CN111217700A - 一种非金属胆碱类离子液体催化醇解聚对苯二甲酸乙二醇酯的方法 - Google Patents

一种非金属胆碱类离子液体催化醇解聚对苯二甲酸乙二醇酯的方法 Download PDF

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张锁江
吕兴梅
刘亚婵
姚浩余
方鹏涛
徐俊丽
周清
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Abstract

本发明涉及用一种非金属胆碱类离子液体催化醇解聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的方法。其特征在于以不含金属且生物可降解的胆碱类离子液体作为催化剂，阳离子为胆碱阳离子，阴离子为[HCOO]‑、[CH3COO]‑、[C2H5COO]‑、[C3H7COO]‑等有机酸根离子。反应过程中以40～60目的PET颗粒为原料，乙二醇为溶剂，在原料与溶剂质量比为1:4，催化剂用量为PET质量的2.5％～15％，反应温度为145℃～190℃，常压，反应时间为30min～4h的条件下，催化醇解PET颗粒为对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)。该方法具有成本低廉、PET转化率高、目标产物选择性高、反应条件温和、可循环利用、反应过程绿色无污染等优点。

Description

一种非金属胆碱类离子液体催化醇解聚对苯二甲酸乙二醇酯 的方法
技术领域
本发明涉及一种非金属胆碱类离子液体催化醇解聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的方法。属于绿色、清洁催化技术、化工生产及塑料领域。
背景技术
聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为一种具有优异机械性能和化学稳定性的热塑性塑料，已经被广泛用于高强度纤维、包装、薄膜和塑料瓶中。纤维级PET用于制造聚酯纤维，一种化学纤维中最高产的纤维。非纤维PET包括瓶子和薄膜等，被广泛应用于包装、电子电器、医疗、建筑和汽车等领域。PET的生产量逐年增加。一方面，世界塑料工业的快速发展促进了非纤维PET的应用。另一方面，PET的透明性较好，重量轻，因此是制作碳酸软饮料瓶等最理想的材料。巨大的生产量和消耗量亦导致了巨量的PET废弃物。一方面，瓶子大多是一次性的，纤维的生命周期只有几年，导致大量的废弃PET产生。另一方面，PET的生产原料来自于有限的、不可再生的石油资源。因此，废弃PET的回收利用不仅可以减少对环境的破坏，还可以延长资源利用周期，带来巨大的社会效益和经济效益。
目前，PET回收法包括物理回收法和化学回收法。物理回收法是通过对废旧PET进行物理处理，例如分离、粉碎、洗涤、干燥、混合和重整，以获得新的PET材料的方法。物理回收法过程简单，易于控制，设备投资少。因此，它现在是主要的PET回收方法。然而，再生PET的质量会降低，并无法再次进行回收。化学法是通过各种化学反应将废旧PET转化为单体的过程。化学法主要包括水解法、甲醇醇解法、乙二醇醇解法、热解法和其他化学回收方法。与物理法相比，化学法的优势在于它不会降低回收的PET的质量，因此可以实现PET回收的永久闭环循环。因此，化学法提供了一种更有效的PET回收的方法，近年来一直是PET回收研究的重点。在这些方法中，乙二醇醇解法是最具潜力的方法，因为乙二醇不易挥发，反应条件温和，主要产物BHET能直接用于再聚合生产新的PET。然而，PET的乙二醇醇解法仍然存在反应效率低和精制产品困难的问题。因此，开发对PET乙二醇醇解具有高催化活性的新型绿色催化剂对于PET回收的工业化是意义重大的。
离子液体作为一种新型的理想的绿色溶剂，近年来已经广泛地应用于塑料回收领域。自王慧首先应用咪唑类离子液体于PET颗粒的溶解和乙二醇醇解中，离子液体在PET乙二醇解中的应用得到迅速发展。含有金属尤其是锌的离子液体表现出优异的催化活性，而非金属离子液体则不具有这种良好的催化活性。非金属离子液体通常具有更长的反应时间和更低的BHET产率。然而，金属残留物使得反应工艺更复杂并且对环境和人类造成伤害。
总而言之，现有技术中的催化剂，有的分离成本比较昂贵，有的催化活性较差，有的会造成污染。因此，开发制备成本低廉、催化活性高、绿色清洁的新型催化剂已成为必然。
发明内容
本发明的内容，一种非金属胆碱类离子液体催化醇解PET的方法。以不含金属的胆碱类离子液体为催化剂、以乙二醇(EG)为溶剂，在温和的条件下，催化降解PET。该方法具有成本低廉、PET转化率高、目标产物选择性高、反应条件温和、可循环利用、反应过程绿色无污染等优点。本发明的反应通式为(以乙二醇作溶剂为例)：
Figure BDA0002387026250000021
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种非金属胆碱类离子液体催化醇解PET的方法的具体实施步骤如下。以40～60目PET颗粒为原料，乙二醇为溶剂，将不同对应比例的PET颗粒、乙二醇、催化剂依次加入到三口圆底烧瓶中。反应使用油浴加热，在磁力搅拌下，以一定温度反应一定的时间后，将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入大量的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在容量瓶中定容，BHET产率通过液相色谱的定量分析来测定。随后将溶液通过旋转蒸发除去大部分去离子水，进行冷却结晶并过滤，固体经过水洗和干燥后得到纯BHET单体。
所述该类离子液体催化剂中的阳离子为胆碱阳离子。
所述该类离子液体催化剂中的阴离子可以是[HCOO]-、[CH3COO]-、[C2H5COO]-、[C3H7COO]-等有机酸根离子。
所述该类离子液体催化剂用量为PET质量的2.5％～15％。
所述该类离子液体催化剂醇解PET的反应温度为145℃～190℃。
所述该类离子液体催化剂醇解PET的反应时间为30min～4h。
反应结束后，PET的降解率和产物BHET的选择性分别按公式(1)(2)计算：
Figure BDA0002387026250000022
Figure BDA0002387026250000023
其中，A表示加入的PET的初始质量，B表示未降解的PET质量。
具体实施方式
本发明用以下实施例进行说明本发明的主要技术特征以及本发明的工艺优势，但本发明并不仅限于下述实施例，在不脱离前后所属宗旨的范围下，本发明还会有各种变化和改进，变化实施都包含在本发明的技术范围内。本发明要求需要保护的范围由所附的权利要求书和其等效物界定。
实施例1
以PET颗粒(40-60目)为原料，乙二醇为溶剂，依次将5.0g PET，20.0g乙二醇和0.25g胆碱甲酸，加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中。然后将圆底烧瓶置于油浴中进行加热。控制反应温度为180℃，压力为1atm，冷凝回流反应3h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为97.1％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为84.5％。
实施例2
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.25g胆碱乙酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为180℃，常压，冷凝回流反应3h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为94.3％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为82.9％。
实施例3
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.25g胆碱丙酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为180℃，常压，冷凝回流反应3h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为65.1％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为40.5％。
实施例4
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.25g胆碱丁酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为180℃，常压，冷凝回流反应3h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为33.3％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为9.9％。
实施例5
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.25g胆碱乙酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为145℃，常压，冷凝回流反应3h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为19.0％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为16.1％。
实施例6
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.25g胆碱乙酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为155℃，常压，冷凝回流反应3h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为37.6％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为33.1％。
实施例7
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.25g胆碱乙酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为165℃，常压，冷凝回流反应3h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为63.5％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为54.7％。
实施例8
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.25g胆碱乙酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为175℃，常压，冷凝回流反应3h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为82.1％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为71.3％。
实施例9
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.25g胆碱乙酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为190℃，常压，冷凝回流反应3h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为99.3％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为85.1％。
实施例10
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.25g胆碱乙酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为180℃，常压，冷凝回流反应30min。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为45.9％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为39.4％。
实施例11
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.25g胆碱乙酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为180℃，常压，冷凝回流反应1h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为70.0％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为60.7％。
实施例12
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.25g胆碱乙酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为180℃，常压，冷凝回流反应2h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为89.7％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为78.0％。
实施例13
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.25g胆碱乙酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为180℃，常压，冷凝回流反应4h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为98.2％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为85.2％。
实施例14
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.125g胆碱乙酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为180℃，常压，冷凝回流反应3h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件，PET的降解率为82.8％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为35.0％。
实施例15
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.5g胆碱乙酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为180℃，常压，冷凝回流反应3h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为99.6％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为81.9％。
实施例16
将5.0g PET颗粒(40-60目)，20.0g乙二醇和0.75g胆碱乙酸，依次加入到配有温度计、磁力搅拌和蛇形冷凝器的50ml三口圆底烧瓶中进行油浴加热。控制反应温度为180℃，常压，冷凝回流反应3h。将反应混合物趁热过滤分离出未反应的PET并进行干燥。将滤液倒入800mL的去离子水中，过滤分离降解不完全的絮状低聚物。将过滤后溶液用去离子水在1000mL容量瓶中定容，BHET产率通过高效液相色谱的定量分析来测定。在70℃下旋转蒸发将容量瓶中溶液浓缩至70ml，0℃下冷却12h，白色针状的BHET晶体析出。随后经过过滤、水洗和干燥后得到纯BHET单体。在此条件下，PET的降解率为99.8％，单体对苯二甲酸乙二醇酯(BHET)的收率为78.6％。

Claims (5)

1.一种非金属胆碱类离子液体催化醇解聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的方法，其特征在于以非金属且生物可降解的胆碱类离子液体为催化剂、以乙二醇(EG)为溶剂，催化醇解PET。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所用离子液体催化剂中的阳离子为胆碱阳离子，阴离子为[HCOO]-或[CH3COO]-或[C2H5COO]-或[C3H7COO]-有机酸根离子。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在离子液体催化剂用量为PET质量的2.5％～15％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在离子液体催化剂醇解PET的反应温度为145℃～190℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在离子液体催化剂醇解PET的反应时间为30min～4h。
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