《Waste Management》：Process optimization and techno-economic analysis of polyethylene terephthalate (PET) depolymerization in a non-aqueous alkaline environment for monomer recovery and reuse
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PET碱性解聚工艺通过响应面法优化温度、NaOH浓度及反应时间，臭氧预处理与超声辅助显著提升效率，最优条件下83.58% TPA和92.14%总单体回收率达国际先进水平。技术经济分析表明72 MT/天产能规模下，产品最小售价1533美元/MT具商业化竞争力，敏感性分析指出原料与设备成本是主要经济驱动因素。
Aakash Chakraborty|Damián J. Castillo-Preciado|Beza Moges|Zannat Mahal|Kang Kang|Arturo Sanchez|Sudip K. Rakshit
生物精炼研究所（BRI）和加拿大安大略省桑德贝市莱克黑德大学化学工程系，邮编P7B 5E1
摘要
本研究采用响应面方法（RSM）对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）在碱性条件下的解聚过程进行了全面研究，重点考察了温度、NaOH浓度和反应时间这三个关键工艺参数。在第一阶段，研究了臭氧预处理与超声波辅助对解聚效率的联合影响，发现两者之间存在正相关关系。在第二阶段，通过RSM优化结合臭氧预处理和超声波处理后，对苯二甲酸（TPA）的回收率为83.58%，总单体回收率为92.14%。值得注意的是，即使在没有预处理的情况下，应用RSM优化的条件处理原始PET样品也能获得类似的结果，这突显了统计优化工具的重要性。通过对日产量从2.4到72吨不等的工厂进行技术经济分析，得出TPA的最低售价为1,533美元/吨，使其具有与原始TPA及其他解聚方法竞争的能力。敏感性分析表明，原料成本和设备成本是主要的经济影响因素，为成本优化提供了潜力。
引言
由于塑料及其衍生产品的耐用性、抗降解性和低成本，它们已成为不可或缺的材料（Jiao等人，2024年）。预计到2060年，全球塑料消费量将从4.6亿吨增加到12.31亿吨，这一增长与全球经济产出的增长密切相关（Devi和Kumar，2024年；Statista，2023年）。包装行业占据全球塑料使用量的最大份额（44%），每年产生约1.426亿吨塑料废物（Our World in Data，2019年）。
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）占全球塑料产量的约10%，广泛用于饮料瓶、食品容器和合成纤维（Chu等人，2021年）。PET是通过乙二醇（EG）和对苯二甲酸（TPA）的缩聚反应合成的（Volanti等人，2019年）。根据制造过程中的冷却速率不同，PET可以是非晶态热塑性塑料或半结晶态塑料，这些性质可以通过工艺调整来控制（Di Lorenzo，2024年；Gehring等人，2016年；Rastogi等人，2004年）。此外，通过共聚也可以改变PET的结晶度，例如通过加入环己二甲醇（CHDM）改性的PET（PETG），这种改性会破坏链的规则性并降低结晶度。这些成分差异为PET废物的处理带来了复杂性（Patel等人，2024年）。近年来，PET化学解聚技术的研究重点集中在甘醇解、甲醇解、氨解和水解等方法上（Al-Sabagh等人，2016年；Crippa和Morico，2020年）。水解可将PET分解为其单体TPA和EG（Mancini和Zanin，2007年；Sinha等人，2010年），该过程可在碱性、酸性或中性条件下进行。预处理与水解相结合可以提高解聚效率，但净成本效益因具体工艺而异，需要通过技术经济分析（TEA）进行验证（Carniel等人，2021年）。
本研究采用响应面方法（RSM）在甲醇环境中优化PET的碱性解聚过程，通过改变反应时间、温度和NaOH浓度来最大化TPA的回收率，并利用RSM方法研究了预处理和超声波辅助的效果。此前已有研究使用RSM预测了甲醇钠对PET的甘醇解性能[26]。PET解聚研究主要集中在工艺优化、效率提升和单体产率增加方面（Cao等人，2022年）。
目前，关于在溶剂介质中通过碱性水解解聚PET的深入经济和参数分析尚未展开。本研究将实验室规模的工艺参数优化与概念性的全规模工厂设计相结合，评估了质量和能量平衡、设备规模、公用设施需求以及整体技术可行性。同时，通过不同日产量下的分析，评估了最低售价（MSP），以便与原始TPA及其他解聚方法进行比较。此外，还进行了敏感性分析，以考察原料价格、甲醇成本、反应物费用、公用设施成本和项目寿命等因素对最低售价的影响。
实验材料
实验材料
实验中使用的非晶态PET（aPET）薄膜厚度为0.25毫米，密度为1.300–1.400克/立方厘米，折射率为1.58–1.64，结晶度为6.6%，购自英国Goodfellow Cambridge Limited公司（产品编号ES301445）。这些薄膜作为初始实验中PET样品的模型化合物。后消费PET瓶用于验证实验，并采用优化的RSM条件进行处理。收集了三种类型的后消费PET瓶并进行分类
初始未优化的PET碱性解聚及预处理样品的表征
初始的PET解聚实验基于文献中提供的工艺参数值进行（Bhogle和Pandit，2018年）。将PET固相聚合物薄膜置于甲醇钠（NaOH）溶液中，OH?阴离子会攻击PET大分子表面，从而在高温下实现PET的解聚。该反应生成对苯二甲酸根离子，随后与Na+形成二钠对苯二甲酸盐。接下来进行进一步处理
结论
本研究成功评估了使用甲醇钠进行的非水相碱性PET解聚过程，整合了工艺优化、材料表征和技术经济分析（TEA），以评估其潜在的工业应用潜力。超声波处理通过空化效应提高了解聚效率，对于经过臭氧预处理的PET，获得了88%的重量损失百分比（WL%）和74.50%的TPA回收率。FTIR和XPS表征证实了羧酸和羰基官能团的形成
作者贡献声明
Aakash Chakraborty：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据整理、概念构思。Damián J. Castillo-Preciado：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据整理、概念构思。Beza Moges：数据整理、概念构思。Zannat Mahal：数据整理。Kang Kang：撰写 – 审稿与编辑。Arturo Sanchez：撰写 – 审稿与编辑、数据整理、概念构思。Sudip
资助
作者感谢加拿大生物精炼和生物能源过程研究主席计划（Tier 1）（CRC文件编号950–231983：Sudip K Rakshit）的支持，以及MITACS项目的资助（IT38913：Damián J. Castillo-Preciado）。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。
