PET废塑料低温碱水解法制备高纯度对苯二甲酸(TPA)的工艺优化与表征研究

本研究针对PET塑料污染问题，开发了一种低温碱水解回收技术。研究人员通过优化PET:NaOH摩尔比(1:4)、水乙醇比例(20:80)和反应时间(1 h)等参数，在80°C温和条件下成功将废弃PET转化为高纯度对苯二甲酸(TPA)，产率达99.5%。该技术实现了反应溶液循环使用5次仍保持高效降解，为塑料循环经济提供了绿色解决方案。

　　

在当今塑料污染日益严重的背景下，聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)作为最重要的工程塑料之一，其全球年产量已超过5000万吨，且以每年5%的速度持续增长。这种广泛应用于纺织纤维、饮料容器和塑料薄膜的材料，由于其分子结构中酯键在自然条件下的稳定性，难以自然降解，导致在环境中大量积累。预计到2050年，全球塑料废弃物总量将达到330亿吨，给生态环境带来巨大压力。

传统的塑料处理方式主要依赖焚烧和填埋，这些方法不仅会导致塑料泄漏进入环境，产生微塑料污染，还会释放大量温室气体。随着环保意识的增强和可持续发展理念的推行，开发有效的塑料回收策略已成为全球关注的焦点。化学回收法被认为是最有前景的处理方式，其目标是将塑料废弃物转化为有价值的化学原料，实现塑料行业的循环经济。

在这种背景下，来自叙利亚拉塔基亚大学化学系的Mayas Saad、Abdelkarim Elhamad、Mohammad Deeb和Hussam Alrakkad研究团队在《Heliyon》期刊上发表了一项创新研究，他们开发了一种低温碱水解技术，能够在温和条件下将废弃PET塑料高效转化为高纯度的对苯二甲酸(TPA)。TPA是生产PET和增塑剂的重要化工原料，传统上来源于石油等不可再生资源。通过从废弃PET中回收TPA，不仅能够减少对化石燃料的依赖，还能有效解决塑料污染问题，实现资源的循环利用。

研究人员采用了几项关键技术方法开展本研究。他们首先对收集的废弃PET水瓶进行预处理，包括去除标签、清洗和切割成均匀小片。核心实验采用低温碱水解工艺，在不同条件下(包括PET:NaOH摩尔比1:1-1:5、水乙醇比例50:50-10:90、反应时间0.5-2.5 h)进行反应优化。通过过滤和酸化沉淀步骤回收TPA产品，并利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、质子核磁共振(¹H NMR)和气相色谱-质谱联用(GC-MS)等技术对产物进行表征。特别值得注意的是，研究还系统评估了反应溶液的循环使用性能。

3.1. 反应条件优化

通过系统研究不同反应参数对水解效率和TPA产率的影响，研究人员发现PET:NaOH摩尔比对反应至关重要。理论上，1 mol PET需要2 mol NaOH进行完全转化，但实验表明当摩尔比达到1:4时，PET转化率从15.5%显著提高至95%，TPA产率达到93.8%。过量的NaOH(1:5)反而会因在PET表面形成屏障层而降低产率。

水乙醇比例优化结果显示，20:80的比例实现了最佳效果，PET转化率达到95%，TPA产率为93.8%。这一比例平衡了羟基离子的扩散效率和溶剂系统的极性，有利于 terephthalate离子的分离。反应时间优化表明，1小时为最佳反应时间，可获得99.5%的TPA产率，延长反应时间会导致副反应和TPA的部分重新溶解。

3.2. 反应溶液的再利用

研究证实反应溶液(水乙醇氢氧化钠混合液)可重复使用5个循环而保持高效的降解性能。仅在第三循环需要补充消耗的NaOH，这一发现显著提升了该技术的经济性和环境友好性。

3.3. 制备TPA的表征

FTIR光谱分析显示产物具有TPA的特征吸收峰：羧基在3200-2500 cm^-1范围，羰基在1695 cm^-1的强吸收峰，以及芳香族二羧酸的特异性振动峰，与标准TPA谱图高度一致。¹H NMR谱图在13.25 ppm显示羧基质子的宽单峰，8.03 ppm处出现苯环上四个化学等价芳香质子的单峰，质子积分比接近理论值4:2，进一步证实了产物为高纯度TPA。GC-MS分析表明TPA纯度达到98.3%，主要杂质为制备过程中残留的DMSO和醇类衍生物。

3.4. 与其他研究的比较

与以往研究相比，该方法在温和条件(80°C)下实现了近乎完全的PET转化(100%)和极高的TPA产率(99.5%)，而以往研究通常需要更高碱比例、更高温度和更长时间才能达到类似效果。

本研究开发的高效PET低温碱水解技术代表聚合物回收领域的重要进展。通过在80°C温和条件下使用水乙醇共溶剂系统，该方法实现了废弃PET的高效转化，最优条件下TPA产率达到99.5%。产物的高纯度经多种分析技术证实，过程的创新性体现在低温操作显著降低能耗、共溶剂系统促进高效解聚，以及反应溶液可循环使用5次而保持性能稳定。这些特点共同提升了该技术的经济和环境可持续性。

该研究成果不仅为PET回收提供了实用解决方案，也为其他含酯聚合物开发类似工艺建立了有价值的框架。这一成就向着更可持续的废弃物管理实践迈出了重要一步，提供了符合循环经济原则且保持工业可行性的实用方案，对推动塑料行业的绿色转型具有重要意义。