6
Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 45, 4, 2010, 379-384 ALKALINE HYDROLYSIS OF POLY(ETHYLENE TEREPHTHALATE) RECYCLED FROM THE POSTCONSUMER SOFT-DRINK BOTTLES D. Spaseska, M. Civkaroska Faculty of Technology and Metallurgy “SS Cyril and Methodius” University of Skopje Republic of Macedonia ABSTRACT The post consumer Poly (ethylene terephthalate)PET) recycling science was initiated by the fact that this polymer was non-degradable in nature, since its molecules were too large to decompose. There has been a growing need, however, for a chemical recycling process as one of the most successful method for post-consumer PET transformation into monomers. The solution of this problem seems to be in the creation of remunerative processes, for which post-consumer PET is used as a source material. This paper presents a review of works that cover PET waste recycling with alkaline hydrolysis of post-consumer bottles for their depolymerization to monomers (terephthalic acid). The process is carried out with sodium hydroxide and trioctyl methyl ammonium bromide (TOMAB) as catalyst within a relatively short time and temperature. A mathematical model of PET recycling has been derived according to the definition of a 2 3 factorial experimental design. The influence of the main factors on the alkaline hydrolysis conversion of the PET, as expressed by the yield of terepthalic acid (TPA), in ascending order, includes the process temperature and the amount of catalyst, but the hold-up time is negligible. Keywords: PET recycling, hydrolysis conversion, terephthalic acid, factorial experimental design, mathematical model of the process, hydrolysis time, amount of catalyst, hydrolysis temperature. Received 30 June 2010 Accepted 28 September 2010 INTRODUCTION Plastics make up a high proportion of waste the volume and range of which increases dramatically. Al- though plastics make up between 5 mass % and 15% mass of municipal solid waste it comprises 20-30 % of the volume [1]. Most plastics are non-degradable and take a long time to decompose, possibly up to hundreds of years although no one knows for certain as plastics have not existed for long enough, since they started to be land filled. PET is one of the versatile engineering plastics that are widely used in manufacturing of high strength fibers, audio and video tapes and various types of pack- aging, mainly soft drink bottles and jars [2-4]. The majority of the world PET production is for synthetic fibers (in excess of 60 %) with bottle production ac- counting for around 30 % of global demand. One of the main reasons for the widespread use of PET is the pos- sibility for producing a number of different grades over a broad range of molecular masses in a single multiproduct polymerization plant [5]. A very impor- tant feature of PET, decisive in the choice of its wide application in the manufacture of packaging for the food industry is that it does not have any side effects on the human beings. It should be pointed out, that PET does not create a direct hazard to the environment but, due to its substantial fraction by volume in the waste stream and its high resistance to the atmospheric and biologi- cal agents, it is seen as a noxious material [2]. There- fore, the recycling of PET does not only serve as a par- tial solution to the solid waste problem but also con- tributes to the conservation of raw petrochemical prod- ucts and energy. The huge amounts of PET products cause seri- ous environmental pollution, because commonly PET content reaches about 12 % in municipal plastic waste showing a slow rate of natural decomposition [1,6]. PET

2_Spaseska_379-384

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 2_Spaseska_379-384

D. Spaseska, M. Civkaroska

379

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 45, 4, 2010, 379-384

ALKALINE HYDROLYSIS OF POLY(ETHYLENE TEREPHTHALATE) RECYCLEDFROM THE POSTCONSUMER SOFT-DRINK BOTTLES

D. Spaseska, M. Civkaroska

Faculty of Technology and Metallurgy

“SS Cyril and Methodius” University of Skopje

Republic of Macedonia

ABSTRACT

�������������� ����������������� ������������������ ���������������������������������������������������

��������� ������������ ���������������������� �������� �������������������� ������������� ���������������� �

�� � �� ������� ������� ����� ��� ������ ��������� ���������������� �� ����������� ����� � ���� ������ ���

����� ������������������������ ������������������������ ��������� ���� ������� ���������� ����������������

�������������������� ������ ����

��������� �� �������� ����������� ����������� ����������� ���������������������� ��������������������

���������� ����� ��������� � ������������� ����� �������������������� ��������� ����������������������� �!������

� ���������������������� ��������"#$%��������������������� ������������� ��������������� ��� ��

$�������������������������� ���������������� ������� �������������������������&'����� �����!�� ������

��������������������������������� ������������������� ���������� ��������������������!� ���������������������

�� ���������������$������������� �� �������������� ���������� ��� ������������������������������������������

������������������

(���� ��)������ ���������� ���������� ������� ������������������ �����!�� �������������������������

�������������� ��������� ���������������������������������� ������������ ��� ��

Received 30 June 2010

Accepted 28 September 2010

INTRODUCTION

������������� �������� �� �������������������

���������������������������������������������������

������� ������������ ����������������������������

�������� �������������������� ������� �! ���������

������"�#��$���� ����������������������������������

������������������ ���%� ��������� ���������������

������&������������������������������������� �������

����������'���������������������%����������������������

���������������

�()������������������������������������� �������

�����������������������������������������������������

������%������������������� ����������������� ������ ���

�����%������� ����� ����� �������� ���� *���� "��+#�� �)��

�*��������������������()� ��������������������������

������� ,����'��������- ��.������������� �������������

��������������������! ��������������������/���������

������������������������� �������������()�������� ���

������������� �����������������������������������������

�� ������ ������ ��� ��������� ������ ��� �� ������

���� ������� ������0������ �����"�#���������� ���

�����������������()%�����������������������������������

� ������������������������������ ��������������������

���������������������������������������������������������

�������������1������������ ����������%�������()�����

����������������������0�������������������������%����

�������������������������������������������������������

����������������������������������� ������������������

����������%�������������������'�������������"�#��)�����

����%�������������������()�������������������������� ���

��������������������������������� �������������������

������������������������������������ ������������ ����

����������������

)�������������������()� �������������������

����������������� ��������%�����������������()

����������������������������������� ��� ������������

����������������������������������� ��������"�%-#���()

Page 2: 2_Spaseska_379-384

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 45, 4, 2010

380

������������������� ��������������������������������

����2��������%������������������������������������ ������

�����������������������������������������������������

����������������������������������������������������

����������)�������������' ��������������������������

�()�������������������������������������� ��������������

���������������� �������������������� ���������3����

������������������������������� �����������������������

�����������������������������()���������������()

��������������������������������������� ������"4���#�

/��������������� ��������������������()����

�������������������������������������������� ������������

��������������� ������0����������()��������������%���

��������� ������0�����������������������������������

������������)������������������ ��������������������������

��������������������������,������.��������������

������ ���������%����������� ����������������'�������

��������,������.������()� ����������

5���������%������������%�����������������������

������������������������������������������� ��������

�����()�"�%�!#�

6���������� ���������������()��������������

�����������������������������������������������������������

������ ����������������������()�����������������������

)�������(5��7���������%������������ �������������

�������� ����������������������������()%���������������

��������������������� ��������������� �������������)���

6���������������������������()�����������������������

�������������()����������������������%�������������������

����������%������������������ ������0�����������������

���������� ����������������������������������)��������

�����������������������������! �������������������

����������������������� �������%�������8��������������

�����%������������������������������0����"�!�� #�

�����������������������()�����������������������

��������������������8��������������������������3�/6%

���9/6�����������������������+�� �������"�%��+#��)��

��������� ������������(5��������������������� �����

����������)���3���������)��������������������������

�����0�����������������������'����������������������

����������,�����6�:/

+.��� �������������8�������������

���������������()%����������� ����������������8���

������������������������� ������"��#��)��������������

���������,�����������'���%�������������������.�������'��

������������������������,�������%�����������.���������

�������������������)���������������������������������

���������������������������������������� �����������

�()����������������������������� �%������0����()

���%���� ������� ��������,;��������.�"�#���)��� ���

��������������������� ������������������������������������

9��������������"��#�������������� ��������������

�������������������������������0�����������������0��

��������������������)���� ������������������������������

���������� � ������ ����� ������������������� ����� �����

���� ������������������������������� ����������

)��� ������%������:�����:�����:������������0��

�����"�!%��+#����� ��������������()� ���������8�����

�������' ����������� ������������ ��������������

�������������������()��������:����������������� ���

����0���������������������%�������� � ��������������������

����������������������������������������� ������0�����

������ �������������������� �������<������������

�����������������%� ������������������������� ��

����� ������ ���������%�����������������������������

�������������"��#��������� ��������������������������

"�-#��)���������������� ����������������������������=>��

��� ������0������������ ������0����������()�"�4#�

)��������������������������()������"��#%���������

����"�>#�������������� ����������������������%��� ����

����� ���� ����� ����������%� ���� ����� �������� ���?�� :�

�������������5�����9������������"�!#��/��������������

�������������������������� ���� �������������������()�

����%�������� �����������������������������������������

�����2

����������������������������������������������

����������� ����

1��������������5�����9����������������?��:�

��������� "�>%��=#������������ ������������ @�?���������

"! #%��������������������������������������� �����

�������������������� �������� �����������������������

����������� ������0�������������� �������������)���%

��������������()�������������������������� ������������

������������������������ �����%������������������������

������������������������ ������������ ���������������

�������� ������������������������������������������������

����������������%��������������������������� �����������

�� ������ ��������������������' ��������������������

A��BC �0�D��������������"!�#��������������������

����������������������������������������%�������%���������

��������8���������� ��� ���������������������

��� �����������������������������������������������������

�()%����������������������������������������������

Page 3: 2_Spaseska_379-384

D. Spaseska, M. Civkaroska

381

��������������������0��� ��������)������������������

��� ������8�����������������'������������������

�������� ������� ��� ���� �' ��������� ����������������

������������ ���������������� ���,������������� �����

����.�����������������������������������������%��� ��

����������������������� ���������� ���������)��� ���

������������������������������������������0������

������0����������������� ��������������������������������

�������������������������������������������������8������

�����������)��������������������������� �������������������

��0��� ��������� ��������� �������������� ��� �����������

������������� ����' ����������������������������������

������������������������������������������������ ����

������������8���������� ��� ����������%�������������

���������������������������������������������������

���������������� �����������������������

)��� ��������������������������������������

����()��� ������0������������������������������������

���������������

$������������������������� ��������������������

���������������������������������������� ������%����

������ ��� ���������� ������������������������ �������

������� ������������������������� ���������,�����

�������������������������� �������.�"!��!+#��1����������

����������������������������������������������������

����������������������)����������������������� �������

��������%����� �������%������� ������������������

������������������� ������%�������������������������)��

�����������������������������������������������������������

�������������������������������������������()���������

EXPERIMENTAL

��������

)��� ����������� �����������()��������� ����

������ �����������������������������������������������

�� ������0��������()�������������������8����������

���������0�����-��

���� �������������������������������������

)������������� ������0���������������������

����������������������������������������������������

9��������������"��#��1������������������������������

��������������� ����������� ������0������ ������%����

�' ������������������������������������������' ����

�������������"!�#��)����� ������0������������������

��������������������������%���B��������������������

�8�� ���������������'����������%�������������������

���������������������������������������B�������������

�����'�������������,����������.%��������������������

��������������������������������������������� �������%

> ������� E7��������������������������������������

�����'�����������������������������'���������������

)�����������8������������()�������,�������.��������

���������,���������������������������%�)/$�F.

�����������������)���������������������������������'�

������������������������������!�����������������������

������������%������������������������������0������ 6�4

�����6�:/

+�������������������������������������,5

!.��)��

)�����������'��������� ���� �������������������������

6�:/

+��������� 6�����!��1����������������������������

������������5!�������������������������������������)��

������������)��� ���������������������������������

����� E7��������������)��������������������()���������

������������������������������������'���������������5!

��������������)����������()������������������������

����� �����%� ������ ��� �� ������ ����� ��� �� E7� ���

��������

)�������������������� ���������������������

�����2

����������� ��������,'�.���> ������� E7

�����������������������,'�.2� %�������% ���G����()

�������������,'!.2�!���������

)��������������)������������������������������������

,�.�)��� �����������������������()�������������������

�������������������8������2

�()�������������,�.�H�,I��()%

�&�I��()%�

.�� �G�I��()%

�����%�*��()�

�����*��()����

�������������������������������

��������()%���� ���������

RESULTS AND DISCUSSION

�()������������������0�����������������'���

�������������������������%�3��)��

������������������

��������������������������:��������)��������3��)��

������������������������=>������ �������������� ���� ��

���������)���

1�����������������������'��������������������������

�������� ���������()����������8����������������������

,3�/6.��)��� ����� ��������� ��������� ��������������

�������������,)/$�F.����������������8�������

����������������������������������������������������

������������������)������������ ������������������������

�������������������'��������������������������� ����

,�'����������������.��������������������,�����������

Page 4: 2_Spaseska_379-384

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 45, 4, 2010

382

�������.��1����������������()����������������

������������������� �������������������������������������

/6������������� ������0����)������� ��������������

������������������������8������ ���������������������

���������� �������������������3�J��)������������ �������

�������� ������� ������0����������()����3��)��%������

����������������������������8������ �����"! #�

D��� ���� �� ������� ����������������� ������ ���

�������������������)������ ������� ��������%��������

�������%���������������������������������� ����%������'�

�����������������������������������������������������'�

���������������%���������������������������������������

�������������������� �������"!�#��)�������������������������

�������������������� ��������������������������������

����������� ���������' ��������������������������������

����%��������������)������������������)�������������������

���� ������������)��������D��������' �������������������

�������%��������������8�����������������������������������

��������)�������������������������������� 2

K�H���%4��J�!%��;��J�!4%���;

��J�!%��;

�;

��J�+�;

�;

!�&

�%4��;�;

�;

!������������������������,�.

)����8�����������������������������������������

������������������������� 2

��H��-�%�� ��&��%�>=��'��&���4� %��-!�'

��&�!-%�=4+�'

!

J� �!=%+4!4'�� '

��J� %!�4>� '

�'!�J� !++4%!->+� '

�'!� &

! %�-!�� '�'�'!

�����������������������������������������������,�.

)����� ������������������������)�������������

���������� ����������������������������������%��������

���� ��� �8������� ,�.� ���� ��������� ���D����� ����D����%

��� �������������������������������������� �,�.�����D����

)��������K��������)�������� ����������� ������� ��

��������

Fig. 1. Effect of temperature on the amount of TPA producedduring alkaline hydrolysis of PET with the amount ofcatalyst and time fixed at the varied levels.

Scheme 1. Chemical reactions involved in the process.

No. X1

t/ 0C

X2

Catalyst conc. mol(x0,01)/mol PET

X3

Time / h

Y

TPA / % w.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

80 120 80

120 80

120 80

120

0,1 0,1 2,0 2,0 0,1 0,1 2,0 2,0

3 3 3 3 5 5 5 5

32 15 80 100 5 22 92 100

Page 5: 2_Spaseska_379-384

D. Spaseska, M. Civkaroska

383

����D����������� ������� ��������%��� �����������

����������������������%�������� ������������������)��������%

�������������� ����%�����������������������������%������

�������������������)����������������������������������

���������������������� ���������,�8��������.%��������

�' ��������������������������������������������,K.����

���� ��������L����������������������M�

CONCLUSIONS

�()��� ������0�������������������������

��������� �������������������)��� ����������

�������� ��������������������()��������������

���� �������������������������� �������������������

����������������������������������������������%������

������������

)��������������������������� �������������������

������ ��� ������� �������� ��������������� �����()

������������������

)������������)����������������� �������������

����������������������������������%��������������� ����

����� ������� �������� ��� ���� ������������� ��������� ��

�����������

)��������������������������������������' ������

�����������������������()�?� ������0�����%���������

������������������ ��������

)����' �������������������������������������

������������������������������������������������������

�������������()����������� ������0������ ���������

����������������� ��������������)���

Fig. 2. Effect of the amount of the phase transfer catalyst(mol cat/mol PET) on the terephthalic acid produced duringalkaline hydrolysis of PET.

REFERENCES

������)��I������%�I�����)������������?�� ���������

����@����I�����N�:���%�I������%�5�����%�� -�

���@��:������%�7�� ����+2�A�������������()M%�������

A��������%�I����� :������ ���������� :������%� @���

I�����N�:���%�:����'%��==>�

!��?�� ���0��%� � )�� : ����*%� 7������� ���������� ��

���,������������� ��������.%�1����(����7����A���%���%

�==4%� �!4!��!>!�

+��K��:�����������%�7�����������������������8�������

�������%�$���������� @���5���%� ���%� !%� �===%� �+-�

�+=�

���O�$��3����%��A������������������������1�2�6����

�������)���� �������������������(������:��D�����%

��� �%�I������%�5�����2�I�����O76%� � �%� �

���!���+=� �

-�����$��(���%�$��6����%�$��$��������%�3�:�������%�)�:�

@�����%�9��F���%�9��@����%���� �������������,(�������

)��� ��������.�?����������� �������������B���� ���

(������������?����������%��������?����������

����:��������%������%��==�%��!����!�

4��?�(��3����%�$�:��D������%�3���$�����������������

?� ������0���������������?����������������,(���

������)��� ��������.�,�().�I����2���A�����%�$���

�����������$�������������(����������%����%�� �%

�!�! �

>�����D����%����?�����%��A�������������()%�(��� ���

�������@������%���%�4%�� �%��+�!��-=>�

=��7��$�����%��������������)��� ���������I��������%����

�%� � �%� � ��� -�

� �� ��� �����%� ��� ���%�7���������0������ ��� :���

����,���������)��� ��������.%�(��� ����������

@������%���%�=%�� %��>4���>>+�

�������/�������%����$��0����%��A����������()�F���

������F�����������1 ���������� ������%�������

1������������%���%�� +%�4�>�4!��

����?�$��D���%�:�9��6����%�@�K��B��%� �9�����������

)������7����������������A�������������1��?�����

7�������7��������0������:����������F������A�������

�����(������������()%��@����������� ����������

���:������%���%�>%��==-%��!4���!>��

�!��?�:����������%� �5����9�����������%�)���7������

A��������������()���������������������:�������

�����?����� ���%�I����%����%�����:�������������2

D�����+2��� +%�!>��!=-�

�+����$�� :�������%� ����������A��������� ����I����

Page 6: 2_Spaseska_379-384

Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 45, 4, 2010

384

$����������������<:%�A��������%�7�����������

����A��������%�� %�� %���!��-!�

����5��5����%�)��K���������%�:��/0����%�$��/����%

6�������������I������������������)��� ������������

7���������0���������������������?������������:����

�����7���������%� )���������������%����%� �%

� !%� �=!�� ��

�-��5��5�����%�I��9�����%�5��D�������%�6���������

�������,(��������)��� ��������.������D���������F��

A������%��������?���������������:��������%� �%��%

� +%� �4���4��

�4��$��A��������%� (�� @����%�$�7�7�� D�����%�5�

D�������%�O��)��%�$��K������%�$�6������*�%�A�$�

B���%��:�������6������������������������������

����������)��� ����������������������������������

7��������7����������%�@����������� ����������

���:������%����%�-%�� -%���>+����=��

�>��<:��������--+=4=�2�$���������7�������A��������

����������������)��� ���������I����%�� !�

�=���������I/G� �G ->�>�2�)���$���������7������

A������������������������� �)��� ���������I����%

� ��

� ��?��7����%�5��7��%�7�?P�������%��7�������A��������

�������,(��������)��� ��������.�,�().����6�������

��������5���������%�(������������:���������������

�������A�������%���%�-%�� !%�!= �!=+�

�������/�%�B��6�%�(��K����%����������� ����������

�()�����������������'������������8������������

����������2����������������������������� ������������

�������������������%�@��� ���������:���%���%��==4%

�>=�- ��

���� O�� 9������%� ?�:�� ��������%� 5�� 9�����������%

����,������������� ��������.�����������������������

������� �������� ��������������9������������� ����

���������������0���������������������Q%�$�������

$������(����� �%�� �%�-+ &-+4�

�!��9��9����%�@�$��)�������%�:����������������� �������

0��������� �������2������������������� ������%�������

�������)��������(���%�� %�!%��===%�++��+�4�

�+�� 3�� D��������%� ��6�� B������0%� 9�� 9����%� @�$�

)�������%�������(����:���%���%�-%�� %��++4��+->�

���� 3�� D��������%� ��6�� B������0%� 9�� 9����%� @�$�

)�������%�$������������%���%�� %������+ �

�-��?�����%�9��9����%�$�����������%�$�������������

7����������6�� ������������������F��������

(�������:������������0�����%�@��� ���������:���%���%

�==�%� �+!���++

�4�� F��0��� :��������� 6�������� %� 6������

6�������%7�������A��������� ��� �()������ :����

:�����:������������0������)���������%�5�(7�� 4�

�>��5��9�����������%����7���0����������%�?�:����������%

�()��������������������������� �������� ������������

���������������������%������������)�������%���%

������� �%���� &��=�

�=��5����9������������%�:����?������%�7�������A����

�������������,������������� ��������.%�$����������

����$��������� ����(����������%����%� �%� � 4%��>�

�+-�

! ��@��?��%���F��6������%�O��:���%�����������%��������

������������������,�������������� ��������.���� ����

���������� ����������������������%�1������@���������

7�������)���������%������ 4%��4!��44�

!���A��BC �0�D������%�$�����5��0R��0�$�����%�@��A�

5��0R��0�O������%�@��1��5���S���0��/���0%���������

������ ��� ���� �� ������������� ��� � ���,��������

���� ��������.���� �������������������������������

����������%�@����������7�������)����������N�F���

����������%� �%T�%�� =%�=��==�

!���:�3��:�����%�������������� �� ��������� ������� �

�������������������%�B��������%��=4!%�,���A������.�

!!��7�����6��7���%�7����K����7���%�K��I���B�%

7�����D����$��%�I���)����B���%�:����������������

��������� ���,������������� ��������.�������������

����������� ������������������� 11��D����������'�

���������������%�@����������� ������������:���

����%! �%�4%�� �%�=�-�=-��

!+��7�����6��7���%�:���������������������� ���,��������

���� ��������.� ��������� ���� ����������� �����

��������������111��D��������������������%�@���������

� ������������:������%T "%T��%�� !%�� +�� � �