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JP7795510B2 - ポリエステル生地のリサイクル方法 - Google Patents
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JP7795510B2 - ポリエステル生地のリサイクル方法 - Google Patents

ポリエステル生地のリサイクル方法

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Description

本発明は、生地のリサイクル方法、特にポリエステル生地のリサイクル方法に関する。
廃ポリエステル生地(PET生地)のリサイクル方法は、通常、化学的解重合溶液を用いてポリエステル生地を解重合し、ビス(2-ヒドロキシエチル)テレフタレート(Bis(2-HydroxyEthyl Terephthalate,BHET)を含む製品を取得し、ビスヒドロキシエチルテレフタレートを再重合して、再生ポリエステル布地(r-PET)を得る方法である。通常、廃ポリエステル生地は、例えばさらに染色などの加工を施され、衣料品として利用される。これらの染色廃ポリエステル生地から高品質の再生ポリエステル生地(r-PET)を得るには、より純粋なビスヒドロキシエチルテレフタレートを生成するために、解重合反応の前及び/又は後にポリエステル生地中の不純物(染料など)を除去する必要があり、その後、重合してリサイクルすることができる。
例えば、特許文献1には、リサイクル工程において、キシレンを溶剤として使用し、まずポリエチレンテレフタレート(Polyethylene terephthalate,PET)布帛から染料などの不純物を抽出した後、エチレングリコール(Ethylene Glycol,EG)でPET布帛を解重合してBHETにすることが開示されている。しかし、処理過程においてPET布帛上の溶剤を乾燥させる必要があり、これにより溶剤の損失が生じるとともに溶剤回収システムの増設が必要となり、経済的に有利ではない。
例えば、特許文献2には、リサイクル工程において、PET布地を直接EGで解重合し、BHETを得ていることが開示されている。BHETの粗生成物には多量の染料などの不純物が含まれているため、複数の精製工程が必要とされる。例えば、BHET粗生成物をEG溶媒中で結晶化し、蒸留によってBHETを精製し、BHETを熱水に溶解して活性炭で不純物を吸着させ、その後冷却してBHETを結晶化させ、BHETを濾過・乾燥して精製BHETを得る。しかし、精製工程が複雑であるため、BHETの収率が低下する。精製されたBHETは最終的に重合され、再生ポリエステル(r-PET)となるが、全体の製造コストが高くなってしまう。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1]国際公開第2007/018161号
[特許文献2]中国特許出願公開第110590551号明細書
そのため、ポリエステル生地をいかに効率的にリサイクルするかが、現状の改善課題となっている。
本発明は、製造コストを削減できる簡略化されたプロセスを有するポリエステル生地をリサイクルする方法を提供する。
本発明のポリエステル生地のリサイクル方法は、以下のステップを含む。ポリエステル生地が提供される。ポリエステル生地は、ポリエチレンテレフタレートと染料を含む。ポリエステル生地から染料を除去する抽出工程が行われる。抽出工程は、エチレングリコールを抽出溶媒として用いて、ポリエステル生地を抽出溶媒に浸漬し、80℃~180℃の温度で抽出することを含む。解重合工程が行われる。解重合工程は、抽出工程で処理されたポリエステル生地を化学的解重合溶液を用いて解重合して、BHET(ビス(2-ヒドロキシエチルテレフタレート))を含む生成物を得ることを含む。化学的解重合溶液は、エチレングリコールである。解重合工程によって得られた生成物の不純物を除去し、精製されたBHETを得るために、精製工程が行われる。溶媒リサイクル工程が行われる。溶剤リサイクル工程は、抽出工程及び解重合工程の廃液を回収し、廃液中のエチレングリコールを蒸留分離装置によりリサイクルすることを含む。
本発明の一実施形態では、抽出工程において、ポリエステル生地には1~10の抽出ステップが行われ、各抽出ステップはポリエステル生地を新しい抽出溶媒に浸漬する。
本発明の一実施形態では、各抽出ステップの時間は20分から1時間である。
本発明の一実施形態では、各抽出ステップにおいて、抽出溶媒とポリエステル生地の重量比は5対10である。
本発明の一実施形態では、解重合工程は190℃~240℃の温度で行われる。
本発明の一実施形態において、化学的解重合溶液の重量は、化学的解重合溶液と化学的解重合溶液と抽出工程で処理されたポリエステル生地の総重量の30重量%~80重量%を占める。
本発明の一実施形態において、解重合工程は、触媒を含む環境中で行われ、触媒には有機金属又はイオン液体が含まれる。
本発明の一実施形態において、触媒の重量は、化学的解重合溶液と抽出工程で処理されたポリエステル生地の総重量の0.3重量%~8重量%を占める。
本発明の一実施形態では、解重合工程の時間は1時間から6時間である。
本発明の一実施形態では、溶媒リサイクル工程において、エチレングリコールのリサイクル率は98重量%超である。
上記に基づいて、本発明のポリエステル生地のリサイクル方法は、抽出溶媒及び化学的解重合溶液としてエチレングリコールを使用することにより、工程を簡略化し、良好な色相品質及び収率を有するr-PETを得ることができる。さらに、本発明のポリエステル生地のリサイクル方法は、抽出溶媒及び化学的解重合溶液をリサイクルするために単一の蒸留分離装置を効果的に利用することができ、したがって、溶媒の損失を減少させるだけでなく、設備及び運転コストも削減することができる。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。ただし、これらの実施形態は例示であり、本発明の開示はこれに限定されるものではない。
なお、本明細書において、「ある値から他の値」で示される範囲は、その範囲内の全ての値を列挙することを避けるための一般的な表現である。したがって、特定の数値範囲の記録は、あたかもそのような任意の数値及びそのようなより小さな数値範囲が明細書に明示的に記載されているかのように、この数値範囲内の任意の数値及びその数値範囲内の任意の数値によって境界付けられる任意のより小さな数値範囲をカバーする。
以下は、本発明の実施を説明するための具体例である。当業者であれば、本明細書に開示された内容から、本発明の利点及び効果を理解することができるはずである。本発明は、他の異なる具体的な実施形態を通じて実施又は適用することができ、本発明の概念から逸脱することなく、異なる観点及び応用に基づいて本明細書の詳細に様々な修正及び変更を加えることができる。以下の実施形態は、本発明の関連する技術内容をさらに詳細に説明するものであるが、開示された内容は本発明の範囲を限定することを意図するものではない。なお、本明細書において「又は」という用語は、実際の状況に応じて、関連する列挙事項のいずれか1つ又は複数の組み合わせを含むことができる。
以下、本発明のポリエステル生地のリサイクル方法について詳細に説明する。
まず、ポリエステル生地が提供される。ポリエステル生地は、ポリエチレンテレフタレート(PET)と染料を含む。いくつかの実施形態では、ポリエチレンテレフタレートは、ポリエステル生地の80重量%以上を占めるが、本発明はこれに限定されない。いくつかの実施形態では、染料は、ポリエステル生地の0.1重量%以上を占めるが、本発明はこれに限定されない。
次に、抽出工程が行われ、ポリエステル生地から染料を除去する。抽出工程は、例えば、エチレングリコールを抽出溶媒として用いて、ポリエステル生地を抽出溶媒に浸漬し、80℃~180℃の温度で抽出することを含む。
いくつかの実施形態では、抽出工程中に、ポリエステル生地は、抽出ステップごとにポリエステル生地を新しい抽出溶媒に浸漬して、複数の抽出工程(例えば、1~10、3~6、又は他の適切な回数)を行なっても良い。
いくつかの実施形態では、各抽出ステップの時間は20分から1時間であるが、本発明はこれに限定されない。
いくつかの実施形態では、各抽出ステップにおいて、ポリエステル生地に対する抽出溶媒の重量比は5対10である。このようにして、エネルギー消費及び運転コストを考慮しながら、効率的な抽出を達成することができるが、本発明はこれに限定されない。
次に、解重合工程が行われる。解重合工程は、抽出工程で処理されたポリエステル生地を化学的解重合溶液を用いて解重合して、BHET(ビス(2-ヒドロキシエチルテレフタレート))を含む生成物を得るステップを含む。化学的解重合溶液は、エチレングリコールである。抽出溶媒は、化学的解重合溶液と同じであり、どちらもエチレングリコールであるので、本実施形態における抽出工程後のポリエステル生地は、解重合工程を行う前に抽出溶媒を除去するための乾燥工程を経ずに、直接解重合工程を行ってもよい。工程ステップが簡素化され、乾燥工程による抽出溶媒の損失を回避することができる。
いくつかの実施形態では、解重合工程によって得られる生成物は、オリゴマーをさらに含む。
いくつかの実施形態では、化学的解重合溶液は、学的解重合溶液と抽出工程で処理されたポリエステル生地の総重量の30重量%~80重量%を占め、好ましくは40重量%~70重量%を占めるが、本発明はこれに限定されない。
いくつかの実施形態では、解重合工程は、反応速度を高めるために触媒を含む環境中で行われる。触媒は、有機金属又はイオン液体を含んでも良い。有機金属の例には、酢酸亜鉛、有機チタン、有機アンチモン、有機アルミニウム、又は他の適切な有機金属が含まれる。イオン液体は、例えば、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート(1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate,略してBMI-PF6という)、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラクロロ亜鉛酸塩(1-butyl-3-methylimidazolium tetrachlorozincate,略してBMI2ZnCl4という)、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウム テトラクロロイロネート(1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroironate,略してBMI2FeCl4という)、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラクロロコバルテート(1-butyl-3-methylimidazolium tetrachlorocobaltate,略してBMI2CoCl4という)、及び1-ブチル-3-メチルイミダゾリウム テトラフルオロボレート(1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate,略してBMI-BF4という)からなる群から選択される少なくともいずれかであるが、本発明はこれらに限定されない。いくつかの実施形態では、イオン液体のリサイクルを促進するために、イオン液体を粒子状基材上にグラフト化することができる。粒子状基材には、炭素、シリコン、鉄、ニッケル、コバルト、又は他の適切な基材が含まれて良い。
いくつかの実施形態において、触媒は、化学的解重合溶液と抽出工程で処理されたポリエステル生地の総重量の0.3重量%~8重量%を占め、好ましくは1.0重量%~5.0重量%を占めるが、本発明はこれに限定されない。
いくつかの実施形態において、解重合工程の時間は、1時間から6時間であり、好ましくは2時間から4時間の間であるが、本発明はこれに限定されない。
次に、解重合工程により得られた生成物中の不純物を除去し、精製されたBHETを得るために精製工程が行われる。例えば、精製工程は、解重合工程によって得られた生成物を水に溶解し、生成物を冷却してエチレンテレフタレートを結晶化させ、濾過することを含んでも良い。
いくつかの実施形態では、精製工程は、また、解重合工程から得られた生成物中に残留する不純物を吸着するために、珪藻土、活性炭、酸性粘土などを使用することを含んでも良い。
いくつかの実施形態では、精製工程は、熱風、マイクロ波、又は赤外線などのプロセスを通じて、濾過されたエチレンテレフタレートを乾燥することをさらに含んでも良い。
次に、精製されたポリエチレンテレフタレートに重合工程を施して、再生ポリエチレンテレフタレートを形成することができる。本実施形態のリサイクル方法により製造された再生ポリエチレンテレフタレートは、色相品質が良好であり、例えば、L値は55~65であり、a値は‐1~+1であり、b値は‐5~5であるが、本発明はこれに限定されない。L値、a値、b値は、業界で一般的に使用されているCIELab色空間を指す。L値は明るさを表し、a値は緑と赤の値を表し、b 値は青と黄の値を表す。
いくつかの実施形態では、重合した再生ポリエチレンテレフタレートを一軸造粒機または二軸造粒機を介して造粒することによって、再生ポリエステル顆粒を形成することができる。
さらに、抽出工程及び解重合工程の後に、溶媒リサイクル工程を行っても良い。溶剤リサイクル工程は、抽出工程や解重合工程で生成された廃液を濃縮し、蒸留分離装置により廃液中のエチレングリコールをリサイクルすることを含む。抽出溶媒及び化学的解重合溶液はどちらもエチレングリコールを使用しているため、抽出溶媒と化学的解重合溶液を別々に蒸留することなく、単一の蒸留分離装置でエチレングリコールを分離及びリサイクルすることができる。このようにして、設備コストを削減し、溶剤リサイクルの操作手順を削減することができる。
いくつかの実施形態では、溶媒リサイクル工程において、エチレングリコールのリサイクル率は98重量%超であり、エチレングリコールを効果的にリサイクルし、エチレングリコールの損失率を低減する(つまり、エチレングリコールの損失率が2重量%未満である)ことができる。
いくつかの実施形態では、蒸留分離装置は、脱水塔及びグリコール精製塔を含む。
以下、本発明のポリエステル生地のリサイクル方法について実験例を挙げて詳細に説明する。ただし、以下の実験例は本発明を限定するものではない。
実施例1
106グラムのPET生地(約100.2グラムのPET、約5.8グラムの染料などの不純物を含む)を1リットルビーカーに入れ、500グラムのエチレングリコール(EG)(抽出溶媒)を加え、混合物を135℃に加熱して30分間維持した。次に、孔径1mmの漏斗で液体を濾過し、湿ったPET布地には約50グラムのEGが含まれ、その後、湿ったPET布地を1リットルビーカーに入れ、450グラムのEG(抽出溶媒)を加え、混合物を135℃に加熱して30分間維持し、このプロセスを2回繰り返した。つまり、PET生地は合計4つの抽出ステップを経たことになる。
4回の抽出後の合計約149.9グラムの湿ったPET布地には、約99.8グラムのPET布地、約50グラムのEG、及び約0.1グラムの染料などの不純物が含まれていた。湿ったPET生地を1リットルの反応装置(撹拌及び凝縮によって形成された加熱パックを含む)に加え、350グラムのEG(化学的解重合溶液)及び1グラムの酢酸亜鉛(触媒)を加え、温度を198°Cまで上昇させて4時間維持し、解重合工程を行なって、PETを解重合して粗BHET生成物を生成した。
粗BHET生成物を15℃に冷却してBHETを結晶化及び沈殿させ、次いで濾過して200グラムのBHETフィルターケーキを得た。200グラムのBHETフィルターケーキを1リットルビーカーに入れ、200グラムの水を加え、温度を90℃に上昇させてBHETを溶解し、その後5グラムの活性炭を加え、1時間撹拌した。次に、活性炭などの不純物を0.1μm濾紙で濾過し、濾液を90℃から5℃に冷却してBHET結晶を析出させ、1μm濾紙で濾過してBHET濾過ケーキを得た。その後、75℃、100トルの条件で乾燥し、約120グラムの精製されたBHETを得た。
120グラムの精製されたBHETを重合させて、約88.7グラムの再生PET(r‐PET)及び31.3グラムのEG及びオリゴマーなどの副生成物を得た。r-PET収率=88.7g/100.2g=88.5%、色相品質L=60.4、a=0.2、b=1.2。
抽出工程及び解重合工程で得られた廃液は、蒸留工程を経て回収された。EGのリサイクル率=2,167グラム/2,200グラム=98.5%であり、EGの合計損失量は約33グラムであった。
実施例2から実施例6
実施例2から実施例6の処理方法は実施例1と同様である。ただし、実施例2から実施例6の処理条件(抽出温度、抽出時間、解重合温度、解重合時間を含む)は表1に示すとおりである。実施例2から実施例6で得られたr‐PETのL、a、b、収率、抽出溶媒及び化学的解重合溶液の合計損失率を表1に示す。
比較例1
106グラムのPET布地(約100.2グラムのPET、約5.8グラムの染料などの不純物を含む)を取り出し、1リットルビーカーに加え、500グラムのキシレン(抽出溶媒)を加え、混合物を135°Cに加熱して30分間維持した。次に、液体を孔径1mmの漏斗で濾過し、湿ったPET布地には50グラムのキシレンが含まれ、その後、湿ったPET布地を1リットルビーカーに加え、450グラムのキシレン(抽出溶媒)を加え、混合物を135℃に加熱して30分間維持し、このプロセスを2回繰り返した。つまり、PET生地は合計4つの抽出ステップを経たことになる。
4回の抽出後、合計約149.5グラムの湿ったPET布地(約99.4グラムのPET布地、約50グラムのキシレン、及び約0.1グラムの染料などの不純物を含む)は、乾燥して(100トル、120℃)、キシレンを除去する必要があり、約99.5グラムの乾燥PET布地(約99.2グラムのPET、0.2グラムのキシレン、及び0.1グラムの染料などの不純物を含む)を取得し、5℃での凝縮により約50グラムのキシレンを収集した。
上記99.5グラムの乾燥PET生地を、1リットルの反応装置(撹拌及び凝縮によって形成された加熱パックを含む)に加え、400グラムのEG(化学的解重合溶液)及び1グラムの酢酸亜鉛(触媒)を加え、温度を198℃に上昇させて4時間維持し、解重合工程を行なって、PETを解重合して粗BHET生成物を生成した。
粗BHET生成物を15℃に冷却してBHETを結晶化及び沈殿させ、次いで濾過して200グラムのBHETフィルターケーキを得た。200グラムのBHETフィルターケーキを1リットルビーカーに入れ、200グラムの水を加え、温度を90℃に上昇させてBHETを溶解し、その後5グラムの活性炭を加え、1時間撹拌した。次に、活性炭などの不純物を0.1μm濾紙で濾過し、濾液を90℃から5℃に冷却してBHET結晶を析出させ、1μm濾紙で濾過してBHET濾過ケーキを得た。その後、75℃、100トルの条件で乾燥し、約115.0グラムの精製されたBHETを得た。
115.0グラムの精製BHETを重合して、86.3グラムの再生PET(r‐PET)と、28.7グラムのEG及びオリゴマーなどの副生成物を得た。r-PET収量=86.3g/100.2g=86.1%、色相品質L=60.7、a=0.1、b=3.2。
抽出溶媒の回収:約1,631グラムの抽出溶媒を蒸留によって回収し、乾燥工程で収集した50グラムの抽出溶媒に加え、合計1,681グラムのキシレンを収集した。キシレン収率=1,681/1,850=90.9%、キシレン溶剤169gが漏洩し、損失率は9.1%であった。
化学的解重合溶液の回収:解重合工程の廃液中の394グラムのEGを蒸留によって回収した。EGのリサイクル率=394グラム/400グラム=98.5%であった。EG溶剤は6グラム漏洩し、損失率は1.5%であった。
抽出溶媒及び化学的解重合溶液の合計損失量は175グラムであり、その合計損失率は7.8%であった。
比較例2から比較例6
比較例2から比較例6の加工方法は比較例1と同様である。ただし、比較例2から比較例6の処理条件(抽出溶媒、抽出温度、抽出時間、解重合温度、解重合時間を含む)は、表2に示す通りである。比較例2から比較例6で得られたr‐PETのL、a、b、収率、抽出溶媒及び化学的解重合溶液の損失率を表2に示す。
表1及び表2から分かるように、実施例1~6の抽出溶媒及び化学解重合溶液はいずれもエチレングリコールであるため、比較例1~6に比べて、解重合工程の前に抽出溶媒を除去する乾燥工程を省略しても、色相品質及び収率の良好なr-PETを得ることができる。実施例1~6はプロセスを簡素化し効率的であり、乾燥工程中の抽出溶媒の損失を回避できることが分かる。したがって、実施例1~6の抽出溶媒及び化学的解重合溶液の合計損失率は、比較例1~6に比べて大幅に低い。
また、実施例1~6の抽出溶媒及び化学的解重合溶液は、単一の蒸留分離装置で回収することができる。抽出溶媒及び化学的解重合溶液をそれぞれ回収するために少なくとも2セットの蒸留分離装置を使用する必要がある比較例2と比較して、実施例1~6は、設備コスト及び運転コストを削減し、リサイクル手順を簡素化することができる。
上記に基づいて、本発明のポリエステル生地のリサイクル方法は、抽出溶媒及び化学的解重合溶液としてエチレングリコールを使用することにより、プロセスを簡略化し、良好な色相品質及び収率を有するr-PETを得ることができる。さらに、本発明のポリエステル生地のリサイクル方法は、抽出溶媒及び化学的解重合溶液を回収するために単一の蒸留分離装置を効果的に利用することができ、したがって、溶媒の損失を減少させるだけでなく、設備及び運転コストも削減することができる。
本発明を上記の実施形態を参照して説明したが、本発明の精神から逸脱することなく説明した実施形態に修正を加えることができることは当業者には明らかである。したがって、本発明の範囲は、上記の詳細な説明によってではなく、添付の特許請求の範囲によって定められる。
本発明のポリエステル生地のリサイクル方法は、生地のリサイクル方法に適用することができる。

Claims (9)

  1. ポリエチレンテレフタレート及び染料を含むポリエステル生地を提供することと、
    エチレングリコールを抽出溶媒として用いて、ポリエステル生地を抽出溶媒に浸漬し、80℃~180℃の温度で抽出することを含み、前記ポリエステル生地から前記染料を除去する抽出工程を行うことと、
    化学的解重合溶液を用いて、前記抽出工程で処理された前記ポリエステル生地を解重合して、BHET(ビス(2-ヒドロキシエチルテレフタレート))を含む生成物を得ることを含む解重合工程を行うことであって、前記化学的解重合溶液はエチレングリコールであることと、
    前記解重合工程によって得られた前記生成物中の不純物を除去し、精製されたBHETを得るために精製工程を行うことと、
    前記抽出工程及び前記解重合工程の廃液を回収し、単一の蒸留分離装置により前記廃液中のエチレングリコールをリサイクルする溶媒リサイクル工程を行うことと、
    を含み、
    前記溶媒リサイクル工程において、前記エチレングリコールのリサイクル率は98重量%超である、ポリエステル生地のリサイクル方法。
  2. 前記抽出工程において、前記ポリエステル生地は、1~10回の抽出ステップが行われ、各前記抽出ステップでは、前記ポリエステル生地を新しい抽出溶媒に浸漬する、請求項1に記載のポリエステル生地のリサイクル方法。
  3. 各前記抽出ステップの時間は20分から1時間である、請求項2に記載のポリエステル生地のリサイクル方法。
  4. 各前記抽出ステップにおいて、前記ポリエステル生地に対する前記抽出溶媒の重量比は5対10である、請求項2に記載のポリエステル生地のリサイクル方法。
  5. 前記解重合工程は、190℃~240℃の温度で行われる、請求項1に記載のポリエステル生地のリサイクル方法。
  6. 前記化学的解重合溶液の重量は、前記化学的解重合溶液と抽出工程で処理されたポリエステル生地の総重量の30重量%~80重量%を占める、請求項1に記載のポリエステル生地のリサイクル方法。
  7. 前記解重合工程は、触媒を含む環境中で行われ、前記触媒は、有機金属又はイオン液体を含む、請求項1に記載のポリエステル生地のリサイクル方法。
  8. 前記触媒の重量は、前記化学的解重合溶液と抽出工程で処理されたポリエステル生地の総重量の0.3重量%~8重量%を占める、請求項7に記載のポリエステル生地のリサイクル方法。
  9. 前記解重合工程の時間は、1時間から6時間である、請求項1に記載のポリエステル生地のリサイクル方法。
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