Reciclaje de polímeros mediante la producción de materiales de alto valor añadido
- Autores: Noelia Arnáiz Arnáiz
- Directores de la Tesis: Ignacio Martín Gullón (dir. tes.), María Francisca Gómez-Rico Núñez de Arenas (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat d'Alacant / Universidad de Alicante ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Paula Sánchez Paredes (presid.), Juan Carlos García Quesada (secret.), J. Ángel Menéndez Díaz (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: RUA
- Resumen
INTRODUCCIÓN Los nanofilamentos de carbono son materiales cristalinos, compuestos principalmente por carbono, donde la unidad básica es el grafeno y cuyo uso y valor está creciendo debido a sus extraordinarias propiedades mecánicas y conductoras. Estos filamentos tienen aplicación en los sectores de automoción, construcción o deporte, como relleno en nanocomposites de polímeros, por su alta resistencia y su bajo peso. Se usan también en catálisis como catalizador.
La diferencia entre nanotubos de carbono (CNTs) y nanofibras de carbono (CNFs) está relacionada con la orientación de las capas de grafeno en la estructura del filamento. En los CNTs, las capas de grafeno están enrolladas en cilindros perfectos, mientras que en las CNFs, las capas de grafeno están orientadas de otras formas. Entre estas diferentes estructuras, los CNTs poseen mejores propiedades mecánicas y conductoras y las CNFs, tienen como ventaja, una baja energía dispersiva, lo que permite una mejor funcionalización.
Su principal forma de producción es por descomposición catalítica de hidrocarburos en fase vapor (CVD) sobre un metal de transición (principalmente Fe, Co o Ni) en estado elemental a altas temperaturas (entre 500 y 1100 ºC), en co-atmósfera de hidrógeno. Como fuente de carbono suelen emplearse tanto hidrocarburos saturados (gas natural, metano), insaturados (etileno, acetileno) como aromáticos (benceno y xileno). Según el hidrocarburo, la naturaleza del metal y la temperatura, pueden crecer distintas estructuras de filamentos de carbono. Por ejemplo, las CNFs fishbone, donde las capas de grafeno están inclinadas, pueden crecer a partir de algún hidrocarburo o CO sobre un catalizador de níquel, mientras los nanotubos de carbono de pared multiple (MWCNTs) crecen normalmente por la descomposición de acetileno o de un compuesto aromático sobre hierro.
Por otro lado, los polímeros como el polietileno (PE), el polipropileno (PP), el tereftalato de polietileno (PET) o el nylon, han aumentado mucho sus producciones, y por tanto, también sus residuos, en los últimos años, ya que su uso se ha extendido a todos los campos de la sociedad. El sector del embalaje supone el mayor consumidor de plásticos seguido del de la construcción, de la automoción y de la electrónica. Una parte de estos residuos plásticos es recuperada mediante su reutilización como material polimérico o su transformación en otros productos químicos, mediante valorización energética o mediante procesos de descomposición térmica o pirólisis. Sin embargo, existe aún una gran cantidad llevada al vertedero. Comparando los datos de Europa en 2005 con los de 2010, en los últimos años, la recuperación ha crecido de 10.4 a 14.3 millones de toneladas y el vertido se ha reducido ligeramente de 11.6 a 10.4 millones de toneladas. Aún así, es importante porque el total del residuo plástico post-consumo ha crecido en un 12.3%, por lo que sería interesante que esta fracción pudiera ser aprovechada para alguna aplicación.
La descomposición térmica de los materiales poliméricos produce en pirólisis cantidades apreciables de hidrógeno e hidrocarburos volátiles. Existen ya estudios que demuestran la viabilidad de utilizar como fuente de carbono para la producción de nanofilamentos distintos tipos de polímeros, sin embargo lo que se pretende en este trabajo es poner en marcha un método sencillo, sin reducción previa del catalizador, económico, ya que no se necesita adición extra de hidrógeno, y medioambientalmente sostenible, puesto que como materia prima se utiliza un residuo, que pueda ser extrapolado a un proceso de producción en continuo a gran escala.
DESARROLLO Se han realizado experimentos de descomposición térmica de polietileno en un reactor a escala de laboratorio a distintas temperaturas con el fin de analizar los gases obtenidos y concretar las temperaturas a las que se obtiene mayor cantidad de hidrógeno e hidrocarburos. A continuación, se ha simulado, mediante una mezcla sintética, la corriente óptima, y se ha utilizado esta mezcla para la obtención de nanofilamentos de carbono en un reactor de lecho fijo horizontal en el que previamente se ha introducido el catalizador para el crecimiento de nanofilamentos a distintas temperaturas con el fin de acotar las condiciones óptimas de crecimiento y valorar la viabilidad de realizar el proceso sin aporte extra de hidrógeno tras la caracterización de los nanofilamentos de carbono obtenidos Una vez realizado, este estudio preliminar, se ha puesto a punto un sistema de dos reactores en serie, uno de lecho fluidizado para la pirólisis de los polímeros, con el que obtener una corriente continua y estable en el tiempo y rica en hidrógeno e hidrocarburos, y otro, el de lecho fijo horizontal, para el crecimiento de nanofilamentos. Se han realizado experimentos a distintas temperaturas en ambos reactores y para cuatro polímeros, partiendo de los resultados obtenidos en el estudio anterior, para obtener la temperatura óptima tanto de pirólisis de cada polímero como de crecimiento de nanofilamentos para cada caso. Se han caracterizado los gases de pirólisis en cada caso y los nanofilamentos obtenidos con el fin de estudiar la evolución.
Finalmente se ha llevado a cabo un estudio similar al anterior con una mezcla de polímeros equivalente al flujo de residuos plásticos en España.
CONCLUSIONES Se demuestra que es factible la obtención de distintos tipos de nanofilamentos a partir de los gases de pirólisis de distintos polímeros por separado y también con una mezcla de ellos equivalente a la del flujo de residuos.
Además, se comprueba que la temperatura tanto de pirólisis como de crecimiento de nanofilamentos es clave para la obtención de una buena calidad cristalina. En general, con poliolefinas se obtienen muchos hidrocarburos semivolátiles en la pirólisis que pueden convertirse en una capa de carbono amorfo recubriendo los nanofialmentos crecidos.
Con polímeros que poseen grupos funcionales en sus estructura, como es el caso del nylon o el PET se pueden obtener nanofilamentos de carbono funcionalizados con heteroátomos, que amplían su campo de aplicación.
El proceso propuesto es sostenible medioambiental y económicamente, puesto que es un método sencillo y permite tratar un flujo de residuos plásticos sin necesidad de separación previa, de forma que se obtiene un producto de alto valor añadido. Además, no sería necesaria la adición extra de hidrógeno a la obtenida en la corriente de pirólisis.
Tras el proceso de obtención de los nanofilamentos, la corriente de salida del reactor podría ser usada para otros propósitos, como recuperación energética, ya que solo se consume una pequeña cantidad de etileno y propileno.
