Perspetiva da indústria e tecnologia de processo da N-metilpirrolidona (NMP)

A N-metilpirrolidona (NMP) é um solvente aprótico, caracterizado por elevada polaridade, elevado ponto de ebulição, baixa viscosidade, baixa volatilidade e elevada estabilidade térmica e química. Como solvente de alto desempenho, é amplamente utilizado na produção de baterias de iões de lítio, síntese de polímeros, produtos químicos electrónicos, tintas isolantes e muitos outros campos.

As fontes de NMP podem ser divididas em duas categorias: NMP sintético e NMP recuperado. As NMP sintéticas referem-se a produtos NMP obtidos por síntese química. A via de produção industrial consiste em produzir produtos NMP por condensação de gama-butirolactona (GBL) e monometilamina como matérias-primas. A recuperação de NMP refere-se à reciclagem do líquido residual de NMP utilizado como solvente após recuperação e purificação.

O mercado das NMP é enorme e está a crescer
Nos últimos 5-10 anos, devido ao rápido desenvolvimento da indústria de baterias de lítio, a escala de consumo de NMP cresceu rapidamente. Em 2022, o consumo de NMP na China é de cerca de 1,52 milhões de toneladas, das quais o consumo no sector do lítio é de cerca de 1,428 milhões de toneladas, representando cerca de 94,0% do consumo total da China. Com a expansão contínua do mercado de veículos de energia nova, a procura de baterias de lítio também aumentou. Prevê-se que, até 2025, o consumo de NMP na China atinja 3,44 milhões de toneladas. Entre 2022 e 2025, a taxa de crescimento anual composta do consumo será de cerca de 31,3%. Para além de ser utilizado no domínio das baterias de iões de lítio, o NMP pode ser utilizado como líquido de remoção de fotorresistências e agente de limpeza de painéis de visualização de semicondutores no domínio dos produtos químicos electrónicos. Na síntese de polímeros, pode ser utilizado como solvente de reação para polímeros especiais, como a para-aramida, o sulfureto de polifenileno (PPS) e a poliimida (PI).

Tecnologia de síntese NMP
Na síntese de NMP, a maioria dos fabricantes utiliza a desidrogenação do 1,4-butanodiol (BDO) para produzir GBL e, em seguida, a amonização e condensação para produzir NMP. A Mitsubishi Chemical utiliza a hidrogenação do anidrido maleico para produzir GBL, que é depois amonizado e condensado para produzir NMP.
A produção industrial de NMP é realizada mais cedo e o processo de produção está maduro. Atualmente, a via técnica industrial de produção de NMP no mundo é principalmente GBL e NMP de condensação de monometilamina. De acordo com as diferentes condições de reação, pode ser dividida em reação não catalítica e reação catalítica, sendo a primeira o processo de produção utilizado pela maioria das empresas produtoras.
A NMP de condensação sem catalisador de GBL e monometilamina foi desenvolvida por E. path et al em 1936, e foi primeiro industrializada pela BASF na Alemanha e GAF nos Estados Unidos, que é a tecnologia de produção de NMP mais utilizada atualmente. Uma vez que o processo de produção de NMP não catalítico requer frequentemente temperaturas elevadas, pressão, requisitos elevados de equipamento, elevado consumo de energia, e a utilização de catalisadores pode reduzir as condições de reação e poupar energia. Por conseguinte, nos últimos anos, muitos investigadores nacionais e estrangeiros começaram a prestar atenção ao papel dos catalisadores neste processo. Em 2008, a química da pereira da Coreia do Sul adoptou a tecnologia de síntese catalítica de peneira molecular ZSM, que pode reduzir as condições de reação até certo ponto.

Na China, a Sinopec utiliza Cu-Zn-Cr-Zr como catalisador para a desidrogenação e aminação do BDO para produzir NMP. Embora o processo catalítico tenha vantagens óbvias, devido a alguns problemas de engenharia (como a vida útil do catalisador, etc.), existem atualmente poucas aplicações industriais.

A produção de NMP adopta um processo catalítico, e um novo catalisador de cério de terras raras composto por zeólito ZSM, desenvolvido independentemente pela Maige Chemical, pode acelerar eficazmente a velocidade de ciclo fechado do NMH intermédio.

O mercado da recuperação e purificação de NMP tem amplas perspectivas
A indústria de NMP não tem uma grande barreira à entrada, porque a indústria do lítio a jusante continua a crescer, cada vez mais empresas começaram a produzir NMP e a indústria está a crescer cada vez mais. A maior parte do NMP utilizado como solvente pode ser reciclado, o que permite poupar custos e reduzir o impacto ambiental. De acordo com dados da indústria, são necessárias 1 500 toneladas de NMP para produzir uma bateria eléctrica de 1 GWh. Com o rápido crescimento da produção doméstica de baterias eléctricas, o mercado de reciclagem e purificação de NMP desenvolveu-se rapidamente. Desde 2021, o mercado de recuperação e purificação de NMP testemunhou um crescimento explosivo e, no mesmo ano, um grande número de dispositivos de recuperação e purificação de NMP foi montado na China, com uma capacidade total de recuperação anual de mais de 400.000 toneladas. De acordo com a tendência de produção de baterias eléctricas em 2022, 825 000 toneladas de NMP terão de ser recicladas e purificadas ao longo do ano, prevendo-se que a capacidade de reciclagem e purificação exceda um milhão de toneladas.
Atualmente, os novos veículos de energia tornaram-se a principal tendência de desenvolvimento, a China é o maior mercado de produção e o maior mercado consumidor de novos veículos de energia e baterias eléctricas, espera-se que, nos próximos anos, cresça a uma taxa de 20% a 30% por ano, a purificação de reciclagem de NMP ainda tem um bom potencial de desenvolvimento do mercado.

A reciclagem de NMP divide-se principalmente em dois modos: por um lado, os utilizadores de NMP reciclam-se a si próprios para formar um ciclo interno e, por outro, os fabricantes são encarregados de refinar ou comprar produtos NMP refinados aos fabricantes. Entre os fabricantes de NMP, há empresas especializadas em produtos sintéticos ou em produtos reciclados e há empresas com capacidades de síntese e de reciclagem.

Tecnologia de reciclagem de NMP
A tecnologia de recuperação e purificação de NMP inclui a recuperação e a purificação de duas partes. Atualmente, os principais processos de tratamento da recuperação de gases residuais de NMP são: condensação + processo de adsorção em favo de mel, condensação + processo de pulverização de água e processo de pulverização de água em várias fases.

1. Processo de condensação + adsorção: o gás residual de revestimento é arrefecido primeiro, a maior parte do NMP é recolhida e, em seguida, o gás residual é tratado de acordo com o padrão através do corredor de adsorção, e o gás residual dessorvido é devolvido à extremidade dianteira.
   2, processo de pulverização de água: a utilização de NMP caraterísticas solúveis em água, absorção de água de NMP, de modo que os padrões de emissão de escape. Cada processo tem o seu próprio âmbito de aplicação e vantagens e desvantagens, que devem ser selecionadas de acordo com a situação real da produção e a experiência de engenharia. Quando o NMP é transferido do gás residual para uma solução aquosa ou condensado num líquido, forma-se o líquido residual NMP, cuja pureza não satisfaz frequentemente os requisitos de produção de baterias e que tem de ser purificado antes de poder ser reutilizado.

Tecnologia de purificação NMP
O líquido residual NMP contém geralmente NMP, água, aminas e outras impurezas orgânicas, porque o NMP de grau de bateria é diretamente utilizado para a produção de eléctrodos, a fim de manter a consistência da bateria, a pureza da recuperação é muito elevada.
Atualmente, a reciclagem de NMP de grau eletrónico convencional adopta a tecnologia de retificação, a diferença é que o processo e a conceção do equipamento principal são diferentes e a qualidade do produto e a taxa de recuperação podem ser alcançadas. Tendo em conta o elevado preço e o elevado consumo de NMP, a tendência geral é escolher um processo de purificação com elevada qualidade, elevado rendimento e baixo consumo.

Na China, o sistema de purificação de líquidos residuais NMP da Tianjin Zhongfu Environmental Protection adopta tecnologias de base, como a tecnologia de pré-tratamento, a tecnologia de destilação de precisão, a filtração e adsorção de alta precisão, a otimização da rede de transferência de calor e outras tecnologias de reforço de processos para purificar o solvente NMP ao nível da bateria. É relatado que a Zhongfu Environmental Protection é uma das primeiras empresas a desenvolver a tecnologia de purificação de NMP, já em 2014, em cooperação com a BYD para realizar a purificação de solventes NMP e a pesquisa e desenvolvimento de tecnologia de utilização de recursos e transformação de resultados, a primeira no país a construir dispositivo de purificação de solventes NMP, para alcançar a reutilização de NMP na purificação da planta. Desde então, vários projectos de purificação de solventes NMP foram postos em funcionamento, com mais de 30 casos relacionados. Tem cooperado com muitas empresas líderes na indústria de baterias de lítio, como BYD, Yiwei Lithium Energy, Haichen New Energy, Bang Pu Cycle, e tem uma boa reputação no mercado no domínio da purificação de NMP.