Developing new approaches on recycling of plastic waste using green solvents

Abstract

[ES] El polietileno tereftalato (PET) es un poliéster termoplástico que suele utilizarse para envases. El 12% de los residuos sólidos mundiales por volumen están compuestos de PET. A lo largo de los años se ha desarrollado una solución para reciclar eficazmente los residuos de PET, con el menor efecto nocivo en el medio ambiente. Actualmente, el reciclaje de plástico más utilizado es el mecánico, pero su mayor inconveniente es la degradación físico-térmica que sufren los plásticos cada vez que se reciclan. El reciclaje químico es un gran método alternativo sostenible que evita las desventajas del reciclaje mecánico. La glicólisis es uno de las mejores alternativas de reciclaje químico para el reciclado de PET, donde la cadena polimérica degrada a su monómero bis(2-hidroxietil) tereftalato (BHET). En los últimos años se ha descubierto que los líquidos iónicos (IL) funcionan como un gran catalizador sostenible para esta reacción. Esta investigación tiene como objetivo evaluar diferentes condiciones y conversión de la glicólisis de PET utilizando ILs como catalizador de solvente verde para encontrar nuevas alternativas al reciclaje de plástico. Se sintetizó ([TMPSMIM]2[ZnCl4]) a base de un IL de zinc-sílice. El IL se utilizó como catalizador para la glicólisis de PET en diferentes condiciones de reacción, alrededor de 170-210ºC, de 1 a 4 horas, y diferentes ratios de masa/masa de catalizador. El principal producto obtenido fue BHET puro. Posteriormente, el IL fue soportado por biochar (BC), a este nuevo catalizador se le realizaron más pruebas. Se realizó FT-IR para determinar los grupos funcionales de IL, productos de la glicólisis y BC. Se encontró que [TMPSMIM]2[ZnCl4] funcionó como un gran catalizador para la glicólisis de PET. La conversión de PET fue mayor a períodos más largos de tiempo de reacción y temperaturas más altas. La mayor conversión de PET obtenida fue del 88% en condiciones óptimas (4 horas, 200ºC y relación de masas 0,1:1:4 (catalizador: PET: etilenglicol)). El mayor rendimiento de BHET obtenido fue del 28%. Los rendimientos y la selectividad de BHET fueron bajos debido a la dificultad encontrada para filtrar el producto después de su cristalización sin que el BHET se disolviera en el agua. El BC pre-activado actuó como un gran apoyo para el IL. El FT-IR demostró que el BC soporta efectivamente a [TMPSMIM]2[ZnCl4]. El BC\[TMPSMIM]2[ZnCl4] mostró mejor actividad catalítica que el IL por sí solo. En las mismas condiciones óptimas, el catalizador logró una conversión de PET completa y un rendimiento de BHET del 33 %. FT-IR se observó que el catalizador no sufrió ningún cambio y se recuperó por filtración del medio después de que tuvo lugar la reacción. El proyecto logró resultados satisfactorios en la glicólisis de PET utilizando un disolvente verde IL a base de zinc-sílice como catalizador que se puede unir a BC para facilitar su recuperación. El catalizador evita dos de los problemas comunes, el producto final obtenido BHET tubo alta pureza sin estar contaminado por el catalizador, y la estructura del IL presenta una opción para su fácil recuperación. Este proyecto ayuda a añadir más información sobre la brecha de investigación que busca hacer los ILs como catalizadores para glicólisis de PET más accesible.

[EN] Polyethylene terephthalate (PET) is a thermoplastic polyester usually used for packaging. 12% of the global solid waste by volume consists of PET. A solution to effectively recycle PET waste with the least harmful effect on the environment has been developed over the years. Right now, the most used plastic recycling is mechanical, but its biggest drawback is the physical-thermal degradation each time it is recycled. Chemical recycling is a great sustainable alternative method that avoids the mechanical recycling disadvantages. Glycolysis is one of the best chemical recycling for PET recycling where the polymer chain is degraded to its monomer bis(2-hydroxyethyl) terephthalate (BHET). In the last few years, ionic liquids (ILs) have been discovered to work as a great sustainable catalyst for this reaction. This research aims to evaluate different conditions and conversion of PET glycolysis utilizing ILs as a green solvent catalyst to find new alternatives to plastic recycling. Zinc-silica-based IL was synthesized ([TMPSMIM]2[ZnCl4]). The IL was used as a catalyst for the glycolysis of PET under different reaction conditions, around 170-210ºC, from 1 to 4 hours, and different catalyst w/w ratios. The main product obtained was pure BHET. The IL was later supported by biochar (BC) and further tested. FT-IR was carried out to determine the functional groups of the IL, glycolysis products, and BC. It was found that [TMPSMIM]2[ZnCl4] worked as a great catalyst for the glycolysis of PET. The PET conversion was higher at longer periods of reaction time and higher temperatures. The biggest PET conversion obtained was 88% under optimal conditions (4 hours, 200ºC, and 0.1:1:4 w/w ratio (catalyst: PET: ethylene glycol)). The highest BHET yield obtained was 28%. Yields and selectivity of BHET were low because of the difficulty encounter to filtrate the product after crystallization without the BHET dissolving in the water. The pre-activated BC acted as great support for the IL. The FT-IR showed the BC effectively supporting [TMPSMIM]2[ZnCl4]. The BC\[TMPSMIM]2[ZnCl4] showed better catalytic activity than the IL on its own. Under the same optimal conditions, the catalyst achieved complete PET conversion and 33% BHET yield. FT-IR showed that the catalyst did not suffer any change and was recovered via filtration from the medium after the reaction took place. The project achieved satisfying results in the glycolysis of PET using IL Zn-silica-based green solvent as a catalyst that can be bonded to BC to facilitate its retrieval. The catalyst avoids two of the common problems, the final product is high-purity BHET not contaminated by the catalyst, and the structure of the IL presents an option for its easy recovery. This project helps add more information on the research gap that seeks ILs as a catalyst of glycolysis of PET more accessible.