Synthetic polymers play a crucial role in modern society, being important materials for science and technology development and for maintaining high standard of living. Indeed, they are very low-cost materials but can assure excellent properties in terms of inertness, elasticity, and mechanical resistance, and they are hardly replaceable. However, because of their stability and durability, they create a threat to the environment when they are discarded after use. This holds particularly true for polyethylene terephthalate (PET), the sixth most- produced plastic worldwide, which has the highest ratio between generated waste and produced plastic. Indeed, most PET products are designed to have a very short shelf-life, and their uncontrolled disposal generates an enormous amount of wastes, causing a severe “pollution by accumulation”. For decades, the plastic industry has never addressed this issue, but at present our society is encouraging the development of recycling industries around the world, with a special focus on polyethylene terephthalate. PET, indeed, has a great recycling potential as it can be treated in many ways, such as thermal, mechanical or chemical methods. In particular, the latter is the current best available technique for recycling the contaminated and blended PET wastes (for example, textiles), and it is the only one really acceptable in terms of sustainable development and circular economy since it allows an up-cycling of the treated wastes. This thesis work focuses on the study and optimization of two unit operations related on a patented process for the hybrid depolymerization of waste PET textile fibers. In particular, the extraction of bis (2-hydroxyethyl) terephthalate (BHET) from the products obtained from the waste PET depolymerization by glycolysis has been investigated, together with its subsequent transesterification to dimethyl terephthalate (DMT). With the aim of extracting the monomer BHET and separating it from the residual cotton which remains unreacted inside the products of the depolymerization, a study of BHET solubility has been conducted in order to find a good solvent able to perform the extraction. In addition, extraction tests have been carried out to verify the theoretical results. Once pure BHET has been obtained, it undergoes a transesterification reaction with methanol to yield dimethyl terephthalate, since the latter can be much more easily separated and purified. Therefore, the BHET to DMT transesterification reaction has been investigated in a systematic way considering the influence of different parameters on the system, which are the methanol to ethylene glycol (EG) molar ratio, the solvent to oligomers molar ratio and the mass fraction of catalyst. A kinetic model able to describe the system has been identified based on the experimental data. The model was then used to predict the behavior of the system in a wide range of operating conditions in order to determine the best ones to get the desired outcomes (i.e., yield of DMT).

I polimeri sintetici svolgono un ruolo cruciale nella vita moderna, essendo materiali importanti per lo sviluppo della scienza e della tecnologia e per il mantenimento di un elevato standard di vita. Infatti, sono materiali a basso costo ma in grado di assicurare eccellenti proprietà in termini di inerzia, elasticità, e resistenza meccanica, e sono difficilmente sostituibili. Tuttavia, a causa della loro stabilità e durata, si rivelano essere una minaccia per l'ambiente quando vengono scartati dopo l'uso. Questo vale in particolare per il polietilene tereftalato (PET), la sesta plastica più prodotta al mondo, che ha il più alto rapporto tra rifiuti generati e plastica prodotta. Infatti, la maggior parte dei prodotti in PET è progettata per avere un tempo utile di utilizzo molto breve e il loro smaltimento incontrollato genera un'enorme quantità di rifiuti, causando un grave "inquinamento da accumulo". Per decenni, l'industria della plastica non ha mai affrontato questo problema, ma attualmente la nostra società sta incoraggiando lo sviluppo di industrie di riciclo in tutto il mondo, con particolare attenzione al polietilene tereftalato. Il PET, infatti, ha un grande potenziale, in quanto può essere trattato in molti modi, come metodi termici, meccanici o chimici. In particolare, quest'ultima è la migliore tecnica attualmente disponibile per il riciclo dei rifiuti contaminati e misti di PET (ad esempio, tessili), ed è l'unica realmente accettabile in termini di sviluppo sostenibile ed economia circolare, poiché consente un up-cycling dei rifiuti trattati. Questo lavoro di tesi si concentra sullo studio e sull'ottimizzazione di due unità relative a un processo brevettato per la depolimerizzazione ibrida di scarti di fibre tessili in PET. In particolare, è stata studiata l'estrazione del bis (2-idrossietil) tereftalato (BHET) dai prodotti ottenuti dalla depolimerizzazione dei rifiuti tessili in PET mediante glicolisi, e la sua successiva transesterificazione in dimetil tereftalato (DMT). Con l'obiettivo di estrarre il monomero BHET e separarlo dal cotone residuo che rimane non reagito all'interno dei prodotti della depolimerizzazione, è stato condotto uno studio sulla solubilità del BHET al fine di trovare un buon solvente in grado di effettuare l'estrazione. Inoltre, sono state effettuate prove di estrazione per verificare i risultati teorici. Una volta ottenuto il BHET puro, esso viene sottoposto a una reazione di transesterificazione con metanolo per ottenere il monomero DMT, poiché quest'ultimo può essere separato e purificato molto più facilmente. Pertanto, la reazione di transesterificazione da BHET a DMT è stata studiata in modo sistematico considerando l'influenza di diversi parametri sul sistema, quali il rapporto molare tra metanolo ed etilene glicole (EG), il rapporto molare tra solvente e oligomeri e la frazione massiva del catalizzatore. Un modello cinetico in grado di descrivere il sistema è stato identificato adattando i dati sperimentali. Il modello è stato poi utilizzato per prevedere il comportamento del sistema in un'ampia gamma di condizioni operative, al fine di determinare quelle migliori per ottenere i risultati desiderati (ossia, la resa in DMT).

PET textiles upcycling: analysis of the monomer extraction and separation unit and modeling of its transesterification reaction

MEINI, SERENA
2021/2022

Abstract

Synthetic polymers play a crucial role in modern society, being important materials for science and technology development and for maintaining high standard of living. Indeed, they are very low-cost materials but can assure excellent properties in terms of inertness, elasticity, and mechanical resistance, and they are hardly replaceable. However, because of their stability and durability, they create a threat to the environment when they are discarded after use. This holds particularly true for polyethylene terephthalate (PET), the sixth most- produced plastic worldwide, which has the highest ratio between generated waste and produced plastic. Indeed, most PET products are designed to have a very short shelf-life, and their uncontrolled disposal generates an enormous amount of wastes, causing a severe “pollution by accumulation”. For decades, the plastic industry has never addressed this issue, but at present our society is encouraging the development of recycling industries around the world, with a special focus on polyethylene terephthalate. PET, indeed, has a great recycling potential as it can be treated in many ways, such as thermal, mechanical or chemical methods. In particular, the latter is the current best available technique for recycling the contaminated and blended PET wastes (for example, textiles), and it is the only one really acceptable in terms of sustainable development and circular economy since it allows an up-cycling of the treated wastes. This thesis work focuses on the study and optimization of two unit operations related on a patented process for the hybrid depolymerization of waste PET textile fibers. In particular, the extraction of bis (2-hydroxyethyl) terephthalate (BHET) from the products obtained from the waste PET depolymerization by glycolysis has been investigated, together with its subsequent transesterification to dimethyl terephthalate (DMT). With the aim of extracting the monomer BHET and separating it from the residual cotton which remains unreacted inside the products of the depolymerization, a study of BHET solubility has been conducted in order to find a good solvent able to perform the extraction. In addition, extraction tests have been carried out to verify the theoretical results. Once pure BHET has been obtained, it undergoes a transesterification reaction with methanol to yield dimethyl terephthalate, since the latter can be much more easily separated and purified. Therefore, the BHET to DMT transesterification reaction has been investigated in a systematic way considering the influence of different parameters on the system, which are the methanol to ethylene glycol (EG) molar ratio, the solvent to oligomers molar ratio and the mass fraction of catalyst. A kinetic model able to describe the system has been identified based on the experimental data. The model was then used to predict the behavior of the system in a wide range of operating conditions in order to determine the best ones to get the desired outcomes (i.e., yield of DMT).
BRIVIO, LORENZO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
20-dic-2022
2021/2022
I polimeri sintetici svolgono un ruolo cruciale nella vita moderna, essendo materiali importanti per lo sviluppo della scienza e della tecnologia e per il mantenimento di un elevato standard di vita. Infatti, sono materiali a basso costo ma in grado di assicurare eccellenti proprietà in termini di inerzia, elasticità, e resistenza meccanica, e sono difficilmente sostituibili. Tuttavia, a causa della loro stabilità e durata, si rivelano essere una minaccia per l'ambiente quando vengono scartati dopo l'uso. Questo vale in particolare per il polietilene tereftalato (PET), la sesta plastica più prodotta al mondo, che ha il più alto rapporto tra rifiuti generati e plastica prodotta. Infatti, la maggior parte dei prodotti in PET è progettata per avere un tempo utile di utilizzo molto breve e il loro smaltimento incontrollato genera un'enorme quantità di rifiuti, causando un grave "inquinamento da accumulo". Per decenni, l'industria della plastica non ha mai affrontato questo problema, ma attualmente la nostra società sta incoraggiando lo sviluppo di industrie di riciclo in tutto il mondo, con particolare attenzione al polietilene tereftalato. Il PET, infatti, ha un grande potenziale, in quanto può essere trattato in molti modi, come metodi termici, meccanici o chimici. In particolare, quest'ultima è la migliore tecnica attualmente disponibile per il riciclo dei rifiuti contaminati e misti di PET (ad esempio, tessili), ed è l'unica realmente accettabile in termini di sviluppo sostenibile ed economia circolare, poiché consente un up-cycling dei rifiuti trattati. Questo lavoro di tesi si concentra sullo studio e sull'ottimizzazione di due unità relative a un processo brevettato per la depolimerizzazione ibrida di scarti di fibre tessili in PET. In particolare, è stata studiata l'estrazione del bis (2-idrossietil) tereftalato (BHET) dai prodotti ottenuti dalla depolimerizzazione dei rifiuti tessili in PET mediante glicolisi, e la sua successiva transesterificazione in dimetil tereftalato (DMT). Con l'obiettivo di estrarre il monomero BHET e separarlo dal cotone residuo che rimane non reagito all'interno dei prodotti della depolimerizzazione, è stato condotto uno studio sulla solubilità del BHET al fine di trovare un buon solvente in grado di effettuare l'estrazione. Inoltre, sono state effettuate prove di estrazione per verificare i risultati teorici. Una volta ottenuto il BHET puro, esso viene sottoposto a una reazione di transesterificazione con metanolo per ottenere il monomero DMT, poiché quest'ultimo può essere separato e purificato molto più facilmente. Pertanto, la reazione di transesterificazione da BHET a DMT è stata studiata in modo sistematico considerando l'influenza di diversi parametri sul sistema, quali il rapporto molare tra metanolo ed etilene glicole (EG), il rapporto molare tra solvente e oligomeri e la frazione massiva del catalizzatore. Un modello cinetico in grado di descrivere il sistema è stato identificato adattando i dati sperimentali. Il modello è stato poi utilizzato per prevedere il comportamento del sistema in un'ampia gamma di condizioni operative, al fine di determinare quelle migliori per ottenere i risultati desiderati (ossia, la resa in DMT).
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/196820