Traducido del portugués al español - www.onlinedoctranslator.com Materials Science Forum Vols 730-732 (2013) págs. 592-597 © (2013) Trans Tech Publications, Suiza doi:10.4028/ www.scientific.net/MSF.730-732.592 En línea: 2012-11-12 Evaluación del Potencial de Valorización Energética de Poliméricos y Residuos industriales textiles Celia Sousa2,Fernando Castro1,Cândida Vilarinho1a,Delfín Soares1 1CT2M - Centro de Tecnologías Mecánicas y de Materiales, Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Miño 2 Endutex-Revestimentos Têxteis, SA [email protected] (autor correspondiente) Palabras clave: Recuperación de energía; residuos sólidos; industria textil. Abstracto:Entre los residuos sólidos producidos por la industria textil, hay una cantidad importante de residuos con valor energético y que suelen ser enviados a vertederos controlados, sin ningún tipo de valorización. Esta ruta tradicional corresponde a altos costos económicos y ambientales, ya que los residuos pueden usarse como fuente de energía y/o materiales. Con la ruta del reciclaje fuertemente restringida debido a la presencia de mezclas de diferentes tipos de compuestos poliméricos, algunos de ellos no biodegradables, el estudio de la viabilidad de la valorización energética de dichos residuos resulta de suma importancia y objetivo del presente trabajo. La mayoría de los desechos son recursos valiosos que pueden utilizarse como materia prima o como fuente de energía para producir calor o electricidad. En este trabajo se investigó la potencialidad de recuperación energética de los residuos sólidos de algunas de las unidades textiles del Vale do Ave. Para ello se han caracterizado los residuos por su pérdida de peso a 105ºC, poder calorífico y contenido de cenizas (después de quemarse a 850ºC). La composición química de las cenizas se determinó mediante espectrometría de fluorescencia de rayos X. Se realizaron ensayos DSC-TGA en dos atmósferas diferentes, aire y argón, con el fin de evaluar el comportamiento térmico de los residuos estudiados. Los residuos caracterizados presentaron valores caloríficos nada despreciables, variando entre 3500 y 10400 kcal/ kg (en base seca), similares a los resultados obtenidos por otros autores y comparables a los materiales sólidos que tradicionalmente se consideran combustibles (caña de azúcar, lignito, etc.). ). Se logró una pérdida de peso a (105ºC) inferior al 6,5% y un contenido máximo de cenizas del 15%. Sin embargo, algunas cenizas presentan un alto contenido de metales pesados, lo que puede generar problemas medioambientales. Mediante el análisis de los perfiles térmicos se encontró que la descomposición de los residuos se produce a bajas temperaturas (< 600ºC) resultando en una pequeña cantidad de fracción sólida final. Con respecto a los resultados obtenidos, los residuos sólidos recolectados de diferentes unidades textiles muestran un alto potencial de recuperación energética. 1- Introducción Actualmente, existe un interés creciente en utilizar los residuos como fuente de energía. Además de la motivación por reducir la eliminación de residuos ambientales, evitando la formación de lixiviados y reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero, existe otra preocupación y exigencia relacionada con la preservación de los combustibles fósiles para lograr una vida más larga de las reservas disponibles [1- 4]. Los desechos contienen cantidades significativas de recursos valiosos que pueden usarse como materias primas y/o energía. Por ello se deben desarrollar algunas alternativas de tratamiento a la tradicional deposición final de los residuos. Los desechos son generados continuamente por unidades humanas/industriales y pueden reemplazar las materias primas tradicionales y las energías no renovables. La energía contenida en los residuos puede utilizarse para producir calor o electricidad [5,6]. Hay varios métodos disponibles para la valorización energética de los residuos, incluida la construcción de instalaciones especialmente diseñadas para este fin, nuevas unidades de energía basadas en tecnologías avanzadas (gasificación, pirólisis), plantas de cogeneración y centrales térmicas existentes para quemar residuos o rechazar combustibles derivados [ 7]. Mediante la pirólisis de residuos mixtos y el encaminamiento del gas producido hacia una turbina, es posible producir electricidad con una eficiencia superior al 30% [8]. La descomposición de residuos con un importante poder calorífico en los procesos industriales, reemplazando parte de la cantidad de combustible fósil que se alimenta de los residuos, conocida como cocombustión, puede ser Reservados todos los derechos. Ninguna parte del contenido de este documento puede reproducirse o transmitirse de ninguna forma ni por ningún medio sin el permiso por escrito de Trans Tech Publications, www.ttp.net. (ID: 128.6.218.72, Bibliotecas de la Universidad de Rutgers, Nuevo Brunswick, EE. UU.-06/01/15,12:16:10) Foro de ciencia de materiales vols. 730-732 593 considerado como un proceso de recuperación de energía. Ryu et al [6,9] realizaron varias pruebas de cocombustión con mezclas de diversas composiciones. Descubrieron que la co-combustión de estos residuos se puede mejorar cuando se usan junto con un material con velocidades de ignición similares. La industria textil, uno de los sectores industriales más importantes de Portugal, genera importantes cantidades de residuos en los procesos de producción. Su cadena de suministro comprende el conjunto de procesos que permiten la transformación desde la fibra (base cruda) hasta un producto terminado [10]. Durante estos procesos se generan residuos. En algunos casos, los residuos sólidos se pueden reciclar en la industria textil o similar, pero una cantidad importante de residuos no se pueden reutilizar y actualmente se depositan en vertederos [11, 12]. Algunos residuos no son biodegradables y, en el caso de los polímeros sintéticos, se pueden reciclar. duros como el cristal, lo que supone limitaciones adicionales para su gestión. Una alternativa para el tratamiento/valorización de estos residuos se puede lograr mediante la valorización energética de los residuos [13,14] mediante procesos de conversión térmica. Estos procesos se basan en la degradación de las moléculas orgánicas por acción del calor, con el objetivo de recuperar la energía de los residuos. Esta degradación puede tener lugar en ausencia de aire, pero el proceso se acelera mucho en presencia de oxígeno. Los polímeros, ya sean naturales o sintéticos, al ser sometidos a un proceso térmico pueden producir cambios estructurales, caracterizados por la ruptura de los enlaces químicos en las cadenas principales. Estos cambios se destacan por la disminución de la masa molar con la evolución de productos volátiles [15]. Para ello es necesario alcanzar la temperatura correcta, durante un tiempo mínimo, para asegurar que todas las moléculas orgánicas iniciales se descompongan. Entre los residuos sólidos que produce este sector, existen grandes cantidades de residuos con alto poder calorífico y por ello el estudio de la viabilidad de la valorización energética de dichos residuos es crucial. campbell et al.[11] demostró que los residuos de la industria textil (fibras naturales, fibras sintéticas y fibras celulósicas), especialmente pelusas, en un lecho fluidizado circulante de pequeña escala, presentan un enorme potencial energético, lo que los hace aptos para la combustión conjunta con carbón. Sin embargo, la eficiencia disminuye ligeramente con el aumento de la cantidad de residuos sólidos [11]. En el presente trabajo se investigó la potencialidad de recuperación energética de los residuos sólidos de algunas unidades textiles del Vale do Ave. 2- Materiales y Procedimiento Experimental Se realizó la caracterización y estudio del comportamiento térmico de residuos sólidos de la industria textil, concretamente aquellos con matrices poliméricas, con el fin de evaluar su potencial de valorización energética. El trabajo se apoyó en las siguientes etapas: Recolección y selección de residuos sólidos generados por empresas de la industria textil ubicadas en Vale do Ave – Portugal; Caracterización de residuos y pruebas de análisis térmico de los residuos seleccionados. 2.1 - Recolección y selección de residuos sólidos generados por unidades de la industria textil ubicadas en Vale do Ave La identificación de los residuos seleccionados para el presente trabajo se presenta en la tabla 1. Fueron recolectados en diferentes unidades industriales de la región de Vale do Ave. Los diecisiete residuos seleccionados presentan como destino final vertedero o almacenamiento en las unidades industriales, sin ninguna valorización. Pestañael 1–Identificación de los residuos seleccionados de la industria textil. liendres. Muestra 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Desperdiciar Orillo Envases de papel contaminados con PVC Briquetas de pelusa Papel transfer contaminado con restos de pasta papel de transferencia Restos de pasta seca Trapos de limpieza contaminados con aceites Briquetas de pelusa Fibras textiles Fibras textiles sin procesar contaminadas con aceites. 594 VI Foro de Materiales Avanzados 11 12 13 14 15 16 17 Plástico Fibras textiles Fibras procesadas Trapos contaminados con aceite y nafta Fibras procesadas Fibras textiles sin procesar. Absorbentes/trapos contaminados con aceite. 2.2 - Pruebas experimentales Para determinar el poder calorífico de los residuos [16] se realizaron pruebas experimentales según la norma CEN/TS 15400:2006 en un equipo calorimétrico LECO - Modelo AC500. Los resultados se determinaron en base seca, para ello las muestras se secaron previamente a 105 ºC. Las pruebas de pérdida de peso se realizaron por gravimetría a 105 °C hasta peso constante. El contenido de cenizas se determinó gravimétricamente después de quemar completamente la muestra en un horno a una temperatura de 850 °C. Posteriormente las cenizas fueron analizadas mediante espectrometría de fluorescencia de rayos X (XRF – X' Unique II Philips) para determinar su composición química. El análisis térmico de las muestras de residuos se realizó en una termobalanza TA Instruments, modelo 2960SDT, en dos atmósferas diferentes, argón y aire, a una velocidad de calentamiento de 10 °C/min, en crisoles de alúmina y desde temperatura ambiente hasta 700 y 1000 °C. [15]. 3 - Resultados y discusión Un resumen de los resultados de la caracterización de los residuos seleccionados se muestra en la tabla 2. Los residuos presentan en general altos poderes caloríficos y reducidos niveles de pérdida de peso a 105 ºC y contenido de cenizas. Los poderes caloríficos de los residuos se encuentran en el rango entre 3500 y 10400 kcal/ kg, base seca. Varios autores también encontraron resultados similares [5,6,16,17]. Al comparar los resultados obtenidos con los poderes caloríficos de materiales sólidos ya considerados como combustibles, es posible verificar que son del mismo orden de magnitud [18] mostrando potencial para la valorización energética de los residuos estudiados. En cuanto a la pérdida de peso, todos los residuos presentan un valor bajo (< 6,5%) a excepción de los trapos contaminados con aceite y nafta (37%). Este último resultado se explica por la gran cantidad de agua y compuestos volátiles que se eliminan a la temperatura ensayada. Algunos de los residuos presentan contenidos de cenizas inferiores al 1,0%, mostrando un alto grado de eliminación. Los demás residuos presentan valores que podrían llegar al 15%. El contenido de cenizas parece estar significativamente relacionado con la composición química de los residuos. Tabla 2- Caracterización de residuos. Muestra 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 perdida de peso (%) < 0,1 5.6 5.5 3.2 5.5 0.3 1.3 6.1 5.3 4.4 0,4 0,8 4.8 37.1 5.0 5.5 4.3 Valor calorífico (kcal/kg) 5500 4000 4100 4200 3500 5800 8300 4000 4100 5200 10400 5300 4000 4500 4000 4000 5400 Contenido de ceniza (%) 0.3 1.4 0,5 8.7 10.9 5.9 0,5 1.3 0.3 1.1 15.0 0.3 0,2 7.7 0,7 3.2 1.2 595 Foro de ciencia de materiales vols. 730-732 La composición química de las cenizas se determinó mediante análisis XRF. Los resultados se presentan en la tabla 3. Tabla 3- Análisis químico por XRF de las cenizas obtenidas (% en peso). Concentración (%) Muestra Al2EL3 Perro CL Fe2EL3 k2MgOMnO Concentración de metales pesados (ppm) En2EL 1 8.4 - - - - - - - 4.7 - - - - - - - 2,3 0,80 ------- 66 2 28 27 0,44 1,5 1,6 3,5 0,22 - - - - - - - 1,3 PAG2EL5 0,99 SiO2 Tío2 cr Culo Mes Ni Pb sb sn 16 ------- - - - - - - - 840 -------------- 31 5.6 370 300 - - - - - - - 240 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2700 13 ------- 2.4 910 44700 - - - - - - - 700 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 1200 --------------------------- 3 ------- 17 6.1 4,6 40 10 0,12 - - - - - - - 4 20 ------- 49 -------------- 1.3 -------------- 0,95 25 - - - - - - - 3200 230 ------- - - - - - - - - - - - - - - 9600 ------- 5 36 1.1 2.1 1.2 -------------- 1.6 46 0,077 6500 450 ------- - - - - - - - - - - - - - - 400 ------- 880 9,7 0,41 6 - - - - - - - 5,5 0,13 7 ------- 25 ------- 8 14 20 2.0 11 2.5 9 ------- 35 2.7 2.3 10 5.9 18 4.8 11 - - - - - - - 64 14 12 - - - - - - - 2,0 - - - - - - - - - - - - - - 13 ------- 14 ------- 62 zinc 13200 - - - - - - - 0,053 ------- - - - - - - - - - - - - - - 0,22 ------- 94 ------- 160 -------------- 8,2 5,1 2,0 0.090 ------- 34 ------- 24 500 2300 ------- ------- 600 - - - - - - - - - - - - - - 5800 11 0,20 ------- 8.8 28 1.4 1300 80 ------- 1900 - - - - - - - 140 - - - - - - - 2500 1.4 17 - - - - - - - - - - - - - - 7,3 32 2.6 1500 1700 ------- ------- 18 14 13 0,18 - - - - - - - 10 13 1.2 ------- 8200 ------- 2.2 ------- 12 0,13 - - - - - - - 5,2 0,33 0,67 < 0,050 14 2.5 0,47 11 0,19 - - - - - - - 7,4 7.6 39 0,25 0,16 --------------------------- --------------------------- 2100 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 10900 7800 ------- - - - - - - - - - - - - - - 3100 ------- 770 13 83 ------- 1700 ------- - - - - - - - - - - - - - - 2600 ------- 340 6.1 ------- 2.5 850 3900 ------- ------- --------------------- 740 12 - - - - - - - - - - - - - - 1000 35600 450 900 - - - - - - - - - - - - - - 700 14400 ------- 0,59 ------- 26 --------------------- 15 ------- 32 4,5 1.6 14 25 0,14 ------- 12 9,7 0,36 300 2300 ------- 200 ------- ------- ------- 180 16 ------- 50 5.8 4.2 11 18 0,25 ------- 11 - - - - - - - < 0,050 ------- 300 ------- ------- ------- ------- ------- 420 17 - - - - - - - 17 4.0 16 30 12 0,19 - - - - - - - 17 ------- 0,63 1900 5800 3200 1900 ------- ------- - - - - - - - 980 La presencia de metales pesados en el residuo final (cenizas) es consecuencia de su uso como cargas para incrementar algunas características químicas o físicas de los materiales de fabricación. La presencia de fósforo en algunas muestras podría estar relacionada con la aplicación de retardantes de llama a algunos materiales textiles, que en su mayoría están compuestos por fosfatos. El uso de estabilizantes, para retener el color y mejorar la estabilidad térmica, puede ser una fuente de zinc y calcio. Los compuestos de calcio comúnmente utilizados en la producción de una amplia variedad de productos, concretamente aditivos en revestimientos de papel, pinturas/pigmentos y en la fabricación de plásticos, también son una fuente complementaria de calcio. El titanio puede obtenerse mediante el uso de dióxido de titanio que, cuando se divide finamente, tiene numerosas aplicaciones. Es un pigmento que se puede utilizar para dar opacidad y blancura a pinturas, papeles, etc. El uso de otros pigmentos puede explicar la presencia de aluminio, silicona, hierro, cobre y cromo. La razón de la presencia de cloro resulta de la existencia de materiales de PVC y del uso de blanqueadores en los que el agente activo es el cloro. El contenido de Si, Al, K, Na y Fe es muy importante ya que estos elementos inducen la fusión a bajas temperaturas y por ello la elección del proceso de conversión térmica deberá tenerlos en cuenta. La presencia de metales pesados en las cenizas podría causar algunos problemas ambientales a la hora de eliminarlas en el suelo. Sin embargo, sólo después de la evaluación toxicológica de los residuos, basada en la Decisión de la Comisión 2000/532/CE, y del análisis de los lixiviados a partir de pruebas de lixiviación realizadas, según ensayos estándar (EN EN12457-4), será posible determinar el correspondiente impacto ambiental. En cualquier caso, el volumen de residuos destinados a vertedero (menos del 20 %) se reduce significativamente tras la etapa de valorización energética. El comportamiento térmico de los residuos para dos atmósferas diferentes se analizó mediante pruebas DSC-TGA para todos los residuos analizados. Los experimentos se llevaron a cabo para verificar el efecto de un proceso de pirólisis (argón) y de un proceso con reacciones oxidantes (aire) en la recuperación energética de residuos de la industria textil. Se presentan ejemplos de las curvas DSC-TGA obtenidas para reacciones con descomposición de un solo paso (Figura 1) y reacción de dos pasos (Figura 2). 596 VI Foro de Materiales Avanzados 100 1200 80 800 60 400 40 0 20 0 - 400 0 20 100 0 80 - 20 60 - 40 40 - 60 20 - 80 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Masa (%) 1600 Flujo de calor (mW/mg) b) Masa (%) Flujo de calor (mW/mg) el) 100 200 300 400 500 600 700 Temperatura (ºC) Temperatura (ºC) Figura 1- Resultados de DSC-TGA para la muestra 1 analizada con atmósfera de aire a) y argón b). b) 120 10 100 80 0 80 80 60 40 40 0 20 - 40 - 80 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Temperatura (ºC) Flujo de calor (mW/mg) 160 100 Masa (%) Flujo de calor (mW/mg) 200 - 10 60 - 20 40 - 30 Masa (%) el) 20 - 40 - 50 0 0 100 200 300 400 500 600 700 Temperatura (ºC) Figura 2- Resultados de DSC-TGA para la muestra 5 analizada con atmósfera de aire a) y argón b). En general, independientemente de la atmósfera del proceso, todos los perfiles de las curvas presentan una pequeña pérdida de peso inicial que puede atribuirse a la eliminación de agua y otros compuestos volátiles. La única excepción corresponde a la muestra 1. A temperaturas más altas tiene lugar una primera y principal etapa de descomposición con mayor pérdida de peso. En atmósfera inerte ésta es la única etapa de descomposición que se observa. Sin embargo, en atmósfera aérea, el proceso presenta más etapas de degradación, indicando la existencia de material carbonoso que no se degrada sólo por la acción del calor sino que en presencia de oxígeno ocurre su reacción de combustión. En ambas atmósferas la descomposición finaliza a bajas temperaturas, inferiores a 600 ºC. Para este rango de temperaturas, cuando el proceso se desarrolla en atmósfera inerte, obtenemos la maximización del ingreso de la fracción sólida y líquida, correspondiendo el resto a la fracción gaseosa. A su vez, cuando en presencia de oxígeno se produce una mayor descomposición de las muestras, dando como resultado una menor cantidad de sólido final. 4- Conclusiones Los residuos de la industria textil tienen altos poderes caloríficos, comparables a otros materiales que actualmente se clasifican como combustibles. Además presentan una baja pérdida de peso a 105 ºC y contenido de cenizas. Sin embargo, algunas cenizas presentan un alto contenido de metales pesados y es necesario evaluar su capacidad de liberación. El análisis térmico de los residuos mostró que, independientemente de la atmósfera del proceso donde se produce la descomposición térmica, el proceso finaliza a temperaturas inferiores a 600 ºC. La reducida cantidad de fracción sólida final muestra un buen perfil de descomposición. El estudio revela que los residuos recogidos de diferentes unidades textiles presentan características adecuadas para la valorización energética. Reconocimiento:CVR- Centro de Valorización de Residuos; Endutex-Revestimentos Têxteis SA; Endutex-Tinturaria e Acabamento de Malhas SA; Malhas SoniCarla SA; Empresas Pizarro; Mabera-Acabamentos Têxteis SA; B. Sousa Dias & Filhos SA y Domingos de Sousa & Filhos SA Foro de ciencia de materiales vols. 730-732 597 Referencias [1] B. McGhee, F. McGhee, CE Snape, P. J Hall, La coprólisis de poli(cloruro de vinilo) con materiales derivados de celulosa como modelo para residuos municipales derivados de carbones, Fuel 74 (1995) 28-31. [2] VI Grover, VK Grover, W. Hogland, Recuperación de energía a partir de residuos: varios aspectos, Energy 29 (2004) 629-631. [3] SV Vassilev, C. Braekman-Danheux, P. Laurent, Caracterización del carbón vegetal derivado de residuos sólidos municipales: 1. Composición química y mineral de fase, Tecnología de procesamiento de combustible 59 (1999) 95–134. [4] N. Lapa, R. Barbosa, MH Lopes, B. Mendesa, P. Abelha, I. 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