اشکال ضایعات پلی اتیلن ترفتالات PET

اشکال ضایعات پلی اتیلن ترفتالات: فراتر از پرک و الیاف

رویکردهای مختلفی برای مدیریت ضایعات پلی اتیلن ترفتالات (PET) وجود دارد ازجمله بازیافت. درحال حاضر، تنها تمیزترین زباله‌ها با استفاده از روش های شناخته شده در ادبیات علمی به طور موثر بازیافت می شوند. هدف از این مطالعه بررسی سایر اشکال ضایعات پلی اتیلن ترفتالات است که چالش برانگیز هستند: پرک های با کیفیت پایین، الیاف لاستیک پلی استر، پودر PET و ضایعات پیش پلیمر. این ضایعات به روش های طیف سنجی FTIR، ویسکوزیمتری، کالریمتری اسکن تفاضلی، تحلیل پراش لیزر و غربال دسته بندی شده اند. یافته های به دست آمده ترکیب و خواص اشکال مختلف ضایعات پلی اتیلن ترفتالات را توصیف می کند. در اینجا مشاهده شد ضایعات پرک PET با کیفیت پایین و پودر پلی اتیلن ترفتالات برای تمام روش های بازیافت شیمیایی مناسب است. در بازیافت ضایعات الیاف لاستیک پلی استر، جداسازی کامل لاستیک است؛ بنابراین حضور آن در محصول نهایی باییتی مورد توجه قرار گیرد. تنها روش امیدوارکننده برای پردازش یک پیش پلیمر، پلیمریزاسیون آن با هیدرولیز، الکلیز یا گلیکولیز باهدف تولید مونومرهایی برای سنتز PET است که از نظر خواص مشابه با نمونه اولیه است.

درحال حاضر ظرفیت تولید جهانی پلی اتیلن ترفتالات (PET) سالانه بیش از 30 میلیون تن است. سنتز پلی اتیلن ترفتالات در صنعت در دو مرحله انجام می‌شود. در مرحله اول، استریفیکاسیون اسید ترفتالیک یا ترانس استریفیکاسیون دی متیل ترفتالات با اتیلن گلیکول انجام می شود. به طور معمول این فرآیند در فشار جوّ و دمای کمتر از نقطه جوش اتیلن گلیکول، حذف آب یا متانول انجام می شود. محصول حاصل از مرحله اول بیس (2-هیدروکسی اتیل) ترفتالات و الیگواتیلن ترفتالات است. سپس دما به 270-290 درجه سانتیگراد افزایش یافته و فشار به تدریج کاهش می یابد. در این حین، باتوجه به مکانیسم ترانس استریفیکاسیون با آزاد شدن اتیلن گلیکول پلی تراکمی رخ می دهد. برای دستیابی به درجه پلی تراکمی بالا، پلیمریزاسیون حالت جامد انجام می شود. این فرآیند در دماهای کمتر از نقطه ذوب پلی اتیلن ترفتالات انجام می شود و با حذف اتیلن گلیکول در خلاء یا در جریان نیتروژن همراه است. کاربردهای اصلی استفاده از پلی اتیلن ترفتالات در تولید الیاف پلی استر، بسته بندی و تولید بطری های نوشیدنی است. از آنجایی که چنین محصولاتی عمر مفید محدودی دارند، مقدار زباله PET تولید شده قابل توجه است. ضایعات PET به دو نوع اصلی طبقه بندی می شوند. براساس ISO 14021:2016، زباله قبل از مصرف نشان دهنده مواد منحرف شده از ضایعات تولیدی درطول فرآیند تولید، نه استفاده مجدد از مواد، است. برهمین اساس، زباله ها پس از مصرف توسط خانوارها یا سایر کاربران دور ریخته می شوند که دیگر قابل استفاده نیستند. بطری های PET ضایعاتی و الیاف به عنوان ضایعات پس از مصرف شناخته می شوند. 3 روش اصلی برای مدیریت ضایعات پلاستیکی وجود دارد: دفن، سوزاندن و بازیافت. روش بازیافت دوستدار محیط زیست است. بازیافت درحال حاضر در سطوح اولیه، ثانویه، سوم و چهارم دسته بندی می شود.

روش تبدیل پلی اتیلن ترفتالات به محصولات با ارزش افزوده بالا را آپ سایکلینگ می نامند. بازیافت اولیه و ثانویه دو روش بازیافت فیزیکی (یا مکانیکی) مبتنی بر اکستروژن هستند. تفاوت بین آنها در استفاده از ضایعات صنعتی قبل از مصرف برای بازیافت اولیه و ضایعات پس از مصرف برای بازیافت ثانویه است. محصول به دست آمده از بازیافت فیزیکی پلی اتیلن ترفتالات است که ازنظر خواص از PET بکر پایین تر است. برای تنظیم خواص، اغلب از مخلوط ضایعات پلی اتیلن ترفتالات با PET بکر استفاده می شود. علاوه براین، بازیافت سوم شامل روش های شیمیایی است. اول از همه، بازیافت شیمیایی شامل روش های مبتنی بر واکنش های گروه استر در زنجیره پلی اتیلن ترفتالات است. گروه استر تحت واکنش های هیدرولیز، ترانس استریفیکاسیون، آمونولیز و آمینولیز قرار می گیرد. واکنش های ترانس استریفیکاسیون شامل الکلیز، اسیدولیز و استرولیز است. متانولیز و گلیکولیز مبتنی بر الکلیز دو روش رایج در بازیافت شیمیایی پلی اتیلن ترفتالات هستند. محصولات هدف در بازیافت شیمیایی را می توان به دو گروه طبقه بندی کرد: مونومرها و کوپلیمرها. مونومرها ازجمله اسید ترفتالیک و نمک های آن، دی متیل ترفتالات و بیس (2-هیدروکسی اتیل) ترفتالات را می توان با هیدرولیز، متانولیز و گلیکولیز پلی اتیلن ترفتالات به دست آورد که به ترتیب، خالص شده و برای سنتز پلی اتیلن ترفتالات استفاده می شوند . ازنظر خواص نیز مشابه با نمونه اولیه هستند. همچنین با استفاده از مواد شیمیایی موجود در ضایعات PET کوپلیمرهای مختلفی را می توان به دست آورد ازجمله رزین های پلی استر غیر اشباع، کوپلی استرهای کاربردی، پلی استرآمیدها و پلی ال ها برای سنتز پلی یورتان ها.

پرک های پلی اتیلن ترفتالات بی کیفیت که قابل بازیافت نیستند شامل دو دسته اصلی هستند: پرک های ریز و پرک های آلوده. پرک های کوچکتر از 2 میلی متر را نمی توان ازنظر رنگ به طور خودکار سوت بندی کرد؛ بنابراین فقط در تولید PET بازیافتی رنگی با کیفیت پایین استفاده می شوند. پرک های پلی اتیلن ترفتالات آلوده نیز برای بازیافت مناسب نیستند. در شکل زیر پرک های مختلف پلی اتیلن ترفتالات نشان داده شده است.

شکل 1:

به نظر می رسد این پرک ها دارای شکل تصادفی و درجه بلورینگی بالاتری در اطراف هر پرک دارند. در شکل زیر نیز نتایج حاصل از طیف سنجی IR در پرک های پلی اتیلن ترفتالان با کیفیت پایین آمده است.

شکل 2:

نتایج حاصل از این طیف سنجی با پرک های PET تجاری مشابه است. ضایعات الیاف لاستیک پلی استر در طی فرآیند بازیافت از لاستیک ها جدا می شوند. یک تایر ماشین سواری حاوی حدود 5 درصد وزنی الیاف پارچه است. ضایعات الیاف لاستیک پلی استر الیاف حاوی پلی اتیلن ترفتالات با بقایای خرده لاستیک پراکنده شده در آنها هستند.

جمع بندی پایانی

در این بررسی مقدار ویسکوزیته ذاتی به دست آمده برای پرک های پلی اتیلن ترفتالات حاصل از بطری های ضایعاتی PET تعیین شد. پرک های با کیفیت پایین را می توان با همان روش های بازیافت شیمیایی پلی اتیلن ترفتالات بازیافت کرد. با این حال، باید رنگ پرک ها را در نظر گرفت و از آنها برای تولید محصولاتی که رنگ آنها چندان مهم نیست یا برای خالص سازی در تولید مونومرها استفاده کرد. همچنین این پرک ها نیز می توانند با روش های فیزیکی برای تولید محصولات با رنگ مخلوط بازیافت شوند. برخلاف پرک ها، الیاف لاستیک پلی استر ضایعاتی را نمی‌توان به صورت فیزیکی بازیافت کرد. درحال حاضر، از آنها به عنوان مواد عایق حرارتی یا صوتی، افزودنی و پرکننده دوباره استفاده می شود. پردازش شیمیایی الیاف لاستیک ضایعاتی در شرایطی که در آن ولکانیزاسیون خرده لاستیک رخ می دهد امکان پذیر است. فرآیند ولکانیزاسیون به دلیل پارگی پیوندهای C-S و S-S رخ می دهد که انرژی کمتری نسبت به پیوندهای C-C و C=C دارند. شکست پیوندها تحت تاثیر دما، استرس مکانیکی، عوامل شیمیایی، تابش امواج مایکروموج، اولتراسوند و آنزیم ها است. با این حال، به دلیل خلوص و خواص سطحی ذرات، پودر PET ظاهرا می تواند با موفقیت توسط اکثر روش های شیمیایی شناخته شده بازیافت شود.

نکته مهم اینجاست که سطح کوچک و منشعب ذرات می تواند امکان انجام فرآیند با سرعت بالا را فراهم کند. پیش پلیمر کمترین وزن مولکولی را در بین ضایعات دارد و همچنین حاوی اتیلن گلیکول است. امیدوارکننده‌ترین روش‌های فرآوری شیمیایی روش‌هایی است که بر کاهش وزن مولکولی و وجود اتیلن گلیکول در مخلوط واکنش یا حذف آن مبتنی هستند. بنابراین، امیدوار کننده ترین آنها هیدرولیز با تولید اسید ترفتالیک یا نمک های آن و تقطیر اتیلن گلیکول، الکلیز با تولید دی آلکیل ترفتالات و تقطیر اتیلن گلیکول یا گلیکولیز با تولید بیس (2-هیدروکسی اتیل) ترفتالات است.