determinación mediante técnicas instrumentales de la

I Simposio Iberoamericano de Ingeniería de Residuos
Castellón, 23-24 de julio de 2008.
DETERMINACIÓN MEDIANTE TÉCNICAS INSTRUMENTALES DE LA
COMPOSICIÓN DE LOS RECHAZOS DE RESIDUOS ELÉCTRICOS Y
ELECTRÓNICOS
Rico, M. I.* Devesa F.; Navarro R.; Crespo J.E.
Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales,
Escuela Politécnica Superior de Alcoy, Universidad Politécnica de Valencia
Pza. Ferrandiz y Carbonell , 03801 Alcoy (Alicante)
Resumen
El reciclado de los materiales procedentes de residuos eléctricos y electrónicos es un tema
de gran interés en nuestros días debido a la gran cantidad de residuos que se generan en
nuestra sociedad. Este tipo de residuos generan al mismo tiempo un problema
medioambiental, al contener en muchos casos, metales pesados, siendo estos de difícil
tratamiento, es por ello el objetivo de nuestro estudio, el análisis de la composición de los
residuos presentes en los equipos eléctricos y electrónicos, además de su viabilidad en un
procesado posterior. Se han realizado diferentes clasificaciones, para poder realizar con
posterioridad ensayos térmicos, como TGA y DSC, y ensayos estructurales como FTIR. Los
análisis realizados están orientados para ver la compatibilidad de los diferentes
componentes de cada fracción. Los resultados obtenidos reflejan que dentro de la muestra
de partida hemos encontrado una gran variedad de materiales como papel, madera,
plásticos diversos (ABS, PP, PS, PE…), así como diferentes tipos de metales. Además, se
observa que, tras los ensayos, la fracción de materiales con una densidad comprendida
entre 1-1.1 g/cm3, es la fracción óptima para una posible recuperación y reciclado de
material.
Palabras clave: residuos eléctricos y electrónicos (WEEE); análisis;
recuperación y reciclado.
clasificación;
1. Introducción
La producción de equipos eléctricos y electrónicos es una de las actividades más crecientes
del mercado. Este desarrollo ha causado tanto un aumento en la fabricación de estos
equipos como la producción de residuos por ello, el objetivo de este trabajo es el análisis de
la composición de los residuos presentes en los equipos eléctricos y electrónicos, además
de su viabilidad en un procesado posterior.
Por otro lado, la rápida evolución de la tecnología implica que los equipos eléctricos y
electrónicos sean sustituidos en un menor periodo de tiempo, ya que en pocos años quedan
obsoletos, por lo que en los últimos años se ha incrementado la necesidad de tratar todos
los residuos que se generan.
Actualmente, en el mercado disponemos de una gama muy amplia de equipos eléctricos y
electrónicos: ordenadores, teléfonos móviles, agendas portátiles digitales (PDAs),
reproductores de vídeo, reproductores MP3 y otros artículos eléctricos y electrónicos con un
ciclo de vida corto. Todos estos productos dejan a su paso una gran problemática ambiental
a la hora del tratamiento de sus residuos. Es por ello que muchos países y organizaciones
*
Contacto: M. I. Rico; Tel. 646669149; e-mail: [email protected]
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han propuesto una legislación nacional para mejorar la reutilización, reciclando y
recuperando el material procedente de estos residuos [4].
La composición de los residuos de equipos eléctricos y electrónicos es muy variada, siendo
común en muchos de ellos las placas de circuitos impresos así como diversos componentes
eléctricos. Los residuos de placas de circuitos electrónicos presentan cierta problemática a
la hora de reciclarlos, principalmente por su composición heterogénea, formada
principalmente por material orgánico, metales, y fibras de vidrio. En el año 2002, tan solo se
recicló en el Reino Unido, el 15% de las 50.000 toneladas de residuos de circuitos eléctricos
generados. [5]
Debido a que los residuos procedentes de equipos eléctricos y electrónicos no son residuos
homogéneos es de vital importancia desarrollar un sistema de reciclaje rentable y ecológico
con el fin no sólo de reducir la cantidad de material desechado sino también de promover la
recuperación de ciertos componentes valiosos; pero para ello es importante identificar y
cuantificar todos los componentes que forman el residuo.
En el presente estudio, se ha realizado una caracterización de los residuos de equipos
eléctricos y electrónicos para evaluar el potencial de recuperación.
Los residuos de equipos eléctricos y electrónicos, pueden ser considerados como un
recurso para la recuperación de metales y plásticos entre otros componentes. (Figura 1).
Se estima que aproximadamente el 66 % de los residuos eléctricos y electrónicos están
compuestos por metales (hierro, cobre, aluminio y oro) y no-metales, con otros agentes
contaminantes que constituyen aproximadamente el 34 % del total.
madera
vidrios
materiales
poliméricos
materiales no
ferreos
materiales ferreos
otros
Figura 1. Materiales encontrados en equipos eléctricos y electrónicos
Por otro lado, los materiales poliméricos que forman parte de este residuo, son
principalmente el Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS) y el Poliestireno de Alto Impacto
(HIPS), usados sobre todo en las carcasas exteriores de los equipos eléctricos y
electrónicos ya que proporcionan una alta resistencia al impacto y una excelente apariencia.
Otros componentes de esta fracción son el Óxido de Polifenol (PPO) por su resistencia a
altas temperaturas y el Polietileno y el PVC por sus buenas propiedades como aislantes
eléctricos [7-9]. (Figura 2).
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PP o PE
PPO
ABS
HIPS
Otros
Figura 2. Materiales poliméricos encontrados en equipos eléctricos y electrónicos
2. Experimental
2.1 Materiales
Los materiales empleados en el estudio, han sido una mezcla triturada de diversos
materiales (figura 3). La partida procede de un centro de recogida selectiva de tratamiento
de residuos eléctricos y electrónicos; dichos residuos han sido proporcionados por el
Instituto Tecnológico del Plástico (AIMPLAST).
Figura 3. Residuo de equipos eléctricos y electrónicos
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2.2 Preparación de las muestras:
En primer lugar y debido a la diversidad de materiales, se ha realizado una separación por
flotación con el fin de obtener grupos de materiales más homogéneos.
La muestra se ha separado en 3 fracciones diferentes:
densidades menores a 1 g/cm3.
densidades comprendidas entre 1 y 1.1 g/cm3.
densidades mayores de 1.1 g/cm3.
Para la separación de la primera fracción se utilizó agua. Para la separación de la segunda
fracción se utilizó una disolución acuosa de NaCl.
A partir de cada una de las fracciones obtenidas, se elaboran planchas mediante
compresión, utilizando para ello una prensa de platos calientes, (Robima S.A. Hoytom ltd).
Se realizan tres tipos de planchas diferentes:
fracción para densidad menor de 1 g/cm3.
fracción para densidad es comprendida entre 1-1.1 g/cm3.
fracción para densidad mayor de 1.1 g/cm3.
En último lugar, se ha procedido a la homogeneización de cada fracción para su posible
procesado posterior. Para ello, cada fracción se ha sometido a los rodillos de calandra de
acero, donde la Tª de los rodillos es de 140ºC (Construcciones mecánicas Dupra).
Obteniéndose una muestra homogénea de material para cada una de las diferentes
fracciones.
A continuación se procede a la caracterización de cada grupo de materiales.
2.3 Caracterización de las muestras:
Las curvas DSC fueron obtenidas usando el calorímetro Mettler-Toledo 821 DSC (MettlerToledo Inc., Schwerzenbach, Switzerland) con una velocidad de calentamiento de 20 ºC/min.
y en atmósfera de nitrógeno (70 ml/min.). El peso de las muestras fue aproximadamente de
10 mg.
El ensayo termogravimétrico (TGA) fue realizado usando la termobalanza Mettler-Toledo
TGA/SDTA 851 (Mettler-Toledo Inc., Schwerzenbach, Switzerland) con una temperatura
inicial de 30 ºC y una temperatura final de 900ºC usando una velocidad de calentamiento de
20 ºC/min, en atmósfera de nitrógeno (70 ml/min). Con un peso de muestra entre 6 y 9 mg.
El equipo FT-IR usado en la caracterización espectroscópica fue un Spectrum BX by PerkinElmer (Perkin-Elmer Spain, Madrid, España) con espectroscopía infrarroja por transformada
de Fourier. El espectro infrarrojo fue obtenido con 20 barridos entre 525 y 4000 cm-1, con
una resolución de 4 cm-1.
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3. Resultados
3.1 Separación por flotación
A partir de los resultados del proceso de separación (Tabla 1), se observa que la fracción
más abundante es la correspondiente a densidades mayores de 1.1 g/cm3 (en esta fracción
se encuentran los materiales mas pesados, como metales).
Para observar la facilidad de procesado de estos residuos nos centraremos en la fracción de
densidad menor a 1 g/cm3 y la fracción de densidad comprendida entre 1 y 1.1 g/cm3,
obviando por tanto la fracción más pesada.
Fracción
Menor de 1 g/cm
3
Muestras entre 1 y 1.1 g/cm
3
Muestras de mas de 1.1 g/cm
3
Ensayo
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Peso (g)
35.8
32.8
27.5
32.0
26.4
31.8
40.8
34.2
34.4
41.8
83.6
77.6
89.2
85.0
82.8
Media (g)
30.9
36.6
83.64
Tabla 1. Fracciones obtenidas en la separación.
3.2 Formación de planchas por compresión
Después de establecer las condiciones de ensayo para cada una de las pruebas (Tabla 2),
se observa que los materiales de pertenecientes a cada fracción no se han homogeneizado
con totalidad al crear las planchas por compresión (Figura 4).
(a)
(b)
Figura 4. Planchas creadas por compresión para diferentes fracciones (a) densidades menores a
3
3
1g/cm . (b) densidades comprendidas entre 1-1.1 g/cm
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Fracción
Prueba
Peso (g)
Temperatura (ºC)
Carga
(Kg.)
Tiempo (min.)
Densidades
menores de 1
3
g/cm
Prueba 1
20
180
2000
10
Prueba 1
20
180
2000
10
Prueba 2
20
190
3000
10
Prueba 1
20
190
3000
10
Densidades
mayores de 1
3
g/cm pero
menores a 1.1
3
g/cm
Densidades
mayores de 1
3
g/cm
Tabla 2. Resumen de condiciones de ensayo para cada una de las pruebas.
3.3 Homogeneización mediante los rodillos de calandra
Una vez sometido el material a su homogeneización mediante los rodillos de calandra
(figura 5), se observa que la fracción que mejor se ha homogeneizado, a simple vista, es la
fracción de densidades comprendidas entre 1 y 1.1 g/cm3. Esto es debido a que en esta
fracción el 90% de los materiales que encontramos son materiales poliméricos. En cambio
en la fracción de densidades menores a 1 g/cm3 tenemos materiales muy variados como
madera, papel, ciertos materiales poliméricos…
(a)
(b)
3
Figura 5. Homogeneización de cada una de las fracciones (a) densidades menores a 1g/cm . (b)
3
densidades comprendidas entre 1-1.1 g/cm
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3.4 Análisis térmico
En primer lugar y después de observar las curvas termogravimétricas obtenidas para cada
una de las fracciones (figura 6), vemos que la degradación en la curva de densidades menor
de 1 g/cm3, se produce en tres saltos, el primero es despreciable tratándose de una ligera
pérdida de humedad. Los otros dos saltos se diferencian con bastante claridad, esto se debe
a la variedad de materiales que contiene. Después del primer salto, y a una temperatura
aproximada de unos 300ºC la muestra ha perdido un 10% de su peso total (Tabla 3). En el
segundo salto se produce la degradación en sí del material, siendo la cantidad eliminada del
80% de su peso total, a una temperatura de 450ºC
En cambio, en la fracción de mayor densidad, la degradación se produce en un solo salto.
Si comparamos las dos curvas vemos como la curva de mayor densidad presenta un
comportamiento un poco mejor frente a la degradación que la fracción de menor densidad,
ya que ésta comienza a degradarse a una temperatura menor (aproximadamente sobre los
300 ºC).
Por otra parte, la cantidad de residuo es levemente mayor en la fracción de menor densidad
3
Fracción menor de 1g/cm
3
Fracción entre 1-1.1 g/cm
100
Peso perdido
de muestra (%)
80
60
40
20
0
0
200
400
600
800
1000
Temperatura (ºC)
Figura 6. Comparación del análisis termogravimétrico las dos fracciones diferentes.
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er
1 Salto
Cantidad
eliminada
(%)
< 1g/cm
3
1-1.1 g/cm
3
er
2º Salto
Tª (ºC)
degradac
Cantidad
eliminada
(%)
3 salto
Cantidad
Tª (ºC)
Tª (ºC)
eliminada
degradac.
degradac.
(%)
-
~180
~10
~300
~80
450
90
~440
-
-
-
-
Tabla 3. Tabla comparativa de datos
Las curvas obtenidas usando la calorimetría diferencial de barrido (DSC) ofrecen
información sobre las transiciones que ocurren en el material de las distintas fracciones
debido a la acción de la temperatura (figura 7). Las variaciones de estas transiciones
muestran los cambios de estructura ocurridos en el material.
Si nos fijamos en la figura, vemos que no se observa la presencia de materiales
semicristalinos.
La temperatura de transición vítrea es de unos 88ºC para la fracción de mayor densidad
mientras que para la fracción menor de 1 g/cm3 es de 101ºC, por tanto este dato nos indica
que las propiedades térmicas y mecánicas del material son mejores para la fracción de
densidades comprendidas entre 1-1.1g/cm3.
A temperaturas de 130ºC y 160ºC, se produce una reacción endotérmica donde se indica
la fusión del material.
0
5
10
Tiempo (minutos)
15
20
Fracción menor de 1g/cm
25
30
35
40
400
450
3
Onset: 101.15ºC
Enset: 107.79 ºC
Inflect. Pt.: 107.26 ºC
-1
1.2 Wg
Fracción entre 1-1.1 g/cm
3
Onset: 88.38ºC
Enset: 98.54 ºC
Inflect. Pt.: 94.20 ºC
0
50
100
150
200
250
300
350
Temperatura (ºC)
Figura 7. Comparación de las curvas térmicas de cada una de las fracciones
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3.5 Análisis Infrarrojo (FTIR)
Con este ensayo se pone de manifiesto que la espectrofotometría FT-IR es una técnica de
análisis de gran utilidad para estudiar cambios microestructurales causados por condiciones
externas adversas a los materiales poliméricos.
En nuestro caso tenemos una mezcla más o menos homogénea de diversos materiales en
cada una de las fracciones. Después de obtener los espectros (figura 8), se han clasificado
los posibles materiales que existen en cada una de las fracciones (Tabla 4).
2914,98
2357,73
718,49
1729,34
1523,89
1460,95
1375,41
996,55
873,55
1169,10
fracción de nsidad me nor de 1g/cm3
695,73
A
755,20
1450,86
1160,91
963,21
1492,01
fracción de nsidade s com prendida s entre 1-1.1g/cm3
832,10
1600,09
2918,16
4000,0
3600
3200
2800
1772,24
2400
2000
1800
cm-1
1600
1400
1200
1000
800
Figura 8. Comparación de las diferentes fracciones mediante FTIR.
Número de onda
~3000-2900 cm-1
~1800-1720 cm-1
~1435 cm-1
~1380-1300 cm-1
~1195-1087 cm-1
~650-850 cm-1
Asignación mas probable
3
3
<1 g/cm
1-1.1 g/cm
Común a todos los materiales poliméricos
ABS, PE
PE
ABS
Común a todos los materiales poliméricos
ABS, PP, PE
PE ó PP
ABS
HIPS, PP, ABS, PE,
PE ó PP
HIPS ó ABS
HIPS, ABS, PE, comp.
PE
HIPS ó ABS
Aromáticos.
Posibles materiales
Tabla.4. Bandas espectrales más significativas que aparecen en el espectro FT-IR.
600,0
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4. Conclusiones
En el presente estudio, los análisis realizados están orientados para ver la compatibilidad de
los diferentes componentes de cada fracción.
En este lote hemos encontrado una gran variedad de materiales como papel, madera,
plásticos diversos (ABS, PP, PS, PE…), así como diferentes tipos de metales.
Después de haber realizado todas las separaciones y clasificaciones pertinentes, se observa
tras los ensayos que la fracción de materiales con una densidad comprendida entre 1-1.1
g/cm3, es la fracción óptima para una posible recuperación y reciclado de material, pues
todos los materiales que forman este grupo son materiales poliméricos. No obstante, hemos
obtenido las siguientes conclusiones:
1) En la separación de los materiales por flotación, la fracción más pesada es la
fracción de densidades mayores a 1.1 g/cm3. Esto se debe a que los componentes
que forman esta fracción son mayormente metales. En nuestro estudio, esta fracción
la desecharemos.
2) Al formar las planchas de las diferentes fracciones, vemos que la homogeneización
no es total, en cambio, se ha logrado una mejor homogeneización en la fracción de
densidad comprendida entre 1-1.1g/cm3 al usar los rodillos de calandra.
3) Después del análisis termogravimétrico se concluye que la curva de mayor densidad
presenta un comportamiento un poco mejor frente a la degradación que la fracción
de menor densidad, además, de la fracción de densidad menor de 1g/cm3 de obtiene
una mayor cantidad de residuo.
4) En cuanto al ensayo de calorimetría diferencial de barrido no se observa la presencia
de materiales semicristalinos. Por otra parte, las propiedades térmicas y mecánicas
son mejores para la fracción de densidades comprendidas entre 1-1.1g/cm3.
5) El análisis infrarrojo muestra que el material mayoritario en la fracción de densidades
comprendidas entre 1-1.1 g/cm3 es ABS o HIPS, mientras que en la fracción de
densidad menor que 1 g/cm3 el material mayoritario es PE ó PP.
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L37, 24-38. Parlamento Europeo y Consejo, 2003 el Parlamento europeo y el Consejo de la
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circuit boards”., Resources, Conservation and recycling., 51 , 691-709 (2007).
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