Degradación del tereftalato de polietileno haciendo uso de la pirolisis para ser transformado y considerado como fuente de combustible

Degradación del tereftalato de polietileno haciendo uso de la pirolisis
para ser transformado y considerado como fuente de combustible
Resumen
Desde la antigüedad, el hombre ha utilizado
polímeros naturales como la madera, la resina, etc., en
múltiples aplicaciones. Sin embargo, la necesidad de
obtener nuevos tipos de materiales con propiedades
particulares condujo al desarrollo de los primeros
polímeros sintéticos. Entre la gran gama de productos
poliméricos más usados de la actualidad, podemos
destacar al tereftalato de polietileno mejor conocido
como PET, fue producido por primera vez en 1941 por
los científicos británicos Whinfield y Dickson. Uno de los
usos más grandes que se le da a este polímero es para
crear botellas ya que sus propiedades son óptimas al
desempeñar esta función.
Sin embargo la producción excesiva y el bajo reciclaje
han provocado a lo largo de los años que el nivel de
contaminación a causa de este polímero sea alarmante.
Ya no es sorpréndete que al salir a la calle, al dar un
paseo por el campo, caminar cerca de un rio o de la
playa, notar una gran cantidad de botellas de PET
tiradas, esto no solo visualmente es desagradable si no
también peligroso, los mares por ejemplo que son el
habitad de una inmensa cantidad de especies animales
son contaminados con estos productos.
El reciclaje es la mejor opción que tenemos actualmente
para detener este problema, sin embargo es difícil
concienciar a las personar para que reciclen. Aun así
podemos buscar nuevos tipos de métodos para el
reciclaje que permitan incluso la solución de otro
problema.
Entre otros métodos de reciclaje de polímeros está el
“reciclado térmico” para este caso hacemos uso del
método llamado pirolisis que consiste en la degradación
del PET por medio del calor en usencia del oxígeno. Del
resultado de este proceso obtenemos sustancias con un
grado alto de probabilidad de ser utilizadas como
combustible. Pero el análisis del producto obtenido nos
brindara la información con la que confluiremos si
nuestro proceso de reciclaje es una buena alternativa.
Abstract
Since ancient times, man has used natural
polymers such as wood, resin, etc., in multiple
applications. However, the need to obtain new types
of materials with particular properties led to the
development of the first synthetic polymers. Among
the wide range of polymeric products most used
today, we can highlight the polyethylene
terephthalate better known as PET, it was produced
for the first time in 1941 by the British scientists
Whinfield and Dickson. One of the greatest uses of a
polymer is to create bottles and that its properties are
optimal when performing this function.
However, excessive production and low
recycling have caused over the years that the level
of contamination due to this polymer is alarming. It is
no longer surprising that when you go out on the
street, when taking a walk in the countryside, walking
near a river or the beach, noticing a large number of
PET bottles thrown away, this is not only visually
unpleasant but also dangerous, the seas for example
that are the habit of an immense quantity of animal
species are contaminated with these products.
Recycling is the best option we currently have
to stop this problem; however, it is difficult to educate
people to recycle. Even so, we can look for new types
of recycling methods that can solve even another
problem.
Among other methods of recycling polymers is
"thermal recycling" for this case we make use of the
method called pyrolysis which consists of the
degradation of PET by means of heat in the absence
of oxygen. From the result of this process, we obtain
substances with a high degree of probability of being
used as fuel. But the analysis of the product obtained
provides us with the information with which we will
converge if our recycling process is a good
alternative.
Palabras clave: tereftalato de polietileno(PET), Pirolisis
C.A. Salado Chávez, J.E. Rojas Vásquez, A.J. Quiroz Bautista, L.D. Rodríguez Joaquín , O. Ramírez Ortigoza
Grupo: 414
Asignatura: Procesos de Manufactura
Profesor: Dr. Juan Manuel Espinoza Cuadra
Carrera: Ing. Mecatrónica
Universidad Tecnológica de la Mixteca, Oaxaca, México
Introducción
Planteamiento del problema
El uso de polímeros se ha
convertido en algo tan fundamental en
nuestras vidas que hemos dejado de
notarlo. Incluso, la mayoría de los
objetos con los que estamos en contacto
a diario están hechos de polímeros. Sin
embargo, debido a un desmedido mal
uso que se le ha dado en las últimas
décadas ha provocado un alto impacto
ambiental. Uno de los polímeros que
más se consumen en el día promedio de
una persona, son los envases de PET (
tereftalato de polietileno) ya que son
utilizados mayormente como envases de
distintos tipos de alimentos y bebidas, lo
cual, a su vez, ocasiona que dichos
envases no tengan, tanto un desecho
rápido.
Pero existe una solución, el reciclado. Se
han diseñado distintos tipos de métodos,
cada uno de ellos aplicado en relación a
sus características, es decir, que tipo de
plástico se trata (PET, PEAD, mezcla,
etc.). Métodos, como: El reciclaje
mecánico, el reciclado químico, etc.
Pero además contamos con un gran
problema que actualmente genera una
lucha entre países a niveles masivos,
siendo nosotros dependientes del
combustible fósil, o petróleo en nuestro
día a día, por desgracia México se
encuentra con una gran cantidad de
recurso primario, pero no con la
iniciativa de explotarlo para el beneficio
propio, haciéndonos dependientes de
otras potencias por este material.
El petróleo es un recurso natural no
renovable utilizado como materia para
producir plásticos, lubricantes y otros
productos sintéticos, así como fuente de
energía para generación de electricidad y
principalmente
para
medios
de
transporte. Debido a su gran variedad de
usos y su alto valor económico, el
petróleo es uno de los recursos más
codiciados a nivel mundial, siendo una
de las causas principales de guerras entre
países que desean tener control de los
pozos petrolíferos.
Planteamiento de la solución al
problema
Tomando en cuenta que tenemos
dos grandes problemas a niveles
mundiales, uno puede ser la solución del
otro si se sabe manejar. En nuestro país
hay varias formas de combatir el exceso
de PET generando productos como ropa
de vestir, materiales de construcción,
incluso casas hechas a base de estos
residuos, pero no es lo suficiente para
combatir todo el residuo que hemos
generado. Entonces tenemos grandes
problemas a nivel mundial y serían la
escasez de combustibles fósiles siendo
una de las principales fuentes de energía
además de ser un recurso no renovable,
el otro problema es la gran
contaminación que ha sufrido el planeta
debido al uso desmesurado de los
polímeros entre ellos el PET.
Así, mediante una investigación se ha
encontrado que se puede reciclar el
Tereftalato de Polietileno, mediante el
reciclaje térmico, se encontró que
efectivamente existe una forma en la cual
podemos degradar el PET lo que
representa una posible solución a dos
problemas importantes
Tereftalato de Polietileno PET
Químicamente: El paraxileno, extraído
del petróleo crudo, permite la obtención
del ácido tereftálico al oxidarse con el
aire. Por su parte, el etileno, derivado del
gas natural, se oxida con aire para la
obtención del etilenglicol. El PET resulta
de la combinación del ácido tereftálico y
el etilenglicol
Las cadenas del PET están constituidas
por moléculas repetitivas como las que se
muestran en la figura
ilustración 1 Molécula del PET
Datos importantes
Oxígeno : valencia 2
Carbono Valencia 4
Hidrógeno: valencia 1
Analizando la molécula de derecha a
izquierda podemos observar un enlace
libre, preparada para unirse a más
moléculas para formar una cadena eso
representa la n, esta unidad se repetirá n
veces, después un carbono enlazado
covalentemente a un oxígeno de manera
doble, adelante nos encontramos con un
anillo aromático C6H4, de nuevo un
carbono enlazado covalentemente con
un oxígeno de manera doble y de manera
simple, a continuación el grupo etileno y
terminamos con un oxígeno con un
enlace libre.
Por sus átomos de Oxigeno las cadenas
del PET forman puentes de hidrógeno
pero no están crosslikeadas pues el PET
es un termoplástico y esa es una
característica de los termoestables
Combustibles
Combustible es cualquier material
capaz de liberar energía cuando se oxida
de forma violenta con desprendimiento
de calor, dejando como residuo calor,
dióxido de carbono y algún otro
compuesto químico.
La combustión se produce entre dos
elementos: el combustible, que puede ser
un sólido (Carbón, Madera, etc.), un
líquido ( Gasóleo, Fuel-Oil, etc.) o un gas
(Natural,
Propano,
etc.)
y
el
comburente(oxigeno del aire), también
se necesita alguna energía de activación.
La mayoría de los combustibles, al
margen de que sean sólidos, líquidos o
gaseosos,
están
compuestos,
básicamente, por Carbono (C) e
Hidrógeno (H); ósea son hidrocarburos,
de aquí podemos ver las posibilidades de
transformar el PET en un combustible
pues este está compuesto por cadenas
que incluyen en gran medida carbonos e
hidrógenos pero con el problema de
contar con enlaces dobles de oxígeno y
un anillo aromático.
Objetivo
Hacer uso de la pirolisis como un método
de tratamiento de reciclaje que permita
degradar al Tereftalato de Polietileno
(PET) convirtiéndolo en un posible
combustible.
Metodología
El reciclaje químico o de materia prima
es una serie de etapas en las cuales las
moléculas que constituyen los polímeros
son
rotas
o
craqueadas,
para
nuevamente obtener sus materiales
iniciales como los monómeros.
Pirolisis
El término pirólisis se refiere a la
degradación térmica de una sustancia en
ausencia de oxígeno, por lo que dichas
sustancias se descomponen mediante
calor, sin que se produzcan las
reacciones de combustión, los productos
que se obtienen son: el gas de pirólisis,
alquitranes y carbón. Las cantidades y
composiciones que se obtienen de cada
uno de ellos dependen en gran medida de
las condiciones en que se realice esta
pirolisis
Existen diferentes tipos de Pirolisis en
función de las condiciones físicas en las
que se realice. Así, factores como la
velocidad de calentamiento, el tiempo de
residencia, la presión, etc., tienen una
influencia muy grande en la distribución
de productos que se obtienen. Esto
puede verse resumido en la siguiente
tabla
También depende la composición
estructural de la materia prima
Despolimerización
El reactor pirolítico es el lugar donde
ocurren
las
reacciones
de
despolimerización y degradación térmica
de la materia prima.
Normalmente, la ruptura de enlaces
requiere de un aporte de energía,
mientras que la formación de enlaces
nuevos desprende energía.
Como
vimos
anteriormente
un
combustible
es
básicamente
un
hidrocarburo.
La molécula del PET es en esencia un
hidrocarburo, pero con el problema de
contar con átomos de Oxigeno
ilustración 3 Molécula del PET
Se debe separar el enlace entre el
carbono y el oxigeno
Enlace doble carbono-oxígeno
Carbono y oxígeno forman enlace doble
terminal C=O llamado grupo carbonilo
Ilustración 2 Temperaturas de trabajo para la pirolisis
La temperatura determina que tan
rápido se lleve a cabo la descomposición
térmica de los plásticos, se encuentran en
rangos de 500 a 600°C (Espinoza
Merchán & Naranjo Cabrera, 2014).
Osease como un proceso convencional.
ilustración 4 Grupo funcional
Carbonílico
En particular para el PET notamos un
grupo funcional Éster
ilustración 5 Fórmula general de
un éster
Donde R representa nuestro anillo
aromático y R´ el grupo etileno
Anillo aromático
Otra parte importante de la molécula es
el anillo aromático, utilizamos la palabra
aromático para referirnos a la clase de
compuestos que contienen anillos de seis
miembros parecidos a los del benceno
con tres dobles enlaces.
ilustración 6 Anillo aromático
del PET
Este elemento proporciona rigidez a la
cadena del polímero. Esto influye en
varias
características
importantes,
incluyendo la temperatura de transición
vítrea.
Anteriormente hablamos que el PET es
más usado en botellas, pues la razón
está aquí:
Este tipo PET es amorfo(casi) y está
diseñado para evitar la cristalización. Si
el PET de grado botella se cristalizara, se
volvería opaco y, más importante aún,
perdería su resistencia al impacto. En el
PET, el grupo etileno corto hace que la
cristalinidad sea opcional. Podemos
tener PET amorfo si lo enfriamos
rápidamente o podemos tener PET
semicristiano
si
lo
enfriamos
lentamente.
Temperaturas
Según la siguiente tabla:
ilustración 7 Melting and Glass
Transition Temperatures For Some of
the more common Polymeric Materials
Cuando se calienta el material a
temperatura ambiente, lo primero que
se nota es la transición vítrea (69 C°). En
este punto, el material ha perdido la
rigidez que tenía a temperatura
ambiente y es suave y flexible. Si este
proceso avanza lo suficiente nuestro
material a 265ºC pasa a un estado
líquido muy viscoso. Mas allá esta la
temperatura de descomposición a la
cual se rompen los enlaces covalentes de
las cadenas. (es una temperatura que en
polímeros termoplásticos puede ir de
400C° a 500 C°)
Con la temperatura que alcanzada en el
rector de pirolisis es suficiente para
generar la energía necesaria para
craquear la molécula del PET.
La ausencia de calor permite que no
exista un proceso de combustión
completa
De lo contrario esta combustión
conduce a la oxidación total de todos los
elementos que constituyen el elemento,
en el caso de hidrocarburos:
Carbono
 CO2
Hidrogeno  H2O
Azufre
 SO2
Nitrógeno  N2
Oxigeno  Participará
como oxidante
Aun así con los átomos de oxígeno de la
molécula del PET tenemos cierto grado
de combustión incompleta.
Proceso de pirolisis
Como resultado del proceso se puede
obtener lo siguiente:
Gas, cuyos componentes básicos son
CO, CO2, C2H6, CH4. Residuo líquido,
compuesto
básicamente
por
hidrocarburos de cadenas largas como
alquitranes, aceites. Material solido
como carbón.
ilustración 8 Esquema del equipo para realizar la
pirolisis
Una vez que comienza el proceso, al
calentar y descomponer al PET, se
forma una mezcla de vapor y gas dentro
del rector de pirolisis, que se envía por
tubería al condensador enfriador, el
aceite liquido combustible condensado
se descarga en un tanque. Este
combustible hidrocarburo se pude
procesar para producir fracciones de
gasolina queroseno o gasoil
Resultados y discusión
Según investigaciones obtenidas, el
resultado obtenido luego de aplicar un
pirólisis convencional al polietileno
tereftalato (PET) donde se establecieron
las condiciones bajo las cuales se trabajó
como: tiempo de residencia de unos
30min, temperaturas del horno de entre
500°C y 600°C y temperaturas de
condensador de 30°C. Se obtuvieron
producto sólido como, carbón y un
hidrocarburo líquido.
Si bien no estamos seguros de la
composición exacta del líquido podemos
indagar que los hidrocarburos que
tienen desde uno a cuatro carbonos son
gaseosos (por ejemplo: metano, etano o
etileno). Los hidrocarburos con más de
cinco carbonos son líquidos, por
ejemplo, el hexano o el octano. los
hidrocarburos con más diecisiete
carbonos son sólidos como es el caso del
heptadecano.
Los hidrocarburos
líquidos son
parecidos a los del apartado de
combustibles gaseosos pero con la
diferencia de que, a presión y
temperatura ambiente, son líquidos.
Tienen moléculas más pesadas. Se
obtienen por extracción y refinamiento
y, dependiendo de este último proceso,
el producto final es uno u otro: gasolina,
keroseno, gasóleo… son todos ellos
hidrocarburos líquidos.
Según la investigación en las que nos
hemos basado, el producto liquido
obtenido es el siguiente:
ilustración 9 Producto
obtenido en proceso de
pirolisis
fuente :Fredy Danilo
Lojano Quiroga
El color de los hidrocarburos está
determinado por sus componentes y de
su estructura molecular. Normalmente
los hidrocarburos puros son incoloros, y
van tomando alguna tonalidad cuando
ocurre un proceso de oxidación en
aquellos hidrocarburos no saturados.
No existen pruebas estandarizadas para
evaluar el color u olor, para esto se hace
dejando caer una gota del compuesto en
una hoja de papel blanca y para el olor se
hace mediante la percepción del olfato,
los resultados fueron una mancha color
amarilla (no es totalmente puro por la
poca combustión que logro hacerse
mientras ocurría la pirolisis ) y un olor
con aroma parecido al de la gasolina.
El compuesto obtenido presentaba un
buen
comportamiento
como
combustible por si solo, ya que al
suministrarle
una
energía
de
activación(una chispa) comenzaba el
proceso de combustión aunque de una
manera menos eficiente en comparación
con la gasolina.
Sin embargo en cuanto al rendimiento,
se obtiene un valor muy bajo pues de
1500g del peso del PET utilizado se
obtienen
104.40g
de
peso
del
hidrocarburo osease una medida de
rendimiento de 6.96%
Esto se debe a la complejidad de la
molécula pues en plásticos más simples
como el Polietileno la cantidad de
hidrocarburo obtenido es mayor ya que
hablamos de un polímero con una
estructura molecular muy sencilla.
Si bien la investigación en la que nos
basamos no concluye exactamente en la
obtención de Gasolina, nosotros en base
a las características del hidrocarburo
obtenido proponemos que el uso de un
proceso de destilación fraccionada
haciendo pruebas con temperaturas
parecidas a las realizadas con el petróleo
crudo podrían darnos como resultado un
combustible como la gasolina.
Este sería un segundo proceso con el cual
teorizamos pues no hay información
existente que lo verifique.
Conclusiones
Si bien el proceso de pirolisis tiene la
capacidad de lograr convertir el PET en
un hidrocarburo con alto grado de
combustión, la cantidad y calidad
obtenida además de los recursos
necesarios para ejecutar dicha tarea
parecen no ser rentables, aunado a esto
necesitaríamos además un proceso extra
(la destilación) para para obtener un
producto puro.
El problema para este caso no es el
proceso, mas bien es el material a
utilizar, investigaciones han demostrado
que el uso de otros polímeros como son
el PE obtiene mejores resultados gracias
a la simplicidad de su estructura
química.
Deducimos que el proceso de pirolisis
para obtener combustible a partir del
PET es posible, pero no es una solución
para los problemas planteados ya que no
es eficiente la cantidad de producto
obtenido para satisfacer demandas de
combustible.
Los resultados no fueron los esperados
sin embargo el quipo puede concluir que
aunque el método hubiera sido exitoso
los métodos clásicos de reciclaje del PET
son funciónales y buenas opciones pero
ningún método puede eliminar el
verdadero problema de raíz, que es
concienciar a la población sobre el
correcto uso de los desechos plásticos y
aun mas sobre el uso desmedido que les
damos. No importa cuantos métodos de
reciclado eficiente existan, si la gran
mayoría de la población
no se
responsabiliza al respeto nuestro destino
como el de una gran cantidad de especies
animales y vegetales está condenado.
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