Geri Dön

Polietilen tereftalat (PET) atıklarının kimyasal depolimerizasyonu ve dioktil tereftalat (DOTP) üretimi

Chemical depolymerisation of polyetyhlene terephthalate (PET) wastes and dioctyl terephthalate (DOTP) production

  1. Tez No: 920496
  2. Yazar: NAGİHAN KINATAŞ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. VEDAT UYAK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 105

Özet

Teknolojinin gelişmesi ve sanayileşmenin artmasıyla pek çok alanda plastik kullanımı yaygınlaşmıştır. Tekstil, tıbbi ekipman, gıda ambalajı, otomotiv gibi sektörlerde kullanılan plastikler kullanım ömrünü tamamlamasıyla birlikte doğada bozunması çok uzun süren ve bertarafı zor olan atıklara dönüşmektedir. Bu sebeple atık plastik yönetiminde yenilikçi ve çevreci yöntemler geliştirilmesi üzerine yapılan çalışmalar dikkat çekmektedir. Bu alanda yapılan çalışmalarda atık plastiklerin bertarafı için geri dönüşüm yönteminin kullanılması gittikçe önem kazanmaktadır. Plastik atıkların geri dönüşüm yöntemi olarak mekanik ve kimyasal yöntem bulunmaktadır. Özellikle plastik atıklar için yaygın bir yöntem olan mekanik geri dönüşüm yöntemi maliyet açısından avantajlı olsa da belirli bir döngüden sonra kalite kaybı yaşanır ve işlenmemiş polimer ihtiyacı doğar. Kimyasal geri dönüşüm ise katma değerli ürünler üretilebilmesi ve döngüsel ekonomi modeline uygun olması nedeniyle sürdürülebilir bir yöntem olarak görüldüğü için hem akademik araştırmalarda hem de ticari açıdan popüler hale gelmektedir. Fiziksel ve kimyasal özellikleri sebebiyle günümüzde kullanımı artan plastik türlerinden biri olan polietilen tereftalat (PET), ham petrol kaynaklı kimyasalların esterifikasyonu ya da transesterifikasyonu yöntemiyle elde edilmektedir. PET atıklarının geri dönüşümü sayesinde hem petrol kaynaklı kimyasalların kullanımı azaltılacak hem de katma değerli ürün eldesi sağlanmış olacaktır. PET atıklarının bertarafında glikoliz, alkoliz, metanoliz, hidroliz, aminoliz ve amonoliz gibi kimyasal geri dönüşüm yöntemleri kullanılmaktadır. Depolimerizasyon olarak da adlandırılan kimyasal geri dönüşüm yöntemleri, reaksiyonda kullanılan çözücülere göre sınıflandırılmaktadır. Bu çözücüler aracılığıyla belirli reaksiyon koşulları altında gerçekleştirilen depolimerizasyon reaksiyonları katalizörün bulunmadığı koşullarda çok yavaş gerçekleşmektedir. Bu sebeple reaksiyon süresini kısaltmak amacıyla depolimerizasyon reaksiyonları çeşitli katalizörler eşliğinde gerçekleştirilmektedir. Metal türevleri, iyonik sıvılar ve derin ötektik çözücüler atık PET'in depolimerizasyonunda katalizör olarak kullanılmaktadır. Özellikle iyonik sıvıların yüksek maliyetinden dolayı PET atıklarının depolimerizasyonu alanında yapılan çalışmaların endüstriyel boyuta ulaşmasının zor olması sebebiyle reaksiyonlarda kullanılmak üzere farklı katalizör alternatifleri araştırılmış ve derin ötektik çözücülerin yüksek katalizör etki göstermesi bu alanda yapılan çalışmalara ilgiyi artırmıştır. Bu tez çalışmasında alkoliz yöntemi kullanılarak PET'in depolimerizasyon reaksiyonu ile kimyasal geri dönüşümü gerçekleştirilmiştir. Polimer bir madde olan PET'in izooktil alkol (2-EH) ile depolimerizasyon reaksiyonu sonucunda monomer bir madde olan dioktil tereftalat (DOTP) ve etilen glikol (EG) üretilmiştir. Ticari olarak dimetil tereftalatın (DMT) 2-EH ile transesterifikasyonu yoluyla elde bir plastikleştirici çeşidi olan DOTP genellikle polivinil klorür (PVC) üretiminde kullanılmaktadır. PVC üretim sektöründe yaygın olarak kullanılan dioktil ftalat (DOP) ile karşılaştırıldığında DOTP'nin daha iyi bir performans göstermesi sebebiyle DOP'un yerini alma potansiyeline sahiptir. Oldukça viskoz bir sıvı olan DOTP'nin giysi kaplamaları, şişe kapakları, oyuncaklar, membranlar ve tıbbi cihazlar gibi pek çok alanda uygulaması vardır. PET atıklarının kimyasal depolimerizasyonuyla hem PET atıklarının geri dönüşümü sağlanır hem de katma değerli ürün olan DOTP üretimi sağlanmış olur. Bu çalışma kapsamında depolimerizasyon reaksiyonu için sentezlenen bir derin ötektik çözücü (DES) katalizör olarak kullanılmıştır. Sentezlenen katalizörün karakterizasyonu için Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR), Termogravimetrik Analiz (TGA) ve Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) analizleri yapılmıştır. Yapılan analizlere göre sentezlenen katalizörün depolimerizasyon reaksiyonunda kullanımı için uygun olduğu görülmüş ve analiz ölçümlerinin literatürdeki analizlerle karşılaştırılması yapılarak katalizörün başarıyla sentezlendiği belirlenmiştir. Gerçekleştirilen depolimerizasyon reaksiyonlarında optimum koşulları belirlemek amacıyla reaksiyon süresi, sıcaklık, katalizör dozajı, PET/alkol molar oranı ve karıştırıcı hızı değerleri için optimizasyon çalışması yapılmıştır. PET dönüşüm verimi ve DOTP üretim verimi hesaplamaları yapılarak optimum reaksiyon koşulları belirlenmiştir. Reaksiyon süresi olarak 60, 120, 180 ve 240 dakika seçilerek reaksiyonlar gerçekleştirilmiş ve verim hesaplamalarına göre en yüksek verimin elde edildiği optimum reaksiyon süresinin 180 dakika olduğu görülmüştür. Sıcaklık için 160C, 180C ve 190C değerlerinde gerçekleştirilen reaksiyonlar sonucu optimum reaksiyon sıcaklığı 180C olarak belirlenmiştir. Ağırlıkça %1, %3, %5 ve %7 katalizör dozajında gerçekleştirilen reaksiyonlarda optimum katalizör dozajının %5 olduğu görülmüştür. Reaksiyonda kullanılan 2-EH miktarı için 1:2,5, 1:3, 1:4, 1:5 ve 1:6 PET/alkol molar oranı için optimizasyon çalışması yapılarak 1:5 molar oranının en uygun olduğu belirlenmiştir. Depolimerizasyon reaksiyonunun gerçekleştirildiği reaktörde kullanılan karıştırıcıda karıştırma hızı için 600, 900, 1200 ve 1500 rpm seviyelerinde reaksiyonlar gerçekleştirilerek optimum karıştırıcı hızının 1200 rpm olduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak atık PET'in depolimerizasyonu ve DOTP üretimi için gerçekleştirilen reaksiyonlar sonucunda 180C'de, 180 dakikada, ağırlıkça %5 katalizör dozajında, 1200 rpm karıştırıcı hızında ve 1:5 PET/alkol molar oranında %99,9 PET geri dönüşüm verimi ve %75 DOTP üretim verimi elde edilerek bu reaksiyon koşullarının optimum koşullar olduğu belirlenmiştir. Depolimerizasyon reaksiyonları sonucunda elde edilen ürünlerin analizleri için FT-IR ve gaz kromatografisi/kütle spektrometresi (GC/MS) cihazları kullanılmıştır. FT-IR analizlerinde reaksiyonların gerçekleştirildiği 60, 120, 180 ve 240 dakika reaksiyon sürelerinde üretilen DOTP ve standart DOTP karşılaştırılmıştır. FT-IR analizi sonuçlarına göre standart DOTP ve PET'in depolimerizasyon reaksiyon sonucu üretilen DOTP'nin aynı dalga boyu aralığında piklere sahip olduğu görülmüştür. Bu analiz sonuçlarına göre tez çalışması kapsamında gerçekleştirilen reaksiyonlarda DOTP'nin başarılı bir şekilde üretilebildiği sonucu ortaya çıkmıştır. PET'in izooktil alkol ile kimyasal depolimerizasyon reaksiyonu sonucu ürün olarak elde edilen EG için de FT-IR analizi yapılarak standart EG ile karşılaştırılmış ve aynı dalga boyu aralığında pikler elde edilmiştir. Buradan, reaksiyon sonucunda EG'nin başarılı bir şekilde üretilebildiği yorumu yapılmıştır. PET'in kimyasal depolimerizasyonunda çözücü olarak kullanılan 2-EH'nin reaksiyona girmeden kalan kısmı reaksiyon sonrasında distilasyon sistemi aracılığıyla geri kazanılmıştır. Geri kazanılan 2-EH için de FT-IR analizi yapılarak standart 2-EH ile karşılaştırılmış ve aynı dalga boyu aralığında pikler elde edildiği görülmüştür. Depolimerizasyon reaksiyonları sonucunda elde edilen ürünün GC/MS analizi gerçekleştirilmiştir. Ürünün analizi için standart DOTP, 2-EH ve EG içerikli stok çözeltiler hazırlanarak kalibrasyon eğrisi oluşturulur ve GC/MS ölçümleri gerçekleştirilir. 60, 120, 180 ve 240 dakika reaksiyon sürelerinde elde edilen ürünler analiz edilerek DOTP, 2-EH ve EG elde edildiği belirlenmiştir. Ticari DOTP'den farklı olarak PET atıklarının depolimerizasyonu sonucu elde edilen DOTP çeşitli safsızlıklar ve renk içermektedir. Plastikleştirici bir kimyasal olarak kullanılan DOTP'nin safsızlıklar ve renk içermesi ürünün kalitesini olumsuz etkiler. Bu sebeple depolimerizasyon reaksiyonu sonrası saflaştırma ve renk giderimi işlemleri uygulanması gerekmektedir. Bu tez çalışması kapsamında saflaştırma amacıyla silikajel kolonu kullanılmıştır. Renk giderimi amacıyla ColorSorb G7, NORIT SX PLUS CAT 8010.5 ve NORIT GAC 1240 AF marka üç farklı aktif karbon çeşidi kullanılarak aynı sıcaklık ve aktif karbon dozajı değerlerinde adsorpsiyon işlemleri gerçekleştirilmiştir. Adsorpsiyon işleminin ardından spektrofotometre cihazı kullanılarak üç farklı aktif karbon için renk giderim ölçümleri yapılarak en verimli aktif karbon çeşidinin ColorSorb G7 olduğu belirlenmiştir. DOTP'nin renk giderimi için aktif karbon adsorpsiyonu işleminin yanı sıra membran filtrasyonu da kullanılmıştır. Sterlitech sisteminde gerçekleştirilen membran filtrasyon sisteminde 60C sıcaklıkta ve 10 bar basınçta ultrafiltrasyon (UF) kullanılmıştır. Membran filtrasyonu işleminin ardından renk giderimi veriminin belirlenmesi amacıyla spektrofotometre cihazında ölçüm yapılarak aktif karbon adsorpsiyonu ve membran filtrasyon sistemleri de birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Renk ölçümleri sonucunda aktif karbonla adsorpsiyon işleminde ve UF membranla filtrasyon işleminde renk giderimi elde edildiği oraya koyulmuştur. Sonuç olarak bu tez çalışması kapsamında atık PET'in kimyasal depolimerizasyon yöntemiyle geri dönüşümü sağlanmış ve katma değerli bir ürün olan DOTP üretilmiştir. Depolimerizasyon reaksiyonlarında katalizör görevinde kullanılmak üzere sentezlenen derin ötektik çözücünün analizleri yapılmış ve reaksiyon sonucunda PET geri dönüşüm verimi ve DOTP üretim verimleri hesaplanarak optimum reaksiyon koşulları belirlenmiştir. Elde edilen ürünlerin analizi yapılarak DOTP'nin renk giderim ve saflaştırma işlemleri gerçekleştirilmiştir. Renk gideriminde kullanılan aktif karbon ve membran filtrasyon yöntemleri karşılaştırılarak en uygun aktif karbon çeşidi belirlenmiştir.

Özet (Çeviri)

With the advancement of technology and the increase in industrialization, the use of plastics has become widespread in many fields. Plastics, used in sectors such as textiles, medical equipment, food packaging, and automotive, transform into waste that is difficult to dispose of and takes a long time to decompose in nature after completing their life cycle. For this reason, studies focusing on the development of innovative and eco-friendly methods for waste plastic management have garnered attention. Among these studies, the use of recycling methods for the disposal of waste plastics is gaining increasing importance. Mechanical and chemical methods are available for recycling plastic waste. While mechanical recycling is a widely used method for plastic waste due to its cost advantages, it suffers from quality degradation after a certain number of cycles, necessitating the use of virgin polymers. On the other hand, chemical recycling is considered a sustainable method because it enables the production of value-added products and aligns with the circular economy model, making it increasingly popular both in academic research and commercially. Polyethylene terephthalate (PET), one of the plastic types whose usage has increased due to its physical and chemical properties, is obtained through the esterification or transesterification of petrochemical-derived chemicals. Recycling PET waste reduces the consumption of petrochemical-derived chemicals and allows the production of value-added products. Chemical recycling methods such as glycolysis, alcoholysis, methanolysis, hydrolysis, aminolysis, and ammonolysis are used for the disposal of PET waste. Chemical recycling, also known as depolymerization, is classified based on the solvents used in the reaction. Depolymerization reactions conducted under specific reaction conditions using these solvents occur very slowly in the absence of a catalyst. Therefore, to shorten the reaction time, depolymerization reactions are carried out in the presence of various catalysts. Metal derivatives, ionic liquids, and deep eutectic solvents are used as catalysts in the depolymerization of PET waste. Especially due to the high cost of ionic liquids, studies have explored alternative catalysts for reactions, and the high catalytic efficiency of deep eutectic solvents has increased interest in this field. In this study, the chemical recycling of PET through depolymerization reactions was performed using the alcoholysis method. As a result of the depolymerization reaction of PET, a polymeric material, with iso-octyl alcohol (2-EH), di-octyl terephthalate (DOTP), a monomeric material, and ethylene glycol (EG) were produced. DOTP, a type of plasticizer commercially obtained through the transesterification of dimethyl terephthalate (DMT) with 2-EH, is commonly used in the production of polyvinyl chloride (PVC). Compared to di-octyl phthalate (DOP), which is widely used in the PVC production sector, DOTP has the potential to replace DOP due to its superior performance. DOTP, a highly viscous liquid, has applications in many areas, including garment coatings, bottle caps, toys, membranes, and medical devices. The chemical depolymerization of PET waste not only ensures the recycling of PET waste but also enables the production of the value-added product DOTP. Within the scope of this study, a deep eutectic solvent (DES) synthesized as catalyst. For the characterization of the synthesized catalyst, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Thermogravimetric Analysis (TGA), and Differential Scanning Calorimetry (DSC) analyses were performed. According to the analyses, the synthesized catalyst was deemed suitable for use in the depolymerization reaction, and its successful synthesis was confirmed by comparing the analysis results with those in the literature. To determine the optimal conditions for the depolymerization reactions, optimization studies were conducted for reaction time, temperature, catalyst dosage, and stirring speed. PET conversion yield and DOTP production yield were calculated to determine the optimal reaction conditions. Reactions were carried out at reaction times of 60, 120, 180, and 240 minutes, and according to the yield calculations, the optimal reaction time with the highest yield was found to be 180 minutes. Reactions conducted at temperatures of 160°C, 180°C, and 190°C determined the optimal reaction temperature to be 180°C. In reactions performed with catalyst dosages of 1%, 3%, 5%, and 7% by weight, the optimal catalyst dosage was found to be 5%. Optimisation studies were carried out for PET/alcohol molar ratios of 1:2.5, 1:3, 1:4, 1:5 and 1:6 for the amount of 2-EH used in the reaction and it was determined that 1:5 molar ratio was the most suitable. Stirring speeds of 600, 900, 1200, and 1500 rpm were tested, and the optimal stirring speed was determined to be 1200 rpm. As a result, through the reactions carried out for the depolymerization of waste PET and the production of DOTP, under the conditions of 180°C, 180 minutes, 5% catalyst dosage by weight, 1200 rpm stirring speed, and a 1:5 PET/alcohol molar ratio, a 100% PET recycling yield and a 75% DOTP production yield were achieved, determining these reaction conditions as the optimum conditions. For the analysis of the products obtained from the depolymerization reactions, FT-IR and Gas Chromatography/Mass Spectrometry (GC/MS) devices were used. In the FT-IR analyses, the DOTP produced at reaction times of 60, 120, 180, and 240 minutes was compared with standard DOTP. The FT-IR analysis results showed that the standard DOTP and the DOTP produced from the depolymerization reaction of PET had peaks in the same wavelength range. These analysis results confirmed that DOTP was successfully produced in the reactions conducted within the scope of this thesis. FT-IR analysis was also conducted for EG, the product obtained from the chemical depolymerization reaction of PET with iso-octyl alcohol, and it was compared with standard EG. Peaks in the same wavelength range were obtained, confirming the successful production of EG in the reaction. The portion of 2-EH used as the solvent in the chemical depolymerization of PET that remained unreacted was recovered after the reaction using a distillation system. FT-IR analysis was performed on the recovered 2-EH and compared with standard 2-EH, showing peaks in the same wavelength range. GC/MS analysis was conducted on the product obtained from the depolymerization reactions. Standard DOTP, 2-EH, and EG stock solutions were prepared to create a calibration curve, and GC/MS measurements were performed. The products obtained at reaction times of 60, 120, 180 and 240 minutes were analysed and it was determined that DOTP, 2-EH and EG were obtained. Unlike commercial DOTP, DOTP obtained from the depolymerization of PET waste contains impurities and coloration. The presence of impurities and coloration negatively affects the quality of DOTP, which is used as a plasticizer chemical. Therefore, purification and decolorization processes were applied to DOTP after the depolymerization reaction. In this thesis study, a silica gel column was used for purification. For decolorization, adsorption processes were carried out at the same temperature and activated carbon dosage values using three different types of activated carbon: ColorSorb G7, NORIT SX PLUS CAT 8010.5, and NORIT GAC 1240 AF. After adsorption, decolorization measurements were performed with a spectrophotometer device, and ColorSorb G7 was determined to be the most effective activated carbon type. In addition to activated carbon adsorption for the decolorization of DOTP, membrane filtration was also used. Ultrafiltration (UF) was conducted in a membrane filtration system at 60°C and 10 bar pressure using a Sterlitech system. To determine the decolorization efficiency after membrane filtration, measurements were conducted with a spectrophotometer device, and the active carbon adsorption and membrane filtration systems were compared. As a result of colour measurements, it was determined that colour removal was obtained in adsorption process with activated carbon and filtration process with UF membrane. In conclusion, within the scope of this thesis, the recycling of PET waste through chemical depolymerization was achieved, and the value-added product DOTP was produced. Analyses were performed on the deep eutectic solvent synthesized as a catalyst for the depolymerization reactions, and the optimal reaction conditions for PET recycling and DOTP production were determined. The analyses of the obtained products were conducted, and the purification and decolorization processes of DOTP were carried out. The activated carbon and membrane filtration methods used for decolorization were compared, and the most suitable activated carbon type was identified.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    898796

    Chemical recycling of poly(Ethylene terephthalate) and investigation of conditions for effective resynthesis

    Polietilen tereftalatın kimyasal geri dönüşümü ve yeniden sentezi için etkili koşulların incelenmesi

    SERRA KORİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Mühendislik BilimleriSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SERKAN ÜNAL

    DOÇ. DR. NURAY KIZILDAĞ

  2. Tez No

    848686

    Atık PET'in KOH kullanılarak katalizörlü ortamda mikrodalga reaktör ile depolimerizasyonu

    Depolymerızatıon of waste pet usıng KOH ın a catalyzed envıronment wıth a mıcrowave reactor

    MUSTAFA ABDULATEEF HASHIM ALBOISOD

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Kimya MühendisliğiÇankırı Karatekin Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMAHAT DORUK

    DR. ÖĞR. ÜYESİ VEDAT ARDA KÜÇÜK

  3. Tez No

    462906

    Yeni polimer modifiye bitüm için polyester poliollerin geliştirilmesi

    Development of polyester polyols for new polymer modified bitumen

    SERENAY AKYOL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUZAFFER YAŞAR

    YRD. DOÇ. DR. GÜLŞEN ALBAYRAK ARI

  4. Tez No

    56099

    Polietilen teraflatat atıklarının hidroksiaminlerle reaksiyon ara ürünlerinin araştırılması

    Investigations of intermediates obtained from reaction of polyethylene terephtalate wastes with hydroxyamines

    IŞIL ACAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1996

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. MURAT ORBAY

  5. Tez No

    919208

    Atık PET'lerden 1,4-siklohekzandimetanol üretim prosesi simülasyonu

    Process simulation of 1,4-cyclohexanedimethanol production from waste PETs

    BERK ESİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLHAYAT NASÜN SAYGILI

Geri Dön