Oblast techniky

Předkládaný vynález spadá do oblasti zpracování odpadních polymerů a týká se způsobu získání kyseliny tereftalové z odpadního polyethylentereftalátu, a jejího následného čištění.

Dosavadní stav techniky

Pro svou dobrou chemickou stabilitu jsou polyestery, jako kupř. polyethylentereftalát, zkráceně PET, hojně využívány pro výrobu vláken, různých povlaků, nebo nápojových lahví. Recyklace především posledně jmenovaných výrobků nabývá pro obrovský nárůst jejich produkce v posledních desetiletích velkého významu. Zvláštního postavení mezi recyklačními metodami se v poslední době dostává chemickému zpracování PET lahví na monomery, kde je u velmi znečištěného PET materiálu výhodná chemická depolymerace založená na solvolýze.

Ve spise CZ 299244 je popsán způsob vysokoteplotní hydrolýzy odpadního polyethylentereftalátu na bazickou sůl kyseliny tereftalové a ethylenglykolu v reakčním systému sestávajícím z extrudéru a trubkového reaktoru ve dvoustupňovém procesu. V prvním stupni se odpadní PET odbourává simultánně probíhající extruzní hydrolýzou a glykolýzou při tlaku 3,5 až 9,0 MPa a teplotě 240 až 295 °C a ve druhém stupni se tavenina oligomemích produktů reaktivní extruze z prvního stupně kontinuálně bazicky hydro lyžuje za zvýšeného tlaku průběžným přidáváním vodného roztoku alkalického hydroxidu nebo amoniaku. Charakteristickým znakem uvedeného procesu je degradace polyethylentereftalátu při teplotě vyšší, než je teplota jeho krystalizace. Výsledkem hydrolýzy je roztok amonné nebo sodné soli kyseliny tereftalové a ethylenglykolu ve vodě, přičemž konverze PET není nižší než 97 %. Způsob přípravy oligomerů kyseliny tereftalové a ethylenglykolu transesterifikací odpadního PET je řešen ve spisech US 3222299 a US 4078143. Proces zahrnuje glykolýzu odpadního PET při teplotě v rozmezí 90 °C a 250 °C k získání PET oligomerů, které jsou následně použity jako surovina při syntéze nenasycených polyesterových pryskyřic nebo polyuretanů. V dalším spise US 4605762 je popsán způsob hydrolýzy odpadního PET v autoklávu při teplotě 200 až 300 °C za tlaku minimálně 1,5 MPa pomocí přehřáté páry. V procesu popsaném ve spise WO 97/24310 je pro hydrolýzu odpadního PET použit vodný roztok alkalického hydroxidu k získání vodného roztoku soli kyseliny tereftalové a ethylenglykolu. Kyselina tereftalová je získána neutralizací hydrolyzátu silně kyselým roztokem a přečištěna krystalizací v rozpouštědle. Degradace polyethylentereftalátu transesterifikací methanolem je řešena ve spise US 3501420, kdy se methanolýza provádí při teplotě 160 až 240 °C v tlakových reaktorech při tlaku do 7,0 MPa za významného přebytku methanolu. Výhodou tohoto způsobu degradace polyethylentereftalátu je možnost použití PET odpadu obsahujícího i obarvený polymer. Ve spise CZ 288622 je popsán způsob chemické recyklace netříděné drti odpadního PET na kyselinu tereftalovou a ethandiol kontinuální dvoustupňovou hydrolýzou, kdy se v prvním stupni provede nástřik vodní páry do taveniny polymeru a ve druhém stupni reagují produkty prvního stupně hydrolýzy s hydroxidem amonným. Následuje srážení kyseliny tereftalové z vodného roztoku anorganickou kyselinou a její oddělení filtrací a rektifikační oddělení ethandiolu z roztoku produktů hydrolýzy. Způsob chemické recyklace odpadního PET na kyselinu tereftalovou a ethandiol dvoustupňovou hydrolýzou je popsán rovněž ve spise CZ 299176. V prvním stupni je odpadní polyethylentereftalát podroben glykolýze při teplotě 220 až 380 °C za tlaku 18,0 MPa v přítomnosti vody, kdy ethylenglykol je přidán v množství nejvýše 15 % hmotnostních ve vztahu k polymemímu odpadu. Ve druhém stupni je směs PET oligomerů podrobena amonolýze ve vodném prostředí za získání tereftalátu amonného. Kyselina tereftalová je poté oddělena od vodného roztoku přidáním anorganické kyseliny a následně ze směsi odfiltrována. Ve spise JP 2002/060369 je popsána recyklace plastového odpadu sestávajícího převážně z polyethylentereftalátu transesterifikací methanolem za zvýšeného tlaku za získání

- 1 CZ 307751 B6 dimethyltereftalátu. V další fázi se dimethyltereftalát čistí vakuovou destilací a poté se podrobí hydrolýze vodní parou za vzniku kyseliny tereftalové a vodného roztoku methanolu. Získaná kyselina tereftalová má vysokou čistotu a při syntézách polymerů nebo tereftalátů může plně nahradit kyselinu získanou petrochemicky. Je rovněž známa depolymerace PET prováděná transesterifikací při teplotě varu alkoholu použitého při syntéze za atmosférického tlaku, kdy po depolymeraci je směs PET oligomerů hydrolyzována na kyselinu tereftalovou nebo její soli. Izolace soli kyseliny tereftalové z postreakční směsi zahrnuje její ochlazení na teplotu pod teplotou varu vody za normálního tlaku, zředění reakčního média vodou za rozpuštění soli kyseliny tereftalové, přidání vody k reakční směsi za fázového oddělení vodného roztoku rozpuštěné soli kyseliny tereftalové od organické fáze alkoholu použitého pro depolymeraci, fázovou separaci vodné fáze od organické fáze, srážení kyseliny tereftalové z vodné fáze přidáním anorganické kyseliny, separaci krystalů kyseliny tereftalové filtrací s čištěním promytím rozpouštědly a vodou a regeneraci alkoholu používaného pro depolymeraci PET odpadu v první fázi technologie. Takto vyrobená kyselina tereftalová se vyznačuje vysokou čistotou, srovnatelnou s kyselinou vyrobenou petrochemickými postupy a uvedený způsob je ve srovnání s jinými známými technologiemi charakterizován nižší spotřebou energie, a tedy nižšími náklady na zpracování PET odpadu. Kontinuální způsob výroby čisté kyseliny tereftalové a ethylenglykolu je popsán ve spise GB 2123403, kdy se proces provádí za přítomnosti aktivního uhlí ve vodném roztoku při hydrolýze odpadního PET při vysokém tlaku a při teplotě 200 °C až 300 °C. Postreakční směs se poté filtruje a ochladí, kdy výsledkem chlazení roztoku je krystalizace kyseliny tereftalové. Krystaly kyseliny tereftalové se oddělí od matečného louhu filtrací nebo centrifugací a ethylenglykol se získá z matečného louhu destilací. Ve spise WO 2015/190941 je popsán způsob recyklace polyethylentereftalátu na základě vícenásobné transesterifikace polymemího materiálu za použití různých alkoholů. V prvním stupni se částice PET zpracuje s jednomocným vysokovroucím nebo vícemocným alkoholem nebo jejich směsí při teplotě 190 až 265 °C, s výhodou s přídavkem fenolu. Produkovaný ethylenglykol se z reakčního média odstraní destilací za normálního nebo sníženého tlaku. Ve druhém kroku se výsledná směs PET oligomerů smísí s nízkovroucím alkoholem nebo nízkovroucí alkoholovou směsí a znovu se podrobí transesterifikací při zvýšené teplotě v přítomnosti katalyzátoru za kontinuálního míchání obsahu transesterifikačního reaktoru. Ve třetím kroku se k reakčnímu roztoku přidá voda a provede se hydrolýza jednoduchých esterů kyseliny tereftalové minerální kyselinou. Suspenze krystalů kyseliny tereftalové se filtruje a kyselina izolovaná tímto způsobem se promyje vodou a vysuší. Ve spise WO 2006/039872 je uveden dvoustupňový způsob recyklace odpadního polyethylentereftalátu, přičemž v prvním kroku se vločky PET hydro lyžuj i vodou o teplotě 220 až 280 °C za zvýšeného tlaku za použití hmotnostního poměru vody vůči PET v rozmezí 1 : 1 až 1 : 8. Reakční směs z prvního stupně, obsahujících oligomery kyseliny tereftalové a PET, se ochladí na teplotu pod 60 °C, a pak se po krystalizaci kyselina tereftalová oddělí filtrací. Po prvním stupni hydrolýzy jsou krystaly oligomerů kontaminované PET rehydrolyžovány vodou. V tomto druhém stupni hydrolýzy jsou použity stejné podmínky hydrolýzy jako v prvním stupni. Surová kyselina tereftalová z druhého stupně hydrolýzy je rozpuštěna ve čpavkové vodě a poté čištěna za použití pevných sorbentů, zejména aktivního uhlí. Roztok amonné soli kyseliny tereftalové zbavené organických kontaminantů je okyselen kyselinou sírovou, čímž je získána suspenze krystalů kyseliny tereftalové ve vodě.

Z literatury vyplývá, že klíčovým krokem je rozklad odpadních PET depolymeraci na oligomery s nízkou molekulovou hmotností v kombinaci s hydrolýzou ve vodě nebo alkalických vodných roztocích. Depolymerace PET je děj energeticky náročný a vyžaduje drastické tepelné podmínky. Způsob dodávání energie a její použití v procesu určuje ziskovost chemického zpracování odpadního polymeru. Novým směrem při zpracování odpadního PET je použití mikrovlnného záření jako zdroje energie. Ve spise WO 2009/010435 je popsán způsob chemické depolymerace odpadního polyethylentereftalátu účinkem mikrovlnného záření s použitím solvolýzy za přítomnosti katalyzátoru, kde se odpadní polyethylentereftalát v prvním stupni smísí s aktivátorem silně absorbujícím mikrovlny a směs se vloží do mikrovlnného pole. Působením mikrovlnného záření o frekvenci 915 až 2450 MHz a výkonu zářiče 0,1 až 0,5 kW na 1 kg vsádky při teplotě 230 až 330 °C a za atmosférického tlaku se odpadní PET roztaví, a v druhém

-2CZ 307751 B6 stupni se vystaven pokračujícímu mikrovlnnému záření podrobí solvolýze, tj. kyselé či alkalické hydrolýze, alkoholýze či glykolýze v přítomnosti katalyzátoru a při atmosférickém tlaku za vzniku kyseliny tereftalové, jejích solí či jejích esterů a ethylenglykolu. Jako aktivátory v prvním stupni procesu se obvykle používají buď polární kapaliny ze skupiny jednosytných alkoholů, diolů, ketonů, organických kyselin, jako jsou kyselina tereftalová, p-toluensulfonová, mravenčí, octová, či voda, případně jejich směsi, nebo karbid křemíku, karbid wolframu, ferit, magnetit či aktivní uhlí, přičemž množství aktivátoru je nejvýše 30 % hmotn. vzhledem k hmotnosti PET.

V druhém stupni procesu při kyselé hydrolýze oligomerů jsou použity buď heterogenní kyselé katalyzátory jako montmorillonit, zeolit, iontoměničové pryskyřice, zeolity, kyselina fosforečná nanesená na nosiči, chloridy či octany měďnatý, železitý, hlinitý, antimonitý, či bizmutitý, nebo homogenní katalyzátory jako kyseliny p-toluensulfonová, mravenčí, octová, benzoová, tereftalová či sírová. V případě provádění druhého stupně alkalickou hydrolýzou jsou použity silné báze jako jsou hydroxidy alkalických kovů, případně v přítomnosti katalyzátorů fázového přenosu.

Cílem předkládaného vynálezu je představit nový způsob přípravy kyseliny tereftalové z odpadního polyethylentereftalátu, který umožní produkci kyseliny tereftalové ve vysoké čistotě při zachování nízkých nákladů na zařízení a jeho provoz.

Podstata vynálezu

Stanoveného cíle je dosaženo vynálezem, kterým je způsob získání kyseliny tereftalové z odpadního polyethylentereftalátu depolymerací s mikrovlnným ohřevem reakční směsi, a její následné čištění. Podstatou vynálezu je, že po depolymerací je směs produktů depolymerační reakce rozmíchána ve vodě, ze vzniklé směsi je odseparována tuhá fáze, získaný roztok je podroben extrakci s vodou nemísitelným organickým rozpouštědlem a po oddělení fází jsou z vodné fáze odstraněny rozpuštěné nečistoty jejím kontaktem se sorbentem, který je nato odseparován, přičemž po oddělení sorbentu je kyselina tereftalová z roztoku vysrážena jeho okyselením a následně ze vzniklé suspenze odseparována.

Ve výhodném provedení je extrakce prováděna na extrakčním zařízení, kdy extrakční činidlo je cirkulováno v uzavřeném okruhu, a kdy po rozdělení fází je z fáze extrakčního činidla oddělováno maximálně 30 % jejího množství, ze kterých je extrakční činidlo regenerováno a je následně recyklováno zpět do extrakce, přičemž zbylé množství fáze extrakčního činidla je do extrakce recyklováno přímo.

V dalším výhodném provedení je extrakce prováděna extrakčním činidlem vybraným ze skupiny: jednosytné alkoholy o počtu uhlíků v rozmezí 4 až 10, s výhodou 8, nebo alifatické uhlovodíky o počtu uhlíků v rozmezí 6 až 12, nebo benzen, nebo kapalné aromatické uhlovodíky substituované jednou či více alkylovými skupinami, nebo chlorované uhlovodíky nasycené, nenasycené, či aromatické, nebo jejich směsí v libovolném poměru.

Dále je výhodné, když je jako sorbent použito aktivní uhlí, nebo bělicí hlinka a/nebo jejich směs.

V dalším výhodném provedení je proces depolymerace prováděn kontinuálně ve dvou sériově propojených reaktorech uzpůsobených pro odtah plynné fáze, z nichž druhý reaktor je uzpůsoben práci za sníženého tlaku.

Dále je výhodné, když při procesu depolymerace je reakční směs v reaktorech transportována a současně promíchávána pomocí šnekového zařízení instalovaného v obou reaktorech, které je uzpůsobeno pro regulaci doby zdržení reakční směsi v reaktoru.

Předkládaným vynálezem se dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že umožňuje použití odpadního polyethylentereftalátu o různé čistotě včetně barevných PET lahví, vykazuje nízké

-3 CZ 307751 B6 náklady jak investiční, tak provozní, a konečně se tímto způsobem podle vynálezu získává kyselina tereftalová svou čistotou srovnatelná s kyselinou získanou petrochemickými postupy.

Následně popsané příklady konkrétního provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu vynálezu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Při procesu depolymerace odpadního polyethylentereftalátu alkalickou hydrolýzou je použit dvoustupňový reakční systém, který je tvořen dvěma sériově propojenými reaktory uzpůsobenými kontinuálnímu procesu, které jsou opatřeny zdrojem mikrovlnného záření, duplikátorovým parním otopem a dopravním šnekovým zařízením uzpůsobeným jednak pro promíchávání reakční směsi při jejím transportu od vstupu do reaktoru k výstupu z reaktoru a jednak pro regulaci doby zdržení reakční směsi v reakční zóně. Dvoustupňový reakční systém pracuje kontinuálně s konstantním dávkováním surovin i odběrem reakčních produktů na výstupu z reakčního systému. Do násypky prvostupňového reaktoru je kontinuálně přiváděna směs drceného odpadního polyethylentereftalátu, granulovaného alkalického hydroxidu a vody, kdy dávkování v poměru k odpadnímu PET je v případě použití NaOH v rozmezí 40 až 42 kg na 100 kg PET drtě a v případě použití KOH 56 až 59 kg na 100 kg PET drtě. Směs je v násypce promíchávána a dále posouvána do vstupní části reaktoru, kde je dále promíchávána šnekovým zařízením a vystavena působení mikrovln ze zdroje mikrovlnného záření. Reakční směs je působením mikrovlnného záření zahřáta nad 150 °C čímž je nastartována depolymerační reakce alkalická hydrolýza. Šnekovým zařízením je směs promíchávána a posouvána reaktorem k jeho výstupní části, kdy kontinuálně dochází k depolymerační reakci. Páry etylenglykolu uvolňované při reakci jsou odváděny spolu s vodní parou do kondenzátoru.

Reakční směs obsahující produkty alkalické hydrolýzy je následně samospádem dopravována přes oddělovací uzávěr do druhostupňového reaktoru pracujícího za sníženého tlaku v rozmezí 10 až 20 kPa abs., z něhož je odtahem odstraňován etylenglykol vznikající při depolymeraci.

Sypká směs produktů z druhostupňového reaktoru je v prvním čisticím stupni smíchána s vodou, ve které dochází k rozpuštění reakcí vzniklé alkalické soli kyseliny tereftalové a jejích oligomerů, a následně je oddělena tuhá fáze nečistot, nezreagovaných složek a jiných tuhých příměsí.

Získaný roztok postupuje do dalšího čisticího stupně procesu, kde je podrobován kontinuální extrakci rozpouštědlem nemísitelným s vodou vybraným ze skupiny: jednosytné alkoholy o počtu uhlíkových atomů v rozmezí 4 až 10, s výhodou 8, alifatické uhlovodíky o počtu uhlíků v rozmezí 6 až 12, kapalné aromatické uhlovodíky substituované jednou nebo více alkylovými skupinami, chlorované uhlovodíky nasycené, nenasycené, nebo aromatické. Extrakce je prováděna při teplotě v rozmezí 20 až 80 °C, s výhodou 50 °C za atmosférického tlaku, kdy hmotnost extrakčního činidla činí maximálně 50 % hmotnosti extrahovaného roztoku. Po extrakci a rozdělení fází je z fáze extrakčního činidla oddělováno maximálně 30 % z jejího množství, a z této části je extrakční činidlo regenerováno a je následně recyklováno do extrakce. Zbylá část fáze extrakčního činidla je recyklována zpět do extrakce přímo.

K vodné fázi po extrakci je přidán sorbent, s výhodou práškové aktivní uhlí, při teplotě v rozmezí 20 až 80 °C, s výhodou 50 °C, který je následně odseparován. Adsorpce nečistot přidáním práškového aktivního uhlí není jediným řešením. Další variantou je kontinuální průtok roztoku přes vrstvu granulovaného sorbentu, kdy se roztok následně zbavuje zbytků sorbentu filtrací.

Z roztoku po odfiltrování sorbentu je při teplotě v rozmezí 20 až 80 °C, s výhodou 50 °C, vysrážena kyseliny tereftalová okyselením roztoku tak, aby pH ve vzniklé suspenzi bylo nižší než 3,5. Sraženina kyseliny tereftalové je následně oddělena filtrací, promyta demineralizovanou vodou a sušena za vakua.

-4CZ 307751 B6

Příklad 1

Do násypky prvostupňového reaktoru je za atmosférického tlaku kontinuálně dávkována směs 20 kg/h odpadního polyethylentereftalátu, 8,4 kg/h hydroxidu sodného a 4 kg/h vody. Mikrovlnným ohřevem je reakční směs v prvostupňovém reaktoru zahřáta na teplotu 110 °C a poté je při teplotě postupně se zvyšující posouvána reaktorem k jeho výstupu, přičemž rychlost transportu reakční směsi je řízena tak, aby doba zdržení směsi v reaktoru byla alespoň 15 minut při teplotě nad 150 °C. Po převedení reakční směsi přes oddělovací uzávěr do druhostupňového reaktoru je pomocí mikrovlnného záření a otopu parou plášti v tomto udržována teplota v rozmezí 150 až 165 °C při tlaku 15 kPa abs.

Sypká směs vystupující z druhostupňového reaktoru po rozpuštění ve vodě poskytuje roztok dvoj sodné soli tereftalátu o koncentraci 12,5 % hm při průtoku 192 kg/h s dispergovanými nerozpuštěnými nečistotami, které jsou následně odfiltrovány na sítě. Roztok dvoj sodné soli kyseliny tereftalové je poté kontinuálně extrahová na extrakční koloně isooktanolem při teplotě 45 °C pro oddělení ve vodě rozpustných organických nečistot, kdy je ze zásobníku čerpáno 80 kg/h isooktanolu do dolní části extrakční kolony a na hlavu kolony je čerpáno 192 kg/h roztoku dvoj sodné soli kyseliny tereftalové. Extrakční činidlo je cirkulováno v uzavřeném okruhu, přičemž 20 kg/h fáze extrakčního činidla vycházející z extrakční kolony je vedeno do vakuové odparky k oddělení extrakčního činidla od extrahovaných látek, kdy odpařené extrakční činidlo je po zkondenzování recyklováno do zásobníku.

Po extrakci je roztok dvoj sodné soli kyseliny tereftalové převeden do nádoby opatřené mechanickým míchadlem, kde je k němu přidáno aktivní uhlí v množství odpovídající 1 % hmotn. a vzniklá suspenze je po dobu 2 hodin míchána při teplotě 52°C. Následně je směs zfiltrována při teplotě 50 °C ± 5 °C na svíčkovém filtru, kdy je získáváno 189,5 kg/h čirého roztoku dvojsodné soli kyseliny tereftalové v barvě 90 až 100 APHA. Výsledný roztok je veden do srážecí nádoby typu mixéru, kde je k němu při teplotě 45 °C přidávána kyselina dusičná v takovém množství, aby po promíchání bylo pH 3,3, čímž je vysrážena kyselina tereftalová. Taje poté oddělena od matečných louhů na filtrační odstředivce, kde je následně při teplotě 61 °C promyta vodou, čímž dochází k odstranění dusičnanu sodného a přebytku kyseliny dusičné. Kyselina tereftalová je poté převedena do sušárny, kde je sušena při 70 °C za sníženého tlaku. Takto získaná kyselina tereftalová vykazuje čistotu srovnatelnou s kyselinou tereftalovou vyrobenou z petrochemických surovin.

Příklad 2

Postup podle příkladu 1 s tím rozdílem, že k extrakci je použit n-hexan, k vodné fázi po extrakci je jako sorbent přidáno aktivní uhlí a k závěrečnému srážení kyseliny tereftalové z roztoku je použita kyselina sírová.

Příklad 3

Postup podle příkladu 1 s tím rozdílem, že k extrakci je použit toluen, k vodné fázi po extrakci je jako sorbent přidána bělicí hlinka a k závěrečnému srážení kyseliny tereftalové je použita kyselina chlorovodíková.

Příklad 4

Postup podle příkladu 1 s tím rozdílem, že k extrakci je použit perchlorethylen, k vodné fázi po extrakci je jako sorbent přidána směs aktivního uhlí a bělicí hlinky a k závěrečnému srážení kyseliny tereftalové je použita kyselina octová.