مطالعه سینتیک فرایند آمین‌کافت پلی‌(اتیلن ترفتالات) بدون استفاده از کاتالیزگر

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

تهران، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده پتروشیمی، صندوق پستی 112-14975

10.22063/jipst.2020.1765

چکیده

فرضیه: بازیافت شیمیایی ضایعات بطری پلی(اتیلن ترفتالات) و تولید مواد با ارزش افزوده، مناسب‌ترین روش مطابق با اصول توسعه پایدار حفظ محیط زیست است. برای طراحی و ساخت واحدهای بازیافت در مقیاس صنعتی، به کسب داده‌های سینتیکی و ارتباط سرعت واکنش با غلظت مواد و دما و مهم‌تر از همه ثابت واکنش تخریب نیاز است. داده‌های سینتیکی به‌دست‌آمده برای طراحی در مقیاس بزرگ صنعتی، کنترل فرایند و مهم‌تر از همه ارزیابی اقتصادی می‌تواند به‌کار گرفته شود. برای مناسب‌بودن نتایج در مقیاس صنعتی از تمام مواد مصرفی در صنعت استفاده شد.
روش‌ها: بازیافت شیمیایی پلی(‌اتیلن ترفتالات) با وجود بیش از پنج برابر مقدار استوکیومتری مونواتانول‌آمین و بدون کاتالیزگر بیرونی انجام شد. برای شناسایی محصول بیس(‌هیدروکسی‌اتیل) ترفتالامید از آزمون‌های طیف‌سنجی زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR)، گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC)، گرماوزن‌سنجی (TGA) و تجزیه عنصری استفاده شد. واکنش تخریب آمین‌کافت در سه دمای 120، 140 و 160 درجه سلسیوس انجام شد و با نمونه‌برداری در زمان‌های متوالی و توزین مقدار باقی‌مانده یا تخریب‌شده پلی(اتیلن ترفتالات) در زمان‌های مختلف، ثابت‌های سینتیک واکنش آمین‌کافت و ارتباط آن با دما مشخص شد.
یافته‌ها: تخریب شیمیایی کامل یا آمین کافت پلی(اتیلن ترفتالات) و تبدیل آن به بیس(هیدروکسی اتیل) ترفتالامید (BHETA) در مجاورت مقدار زیادی مونواتانول‌آمین انجام شد. فرض الگوی سینتیک درجه یک استفاده‌شده و صحت آن با مقدار خطای محاسبات تأیید شد. با انجام آزمایش‌ها در سه دما، ثابت سرعت واکنش آمین‌کافت پلی(اتیلن ترفتالات) و ارتباط آن با دما مشخص شد. انرژی فعال‌سازی واکنش آمین‌کافت مقدار 94.39kJ/mol به‌دست آمد. تخریب آمین‌کافت در شرایط گرمادهی با استفاده از سامانه ژاکت برای راکتور، انرژی فعال‌سازی کمتری را در شرایط گرمادهی با تابش پرتو مایکروویو (درشت‌موج) نشان داد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Kinetic Studies of Poly(ethylene terephthalate) Aminolysis Process without Catalyst

نویسندگان [English]

  • Hossein Bouhendi
  • Majid Ghiass
  • Hossein Bouhendi
  • Nakisa Yaghobi
Faculty of Petrochemicals, Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box 14975-112, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Chemical recycling of poly(ethylene terephthalate) bottle waste and production of value-added materials are the most appropriate ways in accordance with the principles of sustainable development and environmental protection. To design and build industrial-scale recycling plants, kinetic data and the relationship between reaction rate and material concentration and temperature and, most importantly, the degradation reaction constant are required.
Methods: Chemical recycling of poly(ethylene terephthalate) was performed using more than five times the stoichiometric amount of monoethanolamine and without any catalyst. The product was characterized using the conventional polymer characterization methods such as Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric (TGA), and the elemental analysis. The aminolysis reaction was carried out at three temperatures of 120, 140, and 160°C and the kinetics of the aminolysis reaction and its relationship with temperature were determined by sampling and weighing the residual or unreacted amount of PET at consecutive times.
Findings: Complete chemical degradation or aminolysis of poly(ethylene terephthalate) and its conversion to bis(hydroxyethyl) terephthalamide (BHETA) were performed in the presence of an excessive amount of monoethanolamine. The assumption of the first-order degree kinetics regime was used and its accuracy was confirmed by calculation error values. Experiments were performed at three temperatures to determine the rate of PET aminolysis reaction with respect to reaction temperature. Degradation of aminolysis under heating conditions using a jacket system for the reactor showed less activation energy than heating conditions with microwave radiation.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Poly(ethylene terephthalate)
  • Aminolysis
  • Chemical Recycling
  • kinetics
  • first-order reaction
  1. https://www.statista.com/statistics/723191/production-of-polyethylene-terephthalate-bottles-worldwide.
  2. Tondgooyan Petrochemical Com. Annual Report 2016, https://www.stpc.ir.
  3. http://www.farsnews.com/printable.php?nn=8906030244, Fars News agency/Social Group/News Code: 8906030244.1389.03.06.
  4. Geyer B., Lorenz G., and Kandelbauer A., Recycling of Poly(ethylene terephthalate) a Review Focusing on Chemical Methods, eXPRESS Polym. Lett. 10, 559-586, 2016.
  5. Goje A.S., Thakur S.A., Diware V.R., Chauhan Y.P, ‎and Mishra S., Aminolysis of Poly(ethylene terephthalate) Waste for Recovery ‎of Value Added Comonomeric Product, Polym. Plast. Technol. Eng., ‎43, 407-426, 2004.‎
  6. Achilias D.S., Tsintzou G.P., Nikolaidis A.K., Bikiaris D.N., Karayannidis G.P., Aminolyticde Polymerization of Poly(ethylene terephthalate) Waste in a Microwave Reactor, Polym. Int., 60, 500-506, 2011.
  7. Jamdar V., Kathalewar M., and Sabni S., Depolymerization Study of PET Waste Using Aminoethylethanolamineand Recycled Product Application as Polyesteramide Synthesis, J. Polym. Environ., 26, 2601-2618, 2018.
  8. Soni R.K. and Singh S., Synthesis and Characterization of Terephthalamides from Poly(ethylene terephthalate) Waste, J. Appl. Polym. Sci., 96, 1515-1528, 2005.
  9. Wang Y., Zhang Y., Song H., Wang Y., Deng T., and Hou X., Zinc-catalyzed Ester Bond Cleavage: Chemical Degradation of Polyethylene Terephthalate, J. Clean Prod., 208, 1469-1475, 2019.
  10. López-Fonseca R., González-Marcos M.P, González-Velasco J.R., Gutiérrez-Ortiz J.R., A Kinetic Study of the Depolymerisation of Poly(ethylene terephthalate) by Phase Transfer Catalysed Alkaline Hydrolysis, J. Chem. Tech. Biotech., 84, 92-99, 2009.
  11. Elsaeed S.M. and Farag R.K., Synthesis and Characterization of Unsaturated Polyestersbased on the Aminolysis of Poly(ethylene terephthalate), J. Appl. Polym. Sci., 112, 3327-3336, 2009.
  12. More A.P., Kute R.A., and Mhaske S.T., Chemical conversion of ‎PET Waste Using Ethanolamine to Bis(2-hydroxyethyl) Terephthalamide ‎‎(BHETA) Through Aminolysis and a Novel Plasticizer for PVC, Iran. Polym. J., 23, 59-67, 2014.‎
  13. Parab Y.S., Wasekar P.A., Mhaske S.T., and Shukla S.R., Novel ‎Synthesis, Characterization and Application of Dibutyratebis(2-‎hydroxyethyl) Terephthalamide as a Plasticizer in PVC Compounding, ‎Polym. Bull., 71, 2695-2707, 2014.‎
  14. Atta A.M., Abdel-Rauf M.E., Maysour N.E., Abdul-‎Rahiem A.M., and Abdel-Azim A., Surfactants from Recycled Poly‎‎(ethylene terephthalate) Waste as Water Based Oil Spill Dispersants, J. Polym. Res., 13, 39-52, 2006.‎
  15. El-Hameed R.S.A., Aminolysis of Polyethylene Terephthalate Waste as Corrosion Inhibitor for Carbon Steel in HCl Corrosive Medium, Adv. Appl. Sci. Res., 2, 483-499, 2011.
  16. Pingale N.D. and Shukla R.S., Microwave-assisted Aminolyticde Polymerization of PET Waste, Eur. Polym. J., 45, 2695-2700, 2009.‎
  17. Tawfik M.E., Ahmed N.M., and Eskander S.B., Aminolysis of Poly(ethylene terephthalate) Wastes Based on Sunlight and Utilization of the End Product [Bis(2-hydroxyethylene) Terephthalamide] as an Ingredient in the Anticorrosive Paints for the Protection of Steel Structures, J. Appl. Polym. Sci., 120, 2842-2855, 2011.
  18. Palekar V.S. and Shah R.V., and Shukla S.R., Ionic Liquid-Catalyzed Aminolysis of Poly(ethyleneterephthalate) Waste, J. Appl. Polym. Sci., 126, 1174-1181, 2012.
  19. Fukushima K., Lecuyer J.M., Wei D.S., Horn H.W., Jones G.O., Al-Megren H.A.,  Alabdulrahman A.M., Alsewailem F.D., McNeil M.A., Rice J.E., and Hedrick J.L., Advanced Chemical Recycling of Poly(ethyleneterephthalate) Through Organocatalytic Aminolysis, Polym. Chem., 4, 1610-1616, 2013.