PET聚酯瓶實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)論文范文

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1儀器與試劑

儀器:NICOLETiS10型紅外光譜儀、BHX-9101-1SA型鼓風(fēng)干燥箱、DW-3-60型電動(dòng)攪拌器、PL203/01型電子天平、KEMS-2S型磁力加熱攪拌器;浪潮英信NF5220計(jì)算服務(wù)器，GAUSSIAN09、GaussView(3．09)軟件。試劑:pet聚酯碎片(3～5mm×5～8mm，由回收農(nóng)夫山泉飲料瓶制得);乙二醇、碳酸氫鈉、對(duì)苯二甲酸、氧化鋅、濃鹽酸、濃硫酸、85%水合肼等試劑均為分析純;蒸餾水。

2TPA的測(cè)定與表征

我們通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)，比較了用不同方法和不同條件降解PET得到TPA(或其衍生物)的收率。收率計(jì)算公式如下。采用美國(guó)Nicolet公司生產(chǎn)的NICOLETiS10型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)產(chǎn)物(對(duì)苯二甲酸)進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。對(duì)苯二甲酸為白色固體，研磨成粉末后，采用KBr壓片法進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，還利用了量子化學(xué)計(jì)算方法，以GAUSSIAN09計(jì)算程序［10］采用密度泛函理論對(duì)對(duì)苯二甲酸的紅外光譜進(jìn)行了理論模擬計(jì)算。

3PET降解方法

3．1乙二醇醇?jí)A聯(lián)合解聚法在裝有冷凝管、攪拌器、溫度計(jì)的三頸圓底燒瓶中投入5g聚酯廢料、25mL乙二醇、0．5g氧化鋅、5gNaHCO3進(jìn)行反應(yīng)，油浴加熱逐步升溫至190℃，反應(yīng)30min后，降溫至160℃停止攪拌，減壓回收乙二醇;蒸餾畢，向三頸瓶中加入50mL沸水，攪拌使殘留物溶解，趁熱過(guò)濾;將濾液轉(zhuǎn)移到400mL燒杯中，水稀釋至200mL，加熱煮沸，趁熱用1:1鹽酸酸化至pH5～6;冷至室溫后，冰水冷卻，抽濾，濾餅用蒸餾水洗滌至濾出液pH=6，在60℃下干燥濾餅，得白色粉末，稱重，并計(jì)算對(duì)苯二甲酸收率。

3．2肼解法在裝有冷凝管、磁力攪拌子的圓底燒瓶中投入1g聚酯廢料、10mL85%水合肼，攪拌，油浴加熱至100℃，反應(yīng)6h后，減壓回收水合肼;殘余物加入10mL水，靜置，濾得PET的降解產(chǎn)物對(duì)苯二甲酰肼，在60℃下干燥，稱重，并計(jì)算對(duì)苯二甲酰肼的收率。此法參考氨解法，使用親核性更強(qiáng)的水合肼溶液替代胺類，能提高降解效率。

3．3酸性降解在裝有冷凝管、磁力攪拌子的圓底燒瓶中投入1g聚酯廢料、5mL濃硫酸，攪拌，85℃下反應(yīng)5min;反應(yīng)畢，冷卻至室溫，殘留物倒入冰水中，用30%的NaOH水溶液調(diào)pH至12，濾去不溶物，濾液用濃鹽酸調(diào)pH至6，有白色不溶物析出，放置過(guò)夜，過(guò)濾得產(chǎn)物對(duì)苯二甲酸，在60℃下干燥，稱重，并計(jì)算對(duì)苯二甲酸收率。

4結(jié)果與討論

4．1不同化學(xué)降解方法的比較通過(guò)酸性水解法、肼解法和醇?jí)A聯(lián)合法，考察了降解PET聚酯瓶的情況，結(jié)果列入表1。比較幾種方法在經(jīng)濟(jì)效益和工業(yè)化等方面的優(yōu)劣，無(wú)論是肼解法，還是酸性水解法都存在很大的局限性，如腐蝕設(shè)備、污染環(huán)境等。醇?jí)A聯(lián)合解聚法能在溫和的條件下，快速實(shí)現(xiàn)PET聚酯瓶的分解，故我們選擇醇?jí)A聯(lián)合解聚法為重點(diǎn)研究方向，探索其最佳反應(yīng)條件。

4．2醇?jí)A解聚法的工藝優(yōu)化基于以上3種降解方法的對(duì)比，結(jié)合醇?jí)A聯(lián)合解聚法的研究進(jìn)展，采用正交實(shí)驗(yàn)來(lái)探索最佳工藝條件，重點(diǎn)考察了3種影響反應(yīng)的因素，A:碳酸氫鈉用量:m(NaHCO3)/m(PET);B:反應(yīng)時(shí)間(min);C:反應(yīng)溫度(℃)。由文獻(xiàn)已知影響因素的大約范圍，設(shè)計(jì)出因素水平表(表2)。參照上述乙二醇醇?jí)A聯(lián)合解聚法的方法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)上述方法分析，RC＞RB＞RA，即各因素對(duì)TPA收率的影響程度順序?yàn)?反應(yīng)溫度＞反應(yīng)時(shí)間＞物料比;較佳因素水平為A3B2C2，即PET降解的較佳工藝為:m(NaHCO3)/m(PET)=1．1，反應(yīng)時(shí)間30min，反應(yīng)溫度190℃。從表3可以看出，反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度是影響乙二醇醇?jí)A聯(lián)合解聚法的關(guān)鍵因素，溫度過(guò)高或反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)副產(chǎn)物增多，收率下降。上述最佳反應(yīng)條件與文獻(xiàn)報(bào)道的乙二醇解聚法的最優(yōu)反應(yīng)條件(190～196℃，0．1MPa，催化劑(氧化鋅或醋酸鋅)用量為PET質(zhì)量的0．5%，m(EG)/m(PET)=2，反應(yīng)3h)［6-7］接近，但反應(yīng)時(shí)間比乙二醇解聚法短得多，且反應(yīng)產(chǎn)物也不同。

4．3產(chǎn)物IR表征與結(jié)果分析我們對(duì)由PET瓶回收的TPA進(jìn)行了IR表征(圖1C)，并將該圖譜與購(gòu)買的分析純TPA樣品的IR圖(圖1D)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者的圖譜基本吻合，驗(yàn)證了所回收的白色固體確實(shí)為TPA。為了進(jìn)一步指認(rèn)IR特征振動(dòng)峰，我們進(jìn)行了相應(yīng)的密度泛函理論的計(jì)算。所選計(jì)算水平為M062X/6-31G(d，p)，優(yōu)化的TPA單體與二聚體的幾何結(jié)構(gòu)如圖1A，圖1B所示。3059cm－1附近為苯環(huán)上C—H伸縮振動(dòng)峰;3000～2500cm－1可能為TPA分子間形成氫鍵后O—H的伸縮振動(dòng)峰;1571cm－1和1508cm－1處為取代苯基的一組相關(guān)振動(dòng)峰;1661cm－1處為羧基(CO)的伸縮振動(dòng)峰;883cm－1處為苯環(huán)的對(duì)位取代吸收峰。此外，通過(guò)對(duì)比對(duì)苯二甲酸的單體(圖1A)和二聚體(圖1B)的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)考慮TPA分子之間形成分子間氫鍵時(shí)，二聚體計(jì)算模擬的紅外光譜圖與實(shí)驗(yàn)的紅外光譜圖能較好吻合，說(shuō)明在固態(tài)時(shí)對(duì)苯二甲酸分子之間存在較強(qiáng)的分子間氫鍵。

5結(jié)論與展望

本文對(duì)比研究了酸性水解法、肼解法和醇?jí)A聯(lián)合法降解PET聚酯瓶的收率、環(huán)境友好性、經(jīng)濟(jì)性等。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，預(yù)測(cè)醇?jí)A聯(lián)合解聚法的最佳反應(yīng)條件為m(NaHCO3)/m(PET)=1．1，反應(yīng)時(shí)間30min，反應(yīng)溫度190℃;分析結(jié)果表明，在醇?jí)A聯(lián)合解聚法中，反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間是PET降解的關(guān)鍵因素。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過(guò)控制反應(yīng)時(shí)間或溫度來(lái)減少NaHCO3的用量，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)利用量子化學(xué)計(jì)算方法，結(jié)合紅外光譜分析，對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了表征確認(rèn)。關(guān)于醇?jí)A聯(lián)合降解法的反應(yīng)機(jī)理方面已有初步討論［8］，與傳統(tǒng)的乙二醇降解法相比，醇?jí)A聯(lián)合解聚法可能是由于加入的NaHCO3在高溫下分解產(chǎn)生親核性更強(qiáng)的OH–，顯著縮短了降解時(shí)間。然而，一些細(xì)致的微觀機(jī)制尚不清楚，有待于開(kāi)展進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)探索。本實(shí)驗(yàn)利用日常生活常見(jiàn)的PET聚酯材料瓶，研究了PET的化學(xué)降解方法。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程既涉及有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)等實(shí)驗(yàn)學(xué)科的某些知識(shí)，可以使學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，并培養(yǎng)學(xué)生的綠色化學(xué)意識(shí);同時(shí)又結(jié)合理論計(jì)算指認(rèn)實(shí)驗(yàn)光譜，做到理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。可望將其開(kāi)發(fā)成為一個(gè)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

作者：黎天浩張子釗王宇軒吳佳昊王國(guó)強(qiáng)許英慧單位：南京師范大學(xué)附中南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院