一种聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料的降解方法
阅读说明：本技术 一种聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料的降解方法 (Degradation method of polyethylene glycol terephthalate plastic ) 是由 孙永福 吴洋 焦星辰 谢毅 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种低温碱性水体系中降解聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的方法,包括以下步骤：将聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料溶解在NaOH的水溶液中,在-10～-5℃条件下进行降解,得到苯二甲酸和乙二醇。实验结果表明在低温碱性体系中可以将聚对苯二甲酸乙二醇酯转化成对苯二甲酸和乙二醇,且在-10～-5℃可以获得最优异的降解率,通过数次降解循环可以实现超过百分之九十的废弃塑料完全降解,相较于常温碱性条件下具有更加优异的降解PET塑料性能。此外,本发明提供的降解方法安全系数高,所需的原料常规且成本低,实验装置易于搭建、回收和循环成本低廉。而且降解过程步骤少、设备技术条件和工艺流程简单、未来可推广到中试放大阶段甚至工业化。(The invention provides a method for degrading polyethylene terephthalate (PET) in a low-temperature alkaline water system, which comprises the following steps: dissolving polyethylene terephthalate plastic in NaOH aqueous solution, and degrading at the temperature of-10 to-5 ℃ to obtain the phthalic acid and the glycol. Experimental results show that the polyethylene glycol terephthalate can be converted into terephthalic acid and ethylene glycol in a low-temperature alkaline system, the most excellent degradation rate can be obtained at-10 to-5 ℃, more than ninety percent of waste plastics can be completely degraded through degradation cycles, and the PET plastic has more excellent PET plastic degradation performance compared with PET plastic degradation performance under the normal-temperature alkaline condition. In addition, the degradation method provided by the invention has the advantages of high safety coefficient, conventional required raw materials, low cost, easy establishment and recovery of experimental devices and low cycle cost. And the steps of the degradation process are few, the technical conditions of equipment and the process flow are simple, and the method can be popularized to a pilot scale-up stage and even industrialization in the future.)
技术领域
本发明涉及塑料回收技术领域，尤其涉及一种聚对苯二甲酸乙二醇酯塑 料的降解方法。
背景技术
在过去的几十年里，塑料的大量使用帮助了许多经济体的经济快速增长。 这是因为塑料材料质量轻盈，具有很强的可塑性，从而使它们得到广泛的应 用(例如汽车、包装和外壳等)。然而，塑料的耐腐蚀性和强化学惰性使得其自 然降解极其缓慢，因此带来了严重的环境问题。更严重的是，动物摄入大型 塑料碎片和微塑料时，会通过食物链的传播进入人类身体之中，从而对人类 和生态系统造成难以估量的破坏。目前，全球每年产生的约2.6亿吨塑料垃圾 通过焚烧方式处理，这不仅破坏了全球的生态系统，同时导致了气候变化，因为在焚烧过程中排放了相当于被烧塑料质量的三倍的二氧化碳气体。因此， 塑料垃圾的潜在二氧化碳排放量相当于当前全球排放量的2％(2018年为37.5 亿吨二氧化碳)。此外，塑料也和化石燃料的消耗相关，约6％的化石燃料目 前被用于生产塑料。由于能源部门脱碳化进程加快，这一数字预计将会进一 步增加，同时随着全球财富和城市化的增加，对塑料的需求也在增加。例如， 2018年，麦肯锡指出，“塑料的再利用和回收利用可以为石化和塑料行业带 来高达600亿美元的利润增长”。
虽然塑料价格低廉，但是由于过去缺乏对其回收的经济激励，造成了严 重的白色污染问题。中国最近已经率先开始抵制来自国外的塑料垃圾，预计 马来西亚等许多其他国家很快就会效仿。同时，欧盟一项具有法律约束的指 令规定，到2030年，所有塑料包装都应具有成本效益的方式进行回收，或重 复使用，旨在使回收对企业有利可图。这些驱动因素都将推动政府机构和工 业行业解决塑料回收问题。除了限制塑料的使用和鼓励其回收，将这些塑料 垃圾转化成高附加值的燃料也是一个有效的方案。目前，填埋和焚烧方法是 目前采用最广泛的处理手段，但是会带来严重的环境问题和资源的浪费。同 时，当前采用的各种物理、化学和生物方法依然存在着降解效率低等问题， 因此需要寻找一种便于规模化应用的高效、大量的降解方法。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种聚对苯二甲酸乙二醇 酯塑料的降解方法，在低温碱性水体系中实现了塑料的高效降解。
为达到上述目的，本发明提供了一种聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料的降解 方法，包括以下步骤：
将聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料溶解在NaOH的水溶液中，在-10～-5℃条件 下进行降解，得到苯二甲酸和乙二醇。
本发明优选的，所述聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料、NaOH和水的比例为 10g：15g：80mL。
所述降解的温度更优选为-5℃。
本发明优选的，所述降解的时间为6～10h，更优选为8h。
本发明优选的，所述降解在强力搅拌的条件下进行。
本发明优选的，所述降解方法包括以下步骤：
将聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料溶解在NaOH和水的混合溶液中，在 -10～-5℃条件下，强力搅拌，然后在高速离心机中离心分离得到上清液，沉 淀物为剩余固体塑料。
本发明优选的，所述高速离心机的转速为6000～10000rpm，更优选为8000 rpm。
在本发明的一些具体实施例中，所述降解方法具体为：
将10g聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料溶解在15g NaOH，和80mL蒸馏水 混合溶液后加入反应器皿中，在-5℃条件下，强力搅拌8h后，在高速离心 机中以8000rpm转速离心分离得到上清液，沉淀物用水洗涤离心数次，得到 剩余固体塑料。
本发明提供的上述方法可适用于本领域技术人员熟知的所有PET材质产 品，如PET塑料瓶、塑料薄膜、塑料包装盒等。降解生成的对苯二甲酸和乙 二醇通过提纯之后具有重大的商业价值。对苯二甲酸是最为重要的大宗原料 之一。对苯二甲酸和乙二醇酯化缩聚生成聚酯类化合物，这种聚酯不仅可以 合成纤维商品涤纶，同时也用于生产薄膜和注塑成型行业，而被广泛应用于 电子和汽车制造业。此外对苯二甲酸还可用于制造除草剂和粘接剂等。乙二 醇是一种重要的石油化工基础有机原料，主要用于制作聚酯树脂、吸湿剂、 增塑剂、防冻剂、化妆品和炸药，并用作染料、油墨等的溶剂、分析试剂和 色谱分析试剂、也可用于制药和皮革工程的水和剂和溶剂。
与现有技术相比，本发明提供了一种低温碱性水体系中降解聚对苯二甲 酸乙二醇酯(PET)的方法，包括以下步骤：将聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料溶解 在NaOH的水溶液中，在-10～-5℃条件下进行降解，得到苯二甲酸和乙二醇。
实验结果表明在低温碱性体系中可以将聚对苯二甲酸乙二醇酯转化成对 苯二甲酸和乙二醇，且在-10～-5℃可以获得最优异的降解率，通过数次降解循 环可以实现超过百分之九十的废弃塑料完全降解，相较于常温碱性条件下具 有更加优异的降解PET塑料性能。此外，本发明提供的降解方法安全系数高， 所需的原料常规容易获得且成本低，实验装置易于搭建、回收和循环成本低 廉。而且降解过程步骤少、设备技术条件和工艺流程简单、降解规模不必受 限于实验室规模，未来可推广到中试放大阶段甚至工业化。因此，上述低温 碱性条件下降解废弃PET塑料的方法有望成为解决塑料污染问题的高效和可 持续发展手段。
附图说明
图1为本发明实施例1中低温碱性水体系中降解聚对苯二甲酸乙二醇酯 所得产物的核磁共振碳谱图；
图2为本发明中-5℃下，15g NaOH水体系中循环三次降解聚对苯二甲 酸乙二醇酯的剩余质量图；
图3为本发明中15g NaOH水体系中，不同温度条件下循环三次降解聚对 苯二甲酸乙二醇酯的质量图；
图4为本发明中-5℃下，不同碱浓度条件循环三次降解聚对苯二甲酸乙 二醇酯的质量图；
图5为-5℃下，15g NaOH水体系中循环三次降解商业PET塑料瓶的剩 余质量图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的聚对苯二甲酸 乙二醇酯塑料的降解方法进行详细描述。
以下NaOH购于国药集团化学试剂有限公司；
高速离心机购于安徽中科中佳科学仪器有限公司，型号HC-3518；
液体核磁共振波谱仪的型号为Bruker AVANCE AV III 400；
真空干燥箱购于上海精宏实验设备有限公司，型号XMTD-8222。
以下实施例、比较例中的聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料或塑料瓶为预先粉 碎处理的塑料材料，粒径为5mm。
实施例1
将10g聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料溶解在15g NaOH和80mL蒸馏水混 合溶液后加入反应器皿中，在-5℃条件下，强力搅拌8h后，在高速离心机 中以8000rpm转速离心分离得到上清液，检测液相产物，沉淀物用水洗涤离 心数次，得到剩余固体塑料。
将得到的上清液用液体核磁共振波谱仪进行表征，得到的核磁共振碳谱 图见图1，结果表明在低温碱性水体系中，聚对苯二甲酸乙二醇酯被降解为苯 二甲酸和乙二醇两种单体。
应用例1：碱性条件下降解对苯二甲酸乙二醇酯生成对苯二甲酸和乙二醇
将10g聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料溶解在15g NaOH和80mL蒸馏水混 合溶液后加入反应器皿中，在-5℃条件下，强力搅拌8h后，在高速离心机 中以8000rpm转速离心分离得到上清液，检测液相产物，沉淀物用水洗涤离 心数次，得到剩余固体塑料。将其放入真空干燥箱干燥若干小时，称重，计 算剩余质量和转化量。利用上述剩余塑料重复实验两次，计算连续降解效果。
图2示出了本应用例中-5℃下，15g NaOH水体系中循环三次降解聚对 苯二甲酸乙二醇酯的剩余质量图。
比较例1
将10g聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料溶解在15g NaOH和80mL蒸馏水混 合溶液后加入反应器皿中，分别在10℃，25℃和40℃条件下，强力搅拌8 h后，在高速离心机中以8000rpm转速离心分离得到上清液，检测液相产物， 沉淀物用水洗涤离心数次，得到剩余固体塑料。将其放入真空干燥箱干燥若 干小时，称重，计算剩余质量和转化量。利用上述剩余塑料重复实验两次， 计算连续降解效果。
对应用例1和比较例1得到的降解塑料的质量结果进行对比，结果见图3， 发现在10℃以及25℃和40℃条件下对苯二甲酸乙二醇酯的降解效果均不 如-5℃条件下优异。
比较例2
将10g聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料分别溶解在5g NaOH，10g NaOH， 15g NaOH，20gNaOH，和80mL蒸馏水混合溶液后加入反应器皿中，在-5℃ 条件下，强力搅拌8h后，在高速离心机中以8000rpm转速离心分离得到上 清液，检测液相产物，沉淀物用水洗涤离心数次，得到剩余固体塑料。将其 放入真空干燥箱干燥若干小时，称重，计算剩余质量和转化量。利用上述剩 余塑料重复实验两次，计算连续降解效果。
本比较例得到的降解塑料的质量结果见图4，发现适当提高碱的浓度有利 于塑料降解，碱浓度过高对降解效果提高影响不大，反而会使降解效率降低， 而且会造成不必要的浪费。
从图2、图3和图4可以看出，利用本发明的碱性和低温协同条件有利于 最大程度地降解聚对苯二甲酸乙二醇酯生成对苯二甲酸和乙二醇。
应用例2：低温碱性条件下降解商用PET塑料瓶生成对苯二甲酸和乙二 醇
将10g商用PET塑料瓶溶解在15g NaOH和80mL蒸馏水混合溶液后 加入反应器皿中，在-5℃条件下，强力搅拌8h后，在高速离心机中以8000rpm 转速离心分离得到上清液，检测液相产物，沉淀物用水洗涤离心数次，得到 剩余固体塑料。将其放入真空干燥箱干燥若干小时，称重，计算剩余质量和 转换量。利用上述剩余塑料重复实验两次，计算连续降解效果。
图5示出了本发明连续降解商用PET塑料瓶的结果图。从图5可以看出， 利用本发明的碱性和低温协同条件可以实现商用PET塑料瓶的有效降解。
以上实施例和比较例可以看出，本发明利用低温和碱性条件协同高效降 解PET塑料。降解所需试剂易得、价廉、可循环使用，便于分离，方法简单 实用、高效、环境友好、便于规模化应用。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当 指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下， 还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要 求的保护范围内。