ТЕРМОКАТАЛИТИЧЕСКАЯ ДЕСТРУКЦИЯ ПОЛИСТИРОЛА В ПРИСУТСТВИИ ПОЛИТИТАНАТА КАЛИЯ
Аннотация
Исследована возможность использования квазиаморфного полититаната калия (ПТК) в качестве нового типа катализатора деструкции полимерных материалов на примере полистирола (ПС). Термическую и термокаталитическую деструкцию полистирола проводили при 450 °С в реакторе оригинальной конструкции, предусматривающем крекинг полимеров в изотермических условиях и продувку инертным газом (азот), разделение и накопление жидких и газообразных продуктов. Установлено, что введение порошка ПТК в расплав полистирола в количестве 10 масс.% обеспечивает увеличение выхода полезных продуктов крекинга (газообразные и жидкие углеводороды) на 15,5 масс.%. При этом выход жидких углеводородов увеличивается на 13,6 масс.%, а газообразных углеводородов на 1,9 масс.%. Показано, что, в сопоставлении с термическим крекингом, введение в состав полимера 10% добавки ПТК увеличивает количество жидкого продукта (от 56,4 до 70,0 масс.%) и газообразного продукта (от 17,2 до 19,1 масс.%), а количество неразложившегося остатка снижается от 26,4 до 10,9 масс.%. Выявлено, что химический состав продуктов термической и термокаталитической деструкции полистирола значительно отличается. При этом в составе дистиллята продуктов термической деструкции преобладают ароматические углеводороды, около 80% которых составляют бензол и толуол. В продуктах термокаталитической деструкции в составе дистиллята содержится на 6,9% меньше соединений ароматического ряда и на 16,1 % увеличивается выход соединений ненасыщенного ряда (олефинов). Газообразный продукт термического крекинга обогащен этиленом и изобутиленом, и в его составе отсутствуют предельные углеводороды, а в газообразном продукте, полученном в результате термокаталитической деструкции, присутствует изобутан, при этом увеличивается выход этилена - на 5,4 масс.%, пропилена – на 10,5 масс.% и изобутилена – на 8,2 масс.%. Обсуждается механизм каталитического действия ПТК.
Для цитирования:
Жердецкий Н.А., Гороховский А.В. Термокаталитическая деструкция полистирола в присутствии полититаната калия. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 3. С. 77-84. DOI: 10.6060/ivkkt.20236603.6759.
Литература
Ibrasheva R.K., Mataeva Z.T., Zhubanov K.A. Oxidative Catalytic Cracking of Heavy Oil Residues. Eurasian Chem. Tech. J. 2001. V. 3. P. 97 – 106. DOI: 10.18321/ectj551.
Nisar J., Ali G., Shah A., Iqbal M., Khan R.A., Sirajuddin A.F., Ullah R., Akhter M.S. Fuel production from waste polystyrene via pyrolysis: kinetics and products distribution. Waste Manag. 2019. V. 88. P. 236–247. DOI: 10.1016/j.wasma n.2019.03.035.
Honus S., Kumagai S., Molnár V., Fedorko G., Yoshioka T. Pyrolysis gases produced from individual and mixed PE, PP, PS, PVC, and PET—Part II: fuel characteristics. Fuel. 2018. V. 221. P. 361–373. DOI: 10.1016/j.fuel.2018.02.075.
Zakharyan E.M., Petrukhina N.N., Maksimov A.L. Pathways of Chemical Recycling of Polyvinyl Chloride: Part 1. Russ. J. Appl. Chem. 2020. V. 93. P. 1271–1313. DOI: 10.1134/S1070427220090013.
Miskolczi N., Nagy R. Hydrocarbons obtained by waste plastic pyrolysis: comparative analysis of decomposition described by diferent kinetic models. Fuel Process Technol. 2012. V. 104. P. 96–104. DOI: 10.1016/j.fuproc.2012.04.031.
Miandad R., Rehan M., Barakat M.A., Aburiazaiza A.S., Khan H., Ismail I.M.I., Dhavamani J., Gardy J., Hassanpour A., Nizami A.-S. Catalytic pyrolysis of plas-tic waste: moving toward pyrolysis based biorefneries. Front. Energy Res. 2019. V. 7. DOI: 10.3389/fenrg.2019.00027.
Gackowski M., Tarach K., Kuterasinski N., Podobiński J., Jarczewski S., Kustrowski P., Datka J. Hierarchical zeolites Y obtained by desilication: porosity, acidity and catalytic properties. Microporous Mesoporous Mater. 2018. V. 263. P. 282–288. DOI: 10.1016/j.micromeso.2017.11.051.
Busca G. Acidity and basicity of zeolites: a fundamental approach. Microporous Mesoporous Mater. 2017. V. 254. P. 3–16. DOI: 10.1016/j.micromeso.2017.04.007.
Anuar Sharuddin S.D., Abnisa F., Daud W.M.A.W., Aroua K.M. A review on pyrolysis of plastic wastes. Energy Convers. Manage. 2016. V. 115. P. 308–326. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.02.037.
Lopez A., Marco I.D., Caballero B.M., Laresgoiti M.F., Adrados A., Aranzabal A. Catalytic pyrolysis of plastic wastes with two different types of catalytic: ZSM-5 zeo-lite and Red Mud. Appl. Catal. B Environ. 2011. V. 104. P. 211-219. DOI: 10.1016/j.apcatb.2011.03.030.
Marcilla A., Beltran M.I., Navarro R. Thermal and catalytic pyrolysis of polyethylene over HZSM5 and HUSY zeolites in a batch reactor under dynamic conditions. Appl. Catal. B. Environ. 2009. V. 86. P. 78-86. DOI: 10.1016/j.apcatb.2008.07.026.
Almustapha M.N., Andrésen J.M. Recovery of valuable chemicals from high density polyethylene (HDPE) Poly-mer: a catalytic approach for plastic waste recycling. Int. J. Environ. Sci. Dev. 2012. V. 3. P. 263–267. DOI: 10.7763/ijesd.2012.v3.228.
Artetxe M., Lopez G., Amutio M., Elordi G., Bilbao J., Olazar M. Cracking of high density polyethylene pyroly-sis waxes on HZSM-5 catalysts of different acidity. Ind. Eng. Chem. Res. 2013. V. 52. P. 10637-10645. DOI: 10.1021/ie4014869.
Serrano D.P., Aguado J., Escola J.M., Rodrıguez J.M. Nanocrystalline ZSM-5: a highly active catalyst for poly-olefin feedstock recycling. Stud. Surf. Sci. Catal. 2002. V. 142. P. 77–84. DOI: 10.1016/S0167-2991(02)80014-3.
Serrano D.P., Aguado J., Escola J.M., Rodrıguez J.M. Influence of nanocrystalline HZSM-5 external surface on the catalytic cracking of polyolefins. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2005. V. 74. P. 353–360. DOI: 10.1016/j.jaap.2004.11.037.
Elordi G., Olazar M., Artetxe M., Castaño P., Bilbao J. Effect of the acidity of the HZSM-5 zeolite catalyst on the cracking of high density polyethylene in a conical spouted bed reactor. Appl. Catal. A: General. 2012. V. 415. P. 89– 95. DOI: 10.1016/j.apcata.2011.12.011.
Artetxe M., Lopez G., Amutio M., Elordi G., Bilbao J., Olazar M. Light olefins from HDPE cracking in a two-step thermal and catalytic process. Chem. Eng. J. 2012. V. 208. P. 27–34. DOI: 10.1016/j.cej.2012.06.105.
Ibanez M., Artetxe M., Lopez G., Elordi G., Bilbao J., Olazar M., Castano P. Identification of the coke depos-ited on an HZSM-5 zeolite catalyst during the sequenced pyrolysis–cracking of HDPE. Appl. Catal B: Environ. 2014. V. 148. P. 436–445. DOI: 10.1016/j.apcatb.2013.11.023.
Nwankwor P.E., Onuigbo I.O., Chukwuneke C.E., Yahaya M.F., Agboola B.O., Jahng W.J. Synthesis of gas-oline range fuels by the catalytic cracking of waste plastics using titanium dioxide and zeolite. Int. J. Energy En-viron. Eng. 2020. 12. P. 77-86. DOI: 10.1007/s40095-020-00359-9.
Furda L.V., Smalchenko D.E., Titov E.N., Lebedeva O.E. Thermocatalytic degradation of polypropylene in presence of aluminum silicates. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 6. P. 85-89. DOI: 10.6060/ivkkt.20206306.6202.
Colantonio S., Cafiero L., De Angelis D., Ippolito N.M., Tuffi R., Ciprioti S.V. Thermal and catalytic pyrolysis of a synthetic mixture representative of packaging plastics residue. Front. Chem. Sci. Eng. 2020. V. 14. P. 288–303. DOI: 10.1007/s11705-019-1875-3.
Palomar-Torres A., Torres-Jiménez E., Kegl B., Bombek G., Volmajer-Valh J., Lešnik L. Catalytic pyrolysis of plastic wastes for liquid oils’ production using ZAP USY zeolite as a catalyst. Int. J. Environ. Sci. Tech-nol. 2022. P. 1-14. DOI: 10.1007/s13762-022-04023-z.
Agullo H., Kumar N., Berenguer D., Kubicka D., Marcilla A., Gomez A., Salmi T., Murzin D.Y. Catalytic pyrolysis of low density polyethylene on H-β, H-Y, H-mordenite and H-ferrierite zeolites. Influence of acidity and structure. Kinetika Katal. 2007. V. 48. N 4. P. 570-575 (in Russian). DOI: 10.1134/S002315840704009X.
Elordi G., Olazar M., Lopez G., Castaño P., Bilbao J. Role of pore structure in the deactivation of zeolites (HZSM-5, H-β and HY) by coke in the pyrolysis of poly-ethylene in a conical spouted bed reactor. Appl. Catal. B: Environ. 2011. V. 102. P. 224–231. DOI: 10.1016/j.apcatb.2010.12.002.
Heikkinen J.M. Hordijk J.C., Jong de W. Thermogra-vimetry as a tool to classify waste components to be used for energy generation. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2004. V. 71. P. 883-900. DOI: 10.1016/j.jaap.2003.12.001.
Kitano M., Nakajima K., Kondo J.N., Hayashi S., Hara M. Protonated titanate nanotubes as solid acid catalyst. J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. P. 6622-6623. DOI: 10.1021/ja100435w.
Dias A.S., Lima S., Carriazo D., Rives V, Pillinger M., Val A.A. Exfoliated titanate, niobate and titanoniobate nanosheets as solid acid catalysts for the liquid-phase de-hydration of D-xylose into furfural. J. Catal. 2006. V. 244. P. 230–237. DOI: 10.1016/j.jcat.2006.09.010.
Kim T., Song K.H., Yoon H., Chung J.S. Steam reform-ing of n-dodecane over K2Ti2O5-added Ni-alumina and Ni-zirconia (YSZ) catalysts. Int. J. Hydrogen Energy. 2016. V. 41. P. 17922-17932. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.08.009.
Sanchez-Monjaras T., Gorokhovsky A.V., Escalante-Garcia J.I. Molten salt synthesis and characterization of polytitanate ceramic precursors with varied TiO2/K2O molar ratio. J. Am. Ceram. Soc. 2008. V. 91. P. 3058-3065. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2008.02574.x.
Zimnyakov D.A., Gorokhovsky A.V., Tret’yachenko E.V., Kochubei V. I., Yuvchenko S.A., Sina J.S. Spectral estimation of the energy-band-structure parameters of na-noparticles of potassium polytitanate modified in transition metal salt solutions. Tech. Phys. Lett. 2014. V. 40. N 5. P. 445-448. DOI: 10.1134/S1063785014050265.
Zherdetsky N.A. Shlyahtin N.U., Romadenkina S.B., Aniskona T.V. Influence of thermoplastic polymer crack-ing process parameters on product yield. Butlerov Soobshch. 2018. V. 56. N 10. P. 123-126 (in Russian).
Park K.-B., Jeong Y.-S., Guzelciftci B., Kim J.-S. Two-stage pyrolysis of polystyrene: Pyrolysis oil as a source of fuels or benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes. Appl. Energy. 2020. V. 259. P. 356. DOI: 10.1016/j.apenergy.2019.114240.
Мagaril R.Z. Mechanism and kinetics of homogeneous thermal transformations of hydrocarbons. М.: Khimiya. 1970. P. 17.
Sharuddin S.C.A., Abnisa F., Daud, W.M.A.W. Aroua, M.K. A review on pyrolysis of plastic waste. Energy Convers. Manage. 2016. V. 115. P. 308-326. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.02.037.
Ukei H., Hirose T., Horikawa S. Catalytic degradation of polystyrene into styrene and a design of recyclable polystyrene with dispersed catalysts. Catal. Today. 2000. V. 62. P. 67-75. DOI: 10.1016/S0920-5861(00)00409-0.
