聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)化學回收技術開發

 

刊登日期:2024/6/5
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蘇乾元、林威廷、李柏翰、李坤璋、楊子岳 / 工研院綠能所
 
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),俗稱壓克力,具高透明度、高絕緣性、低吸水性、高機械強度、易加工等優點。本文透過文獻、實驗室測試評估、先導系統測試驗證,探討將PMMA透過化學回收的方式回收高純度r-MMA可行性。首先針對壓克力回收技術進行探討,瞭解可透過化學回收技術,產出高品質再製產品;另一方面,也針對不同的化學回收方式進行討論與比較。
 
在裂解測試驗證方面,本文利用流化床進行PMMA化學回收,分別於3 kg/hr與20 kg/hr裂解系統進行裂解測試與時間運轉,透過蒸餾方式純化r-MMA,經過純化後r-MMA產品純度達99.5%以上,含水率低於500 ppm、色度低於5 APHA,符合市售商品的規範,此結果也驗證流化床裂解設備搭配蒸餾設備運作之可行性,可作為商業化系統設計、建置之參考。本文另針對商業化裂解系統進行經濟可行性分析,透過Aspen Plus®程模擬處理量10噸/日之商業化系統,r-MMA生產成本新台幣23,460元/噸,r-MMA生產的毛利達新台幣18,540元/噸,初步證明商業化系統之經濟可行性。透過本文測試驗證,期能提供國內壓克力產業升級,減少天然資源開採,兼具經濟與減碳效益的技術選項。
 
【內文精選】
塑膠循環利用技術
塑膠產品因具有實用與耐用性的優勢,已成為人類社會無法輕易割捨的一環;然而,塑膠產品也因為無法被大自然環境所分解,造成地球環境嚴重的衝擊。隨著環保意識的抬頭,越來越多人意識到塑膠垃圾的問題,自主性地發起淨灘活動、企業開始使用回收塑膠材料、開發塑膠回收再利用相關技術等,均是這些年國際間重要發展方向,世界各國政府也陸續設定減塑令、禁塑令及中長期的塑膠回收技術開發等政策目標。
 
2. 塑膠化學回收
塑膠化學回收(Chemical Recycling)技術主要是利用觸媒、溶劑、酵素或微生物進行轉換,將原本是高分子結構的塑膠,分解為塑膠單體,再利用這些重製單體聚合成為塑膠產品;另一方面,透過熱化學處理亦可將塑膠產品裂解成為油品或塑膠單體再利用。化學回收的再製塑膠品質會與最初新生產的塑膠相近,因此具發展潛力。國內外已有許多公司投入,不過距離大規模商轉應用還有一段距離。
 
聚甲基丙烯酸甲酯
1. 物料特性與產業現況
聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate; PMMA)俗稱壓克力,是一種熱塑性塑膠,具有高透光度、優良機械強度、容易加工等特性,可作為玻璃替代材料,廣泛用於航空、汽車、建築、電子、紡織等產業,由於其抗衝擊與光學性表現,也用於替代聚碳酸酯(Polycarbonate; PC)作為不含Bisphenol A毒性成分之材料,是五大泛用塑膠(聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)和聚對苯二甲酸乙二酯(PET))外,與我們日常生活接觸相當密切的民生用化學品。
 
聚甲基丙烯酸甲酯化學回收技術開發
工研院綠能與環境研究所裂解技術團隊在塑膠裂解耕耘已久,針對各類型塑料來源進行低碳燃料油生產與應用之研究,近期因應減碳及物料循環利用之議題,亦開始朝向再生塑料(單體)裂解回收與純化之方向邁進。以下針對PMMA裂解回收r-MMA單體技術進行說明。本技術已可順利產出高純度r-MMA再生單體(純度>99.5%,含水率<500 ppm),再生單體品質已接近純新料,具有未來商業化應用生產之潛力。
 
2. PMMA裂解測試
在初步完成料源分析測試,確認適宜的裂解溫度後,再實際進行裂解測試以評估確認PMMA回收r-MMA單體之技術可行性。為了進一步掌握PMMA裂解可行性,分別在3 kg/hr與20 kg/hr裂解測試平台進行裂解測試,藉由測試結果,增加未來走入商業化系統建置之成功率。圖十三即為本研究所使用之裂解系統設備圖。
 
圖十三、裂解測試平台(a)3 kg/hr系統;(b)20 kg/hr系統
圖十三、裂解測試平台(a)3 kg/hr系統;(b)20 kg/hr系統
 
聚甲基丙烯酸甲酯化學回收製程可行性評估
1. 系統製程模擬
本研究以Aspen Technology公司(Aspen Tech®)開發之Aspen Plus®化工製程模擬(Process Simulation)軟體為技術平台,建立PMMA裂解系統之製程模型。裂解系統流程包含進料系統、流體化床裂解爐、旋風分離器、冷凝器、燃燒爐等單元,使用氮氣作為載流氣體,將壓克力(PMMA)在缺氧環境下裂解成單體。
 
完整製程模擬結果如圖廿所示。根據20 kg/hr裂解系統操作設定進行製程模擬參數設定,製程模擬的結果再與實際數據比較,依據Rating方式調整模擬系統參數,使模擬數值與現場數值吻合,最後整理部分重要的裂解製程單元之模擬結果 ---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖廿、r-MMA裂解系統製程模擬流程圖
圖廿、r-MMA裂解系統製程模擬流程圖
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》450期,更多資料請見下方附檔。

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