PET加热到熔点温度(245℃),然后与水一起送入反应器进行水解反应。反应产物送入固体分离器,分离器为室温。由于TPA不溶于水,因此分离出来;而EG则留在溶液中。当反应温度达到350℃,反应时间为6min时,回收率最大。回收的TPA纯度达到近99%。
Tadafumi等研究了400℃、40MPa下超临界水中PET的降解情况,发现反应2min后,PET的分解率便达到了95%;12.5min后,TPA回收率达到90%。然而由于TPA的催化作用,EG被大部分分解,回收率很低。
阿尻等采用内径为8.5mm、长210mm的不锈钢间歇反应器,进行了以超临界水为溶剂,快速分解PET和回收单体TPA的实验研究。通过考察温度、压力和反应时间的变化对反应产物的影响以及产物成分的表征分析,得出在超临界水中分解PET的最佳反应条件为400℃、40MPa.
Yamamoto等在接近水的超临界状态下,于350℃,10.0~54.0MPa下水解PET,解聚仅6min,TPA最大收率可达99%。EG由于在高温下不稳定,易发生二聚反应,故收率仅有35%左右。
梭藤元信研究了超临界水解聚PET的反应,并对超临界水解和普通高温水解的反应结果作了比较。发现PET超临界水解速率远远大于普通高温水解,在超临界水中反应2min后,PET分解率已达95%,5min后接近100%。而要达到同样的分解率,普通高温水解需至少30min.
1.1.2降解尼龙6佐古猛
研究了超临界水解聚尼龙6的反应,发现PA6单体化最适宜的条件是330℃、12.9MPa,反应30min.在同样实验条件下,研究了用超临界水分解,由PA6和聚乙烯粘合形成的多层薄膜的实验,结果表明,PA6几乎完全降解为其对应单体ε己内酰胺,且溶于水中;产物中未检测到任何副产物,说明PA6未发生副反应,且ε己内酰胺未发生二次分解;另外,聚乙烯不溶于水,可作为固体回收。
刘爱学等研究了PA6在高温高压条件下水解的主要产物为ε己内酰胺,在反应中,温度越高,时间越长,体系的压力越大,对PA6的分解越有利。采用紫外分光光度计测定,得到了不同温度下PA6水解的速率常数,并通过Arrhenius公式得到了其水解的活化能为41.98kJ/mol.
GOTO等研究了PA6在300℃条件下充分反应60min后,单体化程度达100%。随着反应时间的增加PA6会被快速水解为氨基己酸,然后经环化脱水作用转化为ε己内酰胺。其中当温度达到330℃、反应20min时己内酰胺产量达到峰值51%。
1.2超临界甲醇佐古猛
采用超临界甲醇在270~350℃、大于8.0MPa的反应条件下解聚废旧PET.甲醇与PET的质量比为4:1,反应进行30min后,PET几乎完全解聚,反应结束后解聚产物在结晶槽中冷却,对苯二甲酸二甲酯(DMT)结晶析出,离心分离,过滤得产品DMT,回收率接近100%。同时滤液通过蒸馏可回收EG和甲醇。
曹维良等研究了PET在超临界甲醇中的解聚行为及温度、压力和反应时间对PET解聚率的影响,发现PET在超临界甲醇中可迅速地完全解聚,红外光谱检测解聚产物是纯度很高的DMT单体和EG.
王汉夫等以超临界甲醇为介质,对PET的降解规律进行了探索,并通过红外、色谱等分析手段,研究降解后单体回收率与温度、压力及反应时间的关系,确定甲醇对PET降解的最佳条件为330℃、14MPa,反应30min.
程为庄等探讨了以PET瓶为原料,以醋酸锌为催化剂的熔融醇解反应实验方法,并进行了反应动力学的初步研究。通过对反应过程中羟值和自由醇含量的定时分析,得出废PET的醇解反应是逐步进行的。
陈磊等在间歇高压反应器中研究了PET在超临界甲醇中的解聚反应特性,通过扫描电镜观测了不同解聚条件下固相聚合物的内部结构,提出了解聚反应历程和解聚动力学方程并得到了不同解聚条件下反应表观活化能。
高菲、邢存章研究了在甲醇与PET质量比为8、温度350℃、压力16.7~17.0MPa的条件下反应60min,PET的转化率在90%以上。由于PET中含有酯基,在超临界状态解聚过程中,酯基断裂后与甲醇分子结合,生成DMT、EG以及少量的对苯一甲酸乙二醇脂(MHET)、对苯二甲酸乙二醇脂(BHET)、二聚物以及低聚物。
GOTO等研究了PET在超临界甲醇中反应。解聚反应的主产物为DMT和EG及一定数量的MHET,产物还包括对苯二甲酸甲脂(TAMME),二乙基乙二醇(DEG)和二甲基乙醇(ME)BHET.
2结论超临界水能不用任何催化剂、将PET迅速分解成单体,但具有乙二醇回收率很低,反应条件较为苛刻,实行连续化操作对设备要求较高等缺点,离大规模地实际应用尚有一段距离。而超临界甲醇中PET可以被降解至单体水平;单体的回收率随反应温度、压力和反应时间的增大而增大;气体和热解产物几乎不产生。它基本上满足了工业化连续操作的要求,具有很大的开发潜力,是对PET回收利用的较理想选择。
超临界水中尼龙6的降解产物相对单一,便于检测,故此方法合理可行。随着高分子材料工业的发展,石油资源的危机以及人类环保意识的增强,这项技术必将受到各国政府的高度重视,将成为解决“白色污染”的一种有效和实用的工业技术。 |