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RECICLAJE DEL PET 1
Análisis de viabilidad de métodos de reciclaje del Tereftalato de polietileno
Juan Manuel García Flores
Instituto Tecnológico de Culiacán
Número de control 08170267
Taller de Investigación 2
M.C. María de Lourdes Pérez
Juan Manuel García Flores, Depto. de Ingeniería Bioquímica Instituto Tecnológico de Culiacán
Culiacán, Sinaloa a 30 de mayo de 2014
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Antecedentes
El PET se recicla de la siguiente forma: Una vez recolectado, los envases de PET van a las
estaciones de reciclado donde son molidos en forma de scraps. Los scraps son separados y
lavados de acuerdo con las especificaciones del mercado. El PET recuperado luego es vendido a
los fabricantes quienes lo convierten en productos útiles.
En Estados Unidos, alrededor de un 75% del PET recuperado se usa para hacer fibras de
alfombras, ropa y geotextiles. La mayor parte del 25% remanente es extruido en hojas para
termoformado, inyectado / soplado en envases para productos no alimenticios, o compuesto
para aplicaciones de moldeo. El PET también puede ser depolimerizado a través de metanólisis
o glicólisis. Dichos procesos someten al PET a una reacción química que lo reduce a sus
monómeros o a sus materias primas originales. El resultante luego es purificado o vuelto a
reaccionar, dando un nuevo PET que puede usarse para envases de alimentos, etc.
En algunos lugares, el PET es usado para envases de alimentos a través de su
transformación en la lámina central de una estructura multilaminada o por limpieza especial.
La incineración con recuperación energética representa el 17% de la disposición de los
residuos sólidos en EE.UU. El PET tiene un alto valor de incineración de 23.26 MJ/kg.
Como los envases de PET no contienen halógenos, azufre o nitrógeno, los productos la
combustión completa son compuestos que contienen hidrógeno, oxígeno y carbono.
La utilización de un catalizador persigue la selectividad a productos del máximo interés,
bien como combustible o como materias primas de la petroquímica. Podemos clasificar las rutas
de trabajo que tienen el craqueo catalítico como etapa:
1. El craqueo catalítico directo de los plásticos, que son fundidos en el mismo reactor.
2. El craqueo catalítico (reformado) en línea del producto gaseoso de pirólisis.
3. El reformado del producto líquido de pirolisis, en un segundo reactor catalítico.
4. El craqueo catalítico de los plásticos disueltos.
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Japón es el país que más ha progresado en estas rutas alternativas, cuyo interés reside
en sus posibilidades de aplicación a nivel nacional, combinando las políticas energéticas y
medioambientales.
La estrategia 1 considera a la pirolisis catalítica como un proceso único, que fue
originalmente estudiado en termo balanza con mezclas físicas de plástico y catalizadores ácidos
(Murata y cols., 1973; 1975). Esta estrategia ha sido aplicada posteriormente, tanto en termo
balanza como en lecho fijo, para comparar catalizadores o para realizar estudios cinéticos
(Audisio y cols., 1990; Ishihara y cols., 1990, 1993; Aguado y cols., 1997; Lin y White, 1997;
Sakata y cols., 1999; Ukei y cols., 2000; Marcilla y cols. 2001).
El reactor de lecho fluidizado permite aplicar esta estrategia, en la que el catalizador
sustituye a la arena como coadyuvante de la fluidización y haciendo la función de soporte del
plástico fundido (Sharratt y cols., 1997; Lin y cols., 1998; Mastral y cols., 2002; Ali y cols., 2002).
En la estrategia 2 se plantean las etapas de pirolisis y de craqueo catalítico
interconexionadas, realizándose el reformado catalítico de los productos gaseosos de la
pirolisis. Esta estrategia se ha estudiado a escala de laboratorio y planta piloto (Fukuda y cols.,
1989; Ishihara y cols., 1990), destacándose estudios como el de la empresa Fuji Recycle en
colaboración con Mobil Oil (Williams, 1998).
Se han estudiado como catalizadores principalmente catalizadores ácidos: SiO2/Al2O3,
zeolitas CaX, HZSM-5, H-mordenita, Htheta, REY (Uemichi y cols., 1983, 1998; Mordi y cols.,
1992; Ohkita y cols., 1993; Takumay cols., 2000).
Uemichi y cols. (1999) utilizaron dos reactores catalíticos en serie con sílice-alúmina y
zeolita HZSM-5, con objeto de aprovechar la mayor actividad del primer catalizador (que
consigue una notable reducción de la energía de activación) y la selectividad de forma de la
zeolita (mejor distribución de productos), que va acompañada de una menor desactivación.
Sin embargo, la economía de un proceso de esta naturaleza aconseja el escalado para el
tratamiento de los residuos plásticos del ámbito nacional o incluso supranacional. Este escalado
aconseja utilizar las ventajas de las estrategias 3 y 4 de poder separar la transformación en dos
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etapas, pirolisis o simple licuefacción por disolución (que pueden realizarse a pequeña escala), y
craqueo catalítico (realizado a gran escala y en el entorno de una refinería).
Con la estrategia 3 los residuos plásticos se transformarían en una unidad de pirolisis
autónoma, próxima a los puntos de recogida y de clasificación de residuos. De esta forma se
sustituye el problema de transporte de los plásticos por el del transporte del producto líquido
de pirolisis. Esta estrategia permite aplicar los desarrollos alcanzados en la pirolisis térmica de
residuos plásticos en reactores de lecho fluidizado (Kaminsky, 1995). Los requerimientos
energéticos para operar auto térmicamente en el intervalo 600-800 °C con recuperación de los
monómeros y con un elevado rendimiento de aromáticos pueden alcanzarse combinando la
pirolisis con la combustión parcial de los residuos plásticos y recirculando los gases de pirolisis
(Kaminsky, 1992). Asimismo, esta estrategia propone realizar la segunda etapa, el craqueo, que
conduce a los productos finales y requiere de la optimización de otras unidades de separación y
reformado, en una refinería.
Sobre esta estrategia se han realizado valiosas contribuciones. Songip y cols. (1993,
1994a) mediante pirolisis de polietileno en el intervalo 400-500 °C (minimizando la pérdida de
material por combustión) consiguen un rendimiento del 80% en peso de un fuel rico en
parafinas, el cual mediante craqueo catalítico en lecho fijo a 400 °C produce un elevado
rendimiento a gasolina con alto contenido de isoparafinas y bajo contenido de n-parafinas y
aromáticos (Songip y cols., 1993, 1994b). Ng (1995) obtuvo elevados rendimientos a gasolina de
calidad tras pirolisis de polietileno en el intervalo 450-500 °C y craqueo de los productos líquidos
de pirolisis a 470 y 510 °C. Zhang y cols. (1996) han comparado el empleo de catalizadores
ácidos (zeolita HZSM-5 y SiO2-Al2O3) y básicos (ZnO, MgO, TiO2, BaO, K2O) para el craqueo de
los productos de pirolisis del polietileno. Si bien el rendimiento a productos líquidos es superior
con los catalizadores básicos, se necesita mayor tiempo de reacción y el producto líquido es rico
en 1-olefinas y pobre en aromáticos e isómeros ramificados, por lo que su índice de octanos es
reducido. Sin embargo, en el craqueo de los productos de pirolisis de poliestireno, catalizadores
básicos como BaO y K2O dan un mayor rendimiento a estireno monómero, debido a la rápida
desactivación de los catalizadores ácidos.
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Joo y Guin (1997) han estudiado el reformado de la fracción residual del líquido de
pirolisis (punto de ebullición > 205 °C) de una mezcla de plásticos (polietileno de alta densidad,
polipropileno y poliestireno) por hidrocraqueo sobre catalizadores de NiMo/alúmina.
La estrategia 4, aúna las ventajas de las estrategias anteriores, porque por un lado se
utiliza una sola etapa de reacción y por otro lado, se separa la etapa de licuefacción del plástico
(ahora por simple disolución) con respecto a la etapa posterior de craqueo catalítico.
El interés aceptado de esta estrategia en Europa se fundamenta en sus posibilidades de
implantación industrial (Chem. Week, 1992).
En la etapa de craqueo catalítico se puede dar un paso más para facilitar su implantación
industrial si se adapta a este proceso la tecnología de las actuales unidades FCC (craqueo
catalítico en lecho fluidizado). De esta forma, esta estrategia no requeriría nuevo inmovilizado y
sólo se plantearían pequeños problemas técnicos de alimentación, además de los necesarios
estudios dada la importancia económica de las unidades FCC en las refinerías. Se trataría
fundamentalmente de analizar la influencia de la nueva alimentación sobre los rendimientos
obtenidos, así como la calidad (composición) de los productos. Otro aspecto fundamental sería
determinar el mejor tipo de catalizador para tratar esta nueva alimentación.
La licuefacción, por simple disolución en caliente del plástico, previa a su craqueo bien
térmico o catalítico, facilita el manejo de los plásticos y resulta interesante para mejorar la
transmisión de calor en el craqueo. La disolución puede realizarse en el punto geográfico de
recogida y clasificación de los residuos sólidos, lo que facilita el posterior transporte a refinería.
Esta estrategia permite un tratamiento en refinería a gran escala del plástico disuelto
procedente de diferentes orígenes geográficos. Los productos se incorporarán a las unidades de
separación de la refinería junto con las corrientes de otras unidades (con el consiguiente ahorro
de inmovilizado), con objeto de adaptar la composición a los requerimientos del mercado. En
este sentido, ha de tenerse en cuenta el progresivo aumento de las restricciones a la
composición de los combustibles por la legislación medioambiental (Piel, 2001; Harding y cols.,
2001).
Por otro lado, la elección del disolvente podrá establecerse en virtud de los intereses
comerciales de refinería. De esta forma se contribuye a la tendencia actual de valorizar
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corrientes de refinería de interés secundario (LePage, 1992; Fernández y cols., 2002). En este
sentido, la utilización del ACL (aceite de ciclo ligero) permitirá valorizar una corriente de
refinería que tiene un interés secundario. El ACL es una fracción más pesada que la gasolina
obtenida en las unidades de craqueo catalítico de gas oil (FCC) y que sólo puede utilizarse
parcialmente para preparar combustible de motores Diesel, debido a las restricciones
medioambientales sobre su elevado contenido aromático. Por otro lado, comparando el
proceso de craqueo conjunto plástico/ACL con el proceso de pirolisis directa del plástico, el
primero tiene el requerimiento energético de vaporización del ACL (el cual se transforma en
productos valiosos) mientras en el segundo se ha de calentar un gas inerte (N2) que además
tendrá que recircularse.
Esta estrategia ha sido estudiada en la bibliografía con diferentes reactores y disolventes
y utilizando diferentes catalizadores ácidos de craqueo (Ng, 1995b; Arandes y cols., 1997).
Karayildirim y cols. (2001) han utilizado un gas oil pesado de vacío como disolvente del
polietileno y del cloruro de polivinilo, con hidrógeno en el medio de reacción y con un
catalizador comercial de hidrocraqueo. Los esperanzadores resultados de estos trabajos ponen
de manifiesto el interés por estudiar separadamente cuestiones fundamentales como el papel
que desempeñan los procesos de craqueo térmico y catalítico en la distribución de productos.
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Planteamiento del problema
La contaminación por residuos plásticos presenta en la actualidad un considerable efecto
negativo para la vida humana, puede considerarse sustantivo el problema con el manejo de
desechos compuestos por productos plásticos por ejemplo las botellas de tereftalato de
polietileno (PET).
En la actualidad es considerable el uso de manera global que se hace del Tereftalato de
Polietileno; sus propiedades le han permitido posicionarse en el mercado de envases para
productos alimenticios por contar con propiedades sustantivas para la industria alimentaria,
actualmente son utilizados para envasar bebidas de todos tipos y productos alimenticios como
salsas, cremas y aderezos, sus escaso peso y sus capacidades fisicoquímicas lo convierten en un
compuesto ideal para esos propósitos.
Se trata de un compuesto que permite producir envases higiénicos y rentables, sin
embargo su proceso de desecho y recirculación implica diversos tipos de desgastes que impiden
el reciclaje para fines alimenticios sin un proceso de reciclado y aquellos no reciclados se
convierten en un desecho inerte de contaminación visual y física de los entornos para la vida
humana.
Por medio de este proyecto de investigación se plantea la necesidad de determinar si los
métodos de reciclaje son óptimos y si pueden ser realizados trabajos de investigación al
respecto en las instalaciones del Instituto Tecnológico de Culiacán, además se busca determinar
los procesos que tengan la mayor sustentabilidad posible.
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Objetivos
Determinar qué procesos de reciclaje de los compuestos plásticos elaborados a partir de
PET presenta mayores ventajas bajo criterios de sustentabilidad.
Comprender los factores que intervienen en la viabilidad de un trabajo de investigación y
los pasos específicos así como las herramientas y recursos que deberán utilizarse a fin de lograr
iniciar una determinación comparativa de la eficiencia ecológica y económica de la reutilización
de diversos plásticos de desecho, por medio de diversos procesos de reutilización como
craqueo, pirolisis, destilación fraccionada, craqueo químico, trabajo mecánico entre otros.
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Justificación
A menudo en los procesos de recuperación y reutilización de desechos por medio del
reciclaje se presentan variables que suelen ser ignoradas por el interés en lo novedoso del
proceso que pueda utilizarse o por el interés que puede plantear el resultado, sin embargo es
importante considerar condiciones de sustentabilidad en cualquier proceso de investigación y
someterlo al primer principio humano que es la prevalencia de la vida humana como sociedad y
como especie.
Este trabajo pretende aclarar que no todos los procesos de reciclaje son óptimos en
cuestiones de sustentabilidad, porque aun cuando las soluciones a las que se haya llegado por
medio de diversos trabajos de investigación resultan novedosas o económicamente
convenientes el concepto de contaminación puede prevalecer.
Es importante que consideremos siempre la obtención de la mejor solución posible en
términos primero de vida, sustentabilidad y factibilidad económica.
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Hipótesis
Existen procesos de reutilización del Tereftalato de Polietileno que prevalecen en
sustentabilidad ambiental, energética y económica.
Algunos procesos de reciclaje comprenden mayor consumo energético y económico.
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Marco teórico y conceptual
El término plástico fue invento de Leo Hendrik Baekeland, el primero de ellos fue
conocido como baquelita en 1909. La palabra plástico se usó originalmente en algunos
materiales sintéticos que poseían un cierto grado de movilidad y facilidad para adquirir una
determinada forma, este sentido era otorgado a aquellos materiales sintéticos que en su
estructura mostraban largas cadenas moleculares de compuestos orgánicos derivados del
petróleo y otras sustancias naturales, una manera sencilla de ejemplificar esto es que mientras
en un acero tenemos una estructura atómica en un plástico tenemos una estructura molecular.
Hoy en día en el mundo, el plástico se ha fabricado con la finalidad de satisfacer las necesidades
del hombre en la vida cotidiana y moderna.
Para tener una mejor apreciación de las características y propiedades del PET
conozcamos su nombre técnico que es Polietileno Tereftalato, es un derivado del petróleo
crudo, gas y aire; son materiales sintéticos termoplásticos de poliéster saturado lineal
biorientado, inerte que no produce sustancias tóxicas, que se utilizan como materiales de piezas
técnicas desde 1966, fue patentado como un polímero para fibra por J. R. Whinfield y J. T.
Dickinson en 1941. Catorce años más tarde, en 1951 comenzó la producción comercial de fibra
de poliéster. Desde entonces hasta nuestros días, la fabricación de PET ha presentado un
continuo desarrollo tecnológico, logrando un alto nivel de calidad y una aprobación mundial.
A partir de 1976 se emplea en la fabricación de envases ligeros, transparentes y
resistentes, principalmente para bebidas, los cuales, al principio eran botellas gruesas y rígidas,
pero hoy en día, sin perder sus excelentes propiedades como envase, son mucho más ligeros. En
México se comenzó a utilizar para la fabricación de envases a mediados de la década de los
ochenta y ha tenido gran aceptación por parte del consumidor así como del productor, por lo
que su uso se ha incrementado de manera considerable año tras año. Siendo un polímero, las
moléculas de tereftalato del polietileno consisten en cadenas largas de unidades repetidas que
sólo contienen el carbono (C), oxígeno (O) e hidrógeno (H), todos elementos orgánicos. Por
tanto un kilo de PET está compuesto por 64% de petróleo, 23% de derivados líquidos del gas
natural y 13% de aire. A partir del petróleo crudo, se extrae el paraxileno y se oxida con el aire
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para dar ácido tereftálico. El etileno, que se obtiene a partir de derivados del gas natural, es
oxidado con aire para formar etilenglicol. El PET se hace combinando el ácido tereftálico y el
etilenglicol, la fórmula química del polietileno tereftalato o politereftalato de etileno (PET).
Hoy en día existe en México una legislación ambiental en el concepto de residuos sólidos
urbanos; La Ley General del Equilibrio Ecológico y Protección al Ambiente identificada con las
siglas (LGEEPA) en las que queda establecido el funcionamiento de los sistemas de recolección,
almacenamiento, transporte, alojamiento, re-uso, tratamiento y disposición final de los residuos
sólidos.
La Ley Ambiental del Distrito Federal considera que para evitar y controlar la
contaminación del suelo y de los mantos acuíferos, en el medio ambiente y a la salud pública, es
primordial establecer programas y actividades con la participación de la sociedad, para
minimizar estos riesgos, separando reutilizando y reciclando los residuos sólidos. En la
Legislación Ambiental, existen Normas Oficiales Mexicanas (NOM) y Normas Mexicanas (NMX)
que son aplicables y complementarias a los preceptos relacionados al manejo de los residuos
sólidos.
Los plásticos al ser clasificados como residuos sólidos que pueden ser reutilizados o bien
reciclados, deben de ser identificados para evitar una mala mezcla o que al contrarió terminen
contaminando aún más, por esta razón son catalogados en dos grandes grupos conocidos como
termoplásticos y termofijos. Los termoplásticos se ablandan cuando son calentados, por lo que
pueden ser reformados y reutilizados, los termofijos no tienen esta propiedad, así que no
pueden ser reciclados.
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Para los termoplásticos existe un código de identificación mundial a través de números
que van del 1 al 7 dentro de un triángulo de flechas, este código normado es adoptado por
México el 25 de Noviembre de 1999 en la (NMX-E-232-SCFI-1999), el código es útil e
indispensable, ya que cada plástico difiere de sus propiedades y aplicaciones específicas.
El PET es un material caracterizado por su gran ligereza y resistencia mecánica a la
compresión y a las caídas, alto grado de transparencia y brillo, conserva el sabor y aroma de los
alimentos, es una barrera contra los gases, sus propiedades físicas que permiten gran libertad
en el diseño de empaques, reciclable 100% y con posibilidad, de manera química de producir
envases reutilizables, lo cual ha llevado a desplazar a otros materiales como por ejemplo, el
PVC. Presenta una demanda creciente en todo el mundo, lo cual se aprecia, por ejemplo, en los
450 millones de toneladas de PET empleados anualmente en Europa, casi 300 toneladas en
envases.
Su apariencia física es muy similar a la de otros plásticos. La manera más fácil de
identificarlo es buscar en los envases el símbolo internacional de reciclaje ya que muchos de los
recipientes de plástico fabricados en la actualidad vienen con símbolos o sellos para su reciclaje.
Estos sellos identifican el tipo de resina o mezcla de resina que hay en el contenedor de
plástico. Solamente hay dos tipos, PET y HDPE, que se recolectan comúnmente para el reciclaje.
Dicho símbolo consta de un triángulo con un número en el centro (número especificado
para el tipo de resina o mezcla de resina) y debajo las siglas que corresponden al número de
especificación.
El PET para el medio ambiente es 100% reciclable. Sin embargo, no sólo es su calidad de
reciclaje lo que lo hace amistoso con el medio ambiente. Siendo el envase sumamente ligero,
también ayuda a disminuir la formación de desechos de empaque al mismo tiempo que reduce
la emisión de contaminantes durante su transporte. Además, dado que se requiere menos
combustible durante su transporte, también ayuda a la conservación de la energía.
En Europa, es a partir de la aprobación de La Directiva Comunitaria 94/62/CE, que
establece el marco de actuación en el que se han de mover los Estados miembros en lo que
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respecta a la política sobre los envases y los residuos de envases que se generan en sus
respectivos territorios, es cuando el envase de PET sufre un auge muy importante en su
recuperación.
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Metodología
La metodología consiste al momento en recolección de información previa para decidir
la viabilidad de realización del proyecto de investigación.
Recolección de envases de PET.
Lavado y triturado para las muestras.
Procesado en autoclave para alcanzar temperaturas elevadas que permitan la
degradación por pirolisis del tereftalato de polietileno.
Análisis de las muestras obtenidas: como: densidad, viscosidad, calor de combustión, %
de contaminación y cromatografía de gases.
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Cronograma
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Recursos humanos
Profesional en Ingeniería Química/Bioquímica
Estudiante de Ingeniería Bioquímica
Operador de Calderas
Recursos materiales
Autoclave
Calderas
Cromatógrafo de gases
Recursos económicos
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Referencias bibliográficas
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