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Optimización del proceso de descomposición química de residuos de tereftalato de Polietileno (PET) por el método de glicólisis

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Academic year: 2020

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(1)IQ-2004-II-17. OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE DESCOM POSICIÓN QUÍMICA DE RESIDUOS DE TEREFTALATO DE POLIETILENO (PET) POR EL M ÉTODO DE GLICÓLISIS. JAIME ALBERTO ROMERO MONTES DE OCA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍM ICA. SANTAFÉ DE BOGOTÁ, 2005. 1.

(2) IQ-2004-II-17. OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE DESCOM POSICIÓN QUÍMICA DE RESIDUOS DE TEREFTALATO DE POLIETILENO (PET) POR EL M ÉTODO DE GLICÓLISIS. JAIME ALBERTO ROMERO MONTES DE OCA. PROYECTO DE TESIS DE GRADO. Profesor Asesor MIGUEL W. QUINTERO. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍM ICA. SANTAFÉ DE BOGOTÁ, 2005. 2.

(3) IQ-2004-II-17. M IGUEL W. QUINTERO – ASESOR. GABRIEL CAMARGO – JURADO. M IGUEL ANGEL MOLANO – JURADO. SANTAFÉ DE BOGOTÁ, 2005. 3.

(4) IQ-2004-II-17. “A mis padres, Amparo y Jaime y a mi hermano Juan Felipe, por su incondicional apoyo.”. El autor expresa su agradecimiento a:. 4.

(5) IQ-2004-II-17. Miguel W. Quintero, Ingeniero Químico y Asesor de mi proyecto de grado, por depositar su confianza en mí como estudiante y motivarme a estudiar los polímeros.. Maycol Chaves por permitirme continuar con este proyecto y su inmensa colaboración en este. José Maria Robles, por su desinteresada colaboración e invaluables consejos en la elaboración de este proyecto.. Y a todos mis compañeros de la carrera, en especial a los de la casa estudio en la elaboración de este documento.. 5.

(6) IQ-2004-II-17. TABLA DE CONTENIDO Página GLOSARIO………………………………………………………………………….….7 RESUMEN……………………………………………………………………………...8 INTRODUCCION………………………………………………………………………9 1. MARCO TEORICO………………………………………………………………..11 1.1 Descripción del PET……………………………………………………..11 1.2 Usos del PET……………………………………………………………..12 1.3 Situación actual del reciclaje……………………………………………12 1.4 Métodos de reciclaje…………………………………………………….13 1.4.1 Reciclaje mecánico………………………………………….…14 1.4.2 Incineración…………………………………………………….14 1.4.3 Degradación química………………………………………….15. 2. Metodología……………………………………………………………………..…16 2.1 Antecedentes…………………………………………………………..…16 2.2 Definición del problema…………………………………………………17 2.3 Selección de factores y niveles………………………………………...18 2.3.1 Tipo de catalizador…………………………………………….18 2.3.2 Relación MEG/PET……………………………………………19 2.3.3 Relación PET/Catalizador………………………………….…20 2.4 Variables de respuesta………………………………………………….21 2.5 Diseño del experimento…………………………………………………22 2.6 Protocolo del experimento………………………………………………22 2.7 Caracterización…………………………………………………………..23 2.7.1 DSC……………………………………………………………..23 2.7.2 IR………………………………………………………………...24. 3. Análisis de resultados…………………………………………………………….24. 6.

(7) IQ-2004-II-17. 3.1 Pureza…………………………………………………………………….30 3.2 Cantidad…………………………………………………………………..32 3.3 Tiempo…………………………………………………………………….34. 4. Evaluación económica……………………………………………………………36. 5. Conclusiones………………………………………………………………………38. 6. Recomendaciones……………………………………………………………...…39. BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………….40. ANEXOS……………………………………………………………………………....41. 7.

(8) IQ-2004-II-17. GLOSARIO •. PET: abreviación de tereftalato de polietileno. •. MEG: monoetilenglicol. •. Scrap: material de residuo (desperdicio) de PET. •. BHET: monómero del PET, bis-β-hidroxietil tereftalato. •. Glicólisis: método de degradación química del PET, que se basa en el mecanismo de trasesterificación. •. Oligomeros: polímeros de bajo peso molecular. •. DSC: calorimetría diferencial de barrido, por sus siglas en inglés. •. IR: infrarrojo. 8.

(9) IQ-2004-II-17. RESUMEN El tereftalato de polietileno, abreviado PET, es un poliéster termoplástico que tiene propiedades. de dureza y. resistencia al impacto1. Gracias a estas. propiedades es uno de los materiales más utilizados en la industria, en especial, para el empaque de alimentos y bebidas. Dada la alta producción de este material, surge el problema de su reciclaje. Bogotá, entre otras ciudades del país no es ajena a este problema. Es por esto que resulta importante investigar otras alternativas de reciclaje, que permitan parcializar dicho problema en la cuidad. Por lo tanto, se definió como objetivo principal del proyecto determinar las condiciones y factores necesarios para optimizar el proceso de degradación de PET por el método de glicólisis, en cuanto a calidad del producto y cantidad obtenida. Para esto fue necesario explorar el método e investigar los antecedentes. Posteriormente. se propuso un protocolo de experimento y por medio de un. diseño experimental factorial se variaron diferentes parámetros del proceso para ver los efectos de cada una de estas. Después se cuantificó el producto obtenido por medio de pruebas de infrarrojo y calorimetría diferencial de barrido y finalmente se hizo un análisis económico del proyecto. Se encontró las condiciones óptimas del proceso son: utilizar acetato de magnesio como catalizador, una relación másica MEG/PET 10.96:1 y una relación másica PET/Catalizador 10:1.. 1. Mustafa Nabil, “Plastics Waste Manag ement: disposal, recycling and reuse”, M. Dekker, 1993, pag 167.. 9.

(10) IQ-2004-II-17. INTRODUCCIÓN Dado el alto consumo de materiales poliméricos para distintos usos, surge la necesidad de adelantar un proceso investigativo que proporcione soluciones a los problemas de reciclaje y manejo de desperdicios sólidos. Este tipo de proyecto cobra importancia si se tiene en cuenta los altos precios del petróleo y la competencia que este puede ofrecer. Este se trata de la continuación de un proyecto del departamento de ingeniería química. iniciado. por. Maycol. Chaves,. el. cual estudio los. métodos. más. favorables para la degradación química del PET, llegando a la conclusión que el método más favorable era el de Glicólisis.. 10.

(11) IQ-2004-II-17. 1. MARCO TEÓRICO 1.1. Descripción del PET. El tereftalato de polietileno, abreviado PET, es un poliester termoplástico que tiene propiedades de dureza y resistencia al impacto2.. Es elaborado industrialmente por dos métodos, el primero consiste en la esterificación. directa. del. ácido. tereftálico. utilizando. otros. ácidos. como. catalizadores de la reacción. El segundo parte de la transesterificación del dimetil tereftalato (DMT)3-4. Ambos. llegan la mismo resultado, el. monómero bis-β-hidroxietil tereftalato. (BHET), excepto por algunas por algunas dif erencias de grupos funcionales terminales, el cual después es sometido a un proceso de policondensación para así dar lugar a la formación del PET5.. Figura # 1: Métodos de producción de PET. 2 3 4 5. Mustafa Nabil, “Plastics Waste Manag ement: disposal, recycling and reuse”, M. Dekker, 1993, pag 167. Brandrup Johannes, “Recycling and recoveryof plastics” Hanser Publishers, 1996, pag 494 Marg olis James M. “Eng ineering Thermoplastics: properties and applications”, M. Dekker, 1985 pag 1,2 Encyclopedia of polymer science & eng ineering, John Wiley&Sons 1985 Vol 12, pag 132,133. 11.

(12) IQ-2004-II-17. 1.2. Usos del PET. El PET es uno de los polímeros más versátiles y esto se evidencia en la gran aplicabilidad que tiene este en la industria. A continuación se nombran algunos de los usos más frecuentes: botellas para bebidas carbonatadas y agua mineral, fibras textiles, películas para audio, vídeo y fotografía, películas para rayos X (radiografías)6, contenedores y recipientes para medicamentos y otras sustancias entre otros.. La diferencia entre el tipo de PET utilizado para las botellas y el de las fibras, es básicamente la viscosidad intrínseca, la cual es una medida del peso molecular, los valores varían entre 0.55-0.60 para las fibras y 0.70-0.80 para las botellas7.. 1.3. Situación actual del reciclaje. Bogota, entre otras ciudades del país, enfrenta actualmente un problema grave en. cuanto. a. disposición. de. residuos. sólidos.. Aunque. por. parte del. Departamento Administrativo del Medio Ambiente (DAMA) se esta promoviendo el reciclaje a través del Plan Maestro para manejo de desperdicios sólidos de Bogota, este problema crece cada vez mas, dado el alto consumo de este tipo de envases. Otro problema es la falta de conciencia y clasificación de los materiales plásticos, ya que se disponen 885 toneladas al día para relleno sanitario bajo la categoría de plástico, pero no se clasifica ni se separa y esto representa el 25% de la totalidad del material destinado al relleno de Doña Juana.. 6 7. Tomado de :http://www.fiberjournal.com/issue/june99/polyester.html. 12.

(13) IQ-2004-II-17. Recicladores 592 ton/dia. Papel/Carton 340 ton/dia. Vidrio 112 ton/dia. Plástico 26 ton/dia. Metales 112 ton/dia. Figura #2 Cantidades y tipo de reciclaje. El PET es actualmente el material plástico más reciclable, seguido por el polietileno de alta densidad, el polipropileno y el PVC8. Por lo cual resulta interesante proponer una nueva alternativa de para tratar los residuos de este material y parcializar el problema de reciclaje en la cuidad. 1.4. M étodos de reciclaje. En la actualidad existe una gran variedad de procesos para el reciclaje de PET. Cada proceso depende del tipo de residuo que se este manejando, es por esto que se definieron los siguientes términos9: •. Reciclaje primario: es la conversión de scrap por métodos standard de proceso, en productos con las características equivalentes a las hechas con material virgen.. •. Reciclaje secundario: es la conversión de scrap o residuos plásticos por uno o una combinación de operaciones, en productos que requieran un menor desempeño al que demandan los fabricados con material original.. •. Reciclaje terciario: tecnologías de proceso que producen sustancias químicas y combustibles a partir de scrap y residuos.. 8- 9. R.J. Ehrig, “Plastics Recycling : products and processes” Hanser Publishers 1992, preface, pag 6. 13.

(14) IQ-2004-II-17. •. Reciclaje cuaternario: tecnologías de proceso que recuperan energía a partir de scrap y residuos por incineración.. De acuerdo a estas definiciones, se pueden clasificar distintos procesos de recuperación y reprocesamiento de PET.. 1.4.1 Reciclaje mecánico. Este. tipo. de. reciclaje. es. el más. utilizado en Colombia y. consiste. básicamente en fundir el material y procesarlo nuevamente, después de un proceso de limpieza muy superficial para remover impurezas. Los productos que se obtienen después de este proceso son de una calidad relativamente baja y. las propiedades disminuyen considerablemente con. respecto a las que tiene el material originalmente. Además una de las desventajas es que los organismos de control tales como la FDA y la ILSI no permiten el uso de este tipo de recipientes reprocesados por este método para almacenar alimentos, de acuerdo a lo estipulado en el EC Directive 90/128 EEC10.. 1.4.2 Incineración. Este es un claro ejemplo de reciclaje cuaternario. Este tipo de proceso se realiza cuando el material reciclado tiene una gran cantidad de impurezas que no se pueden remover fácilmente y/o cuando tiene aditivos muy contaminantes, lo cual impide que se disponga para relleno sanitario. Este proceso resulta ser conveniente, ya que el PET tiene un valor calorífico de 30.2 MJ/Kg, casi equivalente al del carbón y además resulta ser una alternativa al problema de contaminación por residuos sólidos 11.. 10 11. “Review of processes capable of producing food grade PET from recyclate” www.wrap.org .uk La Mantia, Francesco P. “Recycling of plastic materials”, ChemTec Publishing 1993 pag 10. 14.

(15) IQ-2004-II-17. 1.4.3 Degradación química. Existen ciertos métodos de reciclaje de PET denominados procesos húmedos (w et processes). Dentro de estos se destacan la Hidrólisis, Alcoholisis y Glicólisis. Estos procesos son considerados en algunos casos como métodos de reciclaje terciario12. A continuación se explica brevemente cada uno de estos procesos. •. Hidrólisis. Este proceso consiste en tratar el scrap o PET post-consumo con exceso de agua a una temperatura entre 150-250°C y presiones entre 2-5 MPa para dar como resultado ácido tereftálico (TPA) y etilenglicol (EG) en un tiempo aproximado de 3 horas. Se. pueden. utilizar. catalizadores. tales. como. ácido. sulfúrico. o. hidróxido de amonio13. •. Alcoholisis. Cuando el PET es tratado con un exceso de metanol a temperaturas entre 160-240°C y presiones en un rango de 20-70 atm, en menos de 1. hora. se. obtiene. dimetilester. (DMT). y. etilenglicol. (EG), con. 14. rendimientos hasta del 99% .. 12. Mustafa Nabil, “Plastics Waste Manag ement: disposal, recycling and reuse”, M. Dekker, 1993, pag 250 Brandrup Johannes, “Recycling and recoveryof plastics” Hanser Publishers, 1996, pag 499 14 R.J. Ehrig , “Plastics Recycling : products and processes” Hanser Publishers 1992, preface, pag 59 13. 15.

(16) IQ-2004-II-17. •. Glicólisis. Si el scrap y los residuos post-consumo son tratados con un exceso de glicol, se obtiene bis-2 hidroxietil tereftalato (BHET) y polioles de poliester, a partir de los cuales se pueden obtener elastomeros, espuma rígida y espuma flexible entre otros 15. La degradación por lo general se lleva a cabo con etilenglicol en ebullición16.. Esta gráfica resume los posibles métodos húmedos para la degradación de PET.. Figura #3: Métodos para degradación química de PET. 15. K. Grzebieniak, J. Wesolowski “Glycolysis of PET waste and the use of Glycolysis products in the synthesis of deg radable co-polyesters, Fibres &Textiles in Eastern Europe April/June 2004, Vol. 12 No 2 16 La Mantia, Francesco P. “Recycling of plastic materials”, ChemTec Publishing 1993 pag 7. 16.

(17) IQ-2004-II-17. 2. METODOLOGÍA. 2.1. Antecedentes. De acuerdo con el proyecto “Evaluación de alternativas de descomposición química para el tratamiento de residuos del tereftalato de polietileno (PET)” realizado por Maycol Chaves, se escogió el método de glicólisis como el más adecuado para l evar a cabo la degradación de este polímero, basados en las ventajas energéticas y económicas que ofrecía. Adicionalmente resultaba más apropiado, considerando los equipos disponibles en la universidad. Para ese experimento se propuso inicialmente un diseño factorial completo, fijando como factores el tiempo y la temperatura y estos se variaron a 3 y 4 niveles respectivamente17. Debido a que el montaje en el que se lleva a cabo la degradación es un balón con reflujo, esto no permite que la temperatura supere la temperatura de ebullición del monoetilenglicol, la cual es 183°C. Por esto se modificó el diseño del experimento y tan solo se midió el porcentaje de degradación con respecto al tiempo. Una vez estudiado este proceso, se propuso el siguiente diseño experimental para la optimización de éste.. 2.2. Definición del problema. Bogotá enfrenta actualmente un grave problema de manejo de desperdicios sólidos. Diariamente se disponen cientos de toneladas de desperdicios sólidos en el relleno sanitario de Doña Juana, de las cuales 25% son plástico. Aunque el Plan Maestro para el manejo de desperdicios sólidos que impulsa La Alcaldía Mayor de Bogotá en una buena medida para subsanar este problema, resulta importante promover una alternativa diferente de reciclaje, ya que en la cuidad solo se practica el reciclaje mecánico de este material.. 17. Chaves Maycol, “Evaluación de alternativas de descomposición q uímica para el tratamiento de residuos del tereftalato de polietileno (PET)”, pag 20, 2004. 17.

(18) IQ-2004-II-17. Teniendo en cuenta esto, se definió como objetivo principal del proyecto determinar las condiciones y factores necesarios para optimizar el proceso de degradación de PET por el método de glicólisis. Para esto fue necesario explorar el método e investigar los antecedentes. Posteriormente. se propuso un protocolo de experimento y por medio de un. diseño experimental se variaron diferentes variables del proceso para ver los efectos de cada una de estas variables. Finalmente se cuantificó el producto obtenido y se hizo un análisis económico del proyecto.. 2.3. Selección de factores y niveles. De acuerdo con los antecedentes, y ya que el montaje que se va a utilizar es el mismo que empleó Chaves, se pueden fijar los siguientes parámetros:. Tabla #1: Factores fijos. Aunque es posible utilizar otros tipos de glicol para la degradación, por ejemplo propilenglicol18, se optó por dejar este parámetro fijo y así evitar la producción de más subproductos que interfieren con el objetivo principal del experimento.. Una vez definidas estas condiciones, se definen los siguientes parámetros a variar:. 18. •. Tipo de catalizador. •. Relación MEG/PET. •. Relación PET/Catalizador. R.J. Ehrig , “Plastics Recycling : products and processes” Hanser Publishers 1992, preface, pag 60. 18.

(19) IQ-2004-II-17. 2.3.1. Tipo de catalizador. El catalizador juega un papel importante en la degradación, por esto se escogieron dos catalizadores adicionales al Sulfato de Zinc, el cual fue el que utilizó Chaves en su experimento, y de esta manera determinar la importancia del carácter de este en la degradación. El primero es Acetato de Magnesio19, compuesto usado frecuentemente en este tipo de procesos y que al igual al sulfato de zinc, acetatos20 y sales de otros. metales,. son catalizadores. típicos. utilizados. en. reacciones. de. transesterif icación21-22. Adicionalmente se escogió un catalizador de tipo alcalino (Carbonato de Sodio), el cual ha demostrado tener resultados similares tanto cualitativa como cuantitativamente, a los que se obtienen utilizando sales de metales pesados como catalizadores 23, resultando más favorable para el medio ambiente. Otros posibles catalizadores son componentes de titanio y germanio24, pero no se tuvieron en cuenta para este experimento.. 2.3.2 Relación MEG/PET. Otro. factor. importante. es. la. relación. másica. entre la. cantidad de. monoetilenglicol (MEG) por cantidad de PET utilizada, ya que de esta depende la tasa de degradación de la reacción25 y también afecta la cantidad y las características de los productos finales 26-27 (monómero y polioles). 19 20 21 22 23 24 25. Journal of Applied Polymer Science, Vol 90, 1148-1152, 2003 Tomado de: http://www.fiberjournal.com/issue/june99/polyester.html Brandrup Johannes, “Recycling and recoveryof plastics” Hanser Publishers, 1996, pag 495 Encyclopedia of polymer science & engineering , John Wiley&Sons 1985 Vol 12, pag 133 Journal of Applied Polymer Science, Vol 85, 1765-1770, 2002 Encyclopedia of polymer science & engineering , John Wiley&Sons 1985 Vol 12, pag 133 La Mantia, Francesco P. “Recycling of plastic materials”, ChemTec Publishing 1993 pag 7. 26. Brandrup Johannes, “Recycling and recoveryof plastics” Hanser Publishers, 1996, pag 495 K. Grzebieniak, J. Wesolowski “Glycolysis of PET waste and the use of Glycolysis products in the synthesis of deg radable co-polyesters, Fibres &Textiles in Eastern Europe April/June 2004, Vol. 12 No 2. 27. 19.

(20) IQ-2004-II-17. Por ejemplo, si se quiere obtener un poliol de mayor peso molecular, entonces. se debe disminuir la relación MEG/PET, de esta manera de. consume menos monoetilenglicol por cada mol de PET28.. Para este factor se tuvo en cuenta la razón MEG/PET utilizada por Chaves (8:1 mol/mol) pero se manejo su equivalente en relación másica (8.77:1). Adicionalmente se establecieron 2 relaciones a partir de la relación inicial, una superior (10.96:1) y otra inferior (6.58:1) para así poder observar mejor el comportamiento de esta.. 2.3.3 Relación PET/Catalizador. Por último se fijaron dos relaciones entre la cantidad de PET a degradar y la cantidad de catalizador a suministrar. De igual manera que para la relación anterior, se partió de la relación utilizada en el proyecto anterior (10:1) y se propuso la relación 10:2.5 y de esta manera tener otro elemento que ayude a encontrar las condiciones óptimas para este proceso, ya que se ha encontrado que este factor aumenta la tasa de conversión con ciertos tipos de catalizadores 29. A continuación se resumen los factores y niveles que se van a variar en este experimento.. 28 29. R.J. Ehrig , “Plastics Recycling : products and processes” Hanser Publishers 1992, preface, pag 60 Journal of Applied Polymer Science, Vol 80, 943-948, 2001. 20.

(21) IQ-2004-II-17. Tabla #2: Parámetros a variar. 2.4 Variables de respuesta. Es de gran importancia definir las variables de respuesta del experimento para poder identificar y medir con certeza los efectos que tienen cada uno de los factores. mencionados. anteriormente sobre el experimento y. si estos se. relacionan de alguna manera clara.. Como primera y más importante variable, se define la pureza ó concentración del BHET. De esta depende si el producto es utilizable o no, ya que para poder mezclar el monómero virgen con el monómero reciclado es necesario un nivel de pureza alto, garantizando que el material no contenga impurezas, de lo contrario las entidades reguladoras (FDA, ILSI) no permitirán que los envases o recipientes fabricados con esta materia prima sean empleados para almacenar o entren en contacto directo con alimentos y/o medicamentos 30.. Resulta también de gran importancia medir la cantidad de BHET que se produce después de la degradación, debido a que de esto depende la escala del proyecto. Este factor esta directamente relacionado con la pureza del monómero, ya que principalmente depende de los resultados de estos dos factores la elección de condiciones óptimas para el proceso.. 30. “Review of processes capable of producing food grade PET from recyclate” www.wrap.org .uk. 21.

(22) IQ-2004-II-17. Por último, aunque no se puede considerar completamente como variable de respuesta, se tiene el tiempo de degradación visual del PET. Las. pruebas. se. llevan. a. cabo. hasta. que. las. hojuelas. del. polímero. desaparezcan, pero esto no garantiza que la degradación haya terminado en ese tiempo. Este elemento cobra importancia a la hora de evaluar económicamente el proyecto, dado que la electricidad es cobrada por hora.. 2.5 Diseño del experimento. Para realizar un análisis estadístico de los resultados, se propuso un diseño factorial completo, de tres factores, con 3 niveles para los factores: tipo de catalizador y relación MEG/PET y dos niveles para la relación PET/Catalizador. Se obtiene el siguiente diseño: N= 3*3*2 = 18 Para cada prueba se hizo su respectiva replica, entonces se tiene: N= 18*2= 36 pruebas totales a realizar.. 2.6 Protocolo de procedimiento. A continuación se muestra el protocolo de procedimiento general para los experimentos que se realizaron.. Escoger el tipo de catalizador. Seleccionar las relaciones MEG/PET y PET/Catalizador adecuadas. Medir la cantidad de MEG y pesar las cantidades de PET y catalizador necesarias de acuerdo con la relación seleccionada 22.

(23) IQ-2004-II-17. Agregar las cantidades de catalizador, PET y MEG dentro del balón de reflujo. Poner el balón en el manto de calentamiento, adaptar el termómetro y el condensador. Encender el manto de calentamiento, fijar la temperatura en 200°C y abrir la llave de circulación de agua al condensador. Esperar hasta que no se evidencien restos de PET. Pasar la mezcla a un beaker y dejar enfriar hasta temperatura ambiente (20°C). Filtrar el producto para eliminar el MEG. Lavar el residuo que queda en el filtro con agua destilada para remover el exceso de MEG. Lavar nuevamente con agua caliente (80°C), dejar enfriar nuevamente y filtrar los cristales que se forman (BHET). Secar los cristales en el horno a 90°C durante 1 hora. Pesar el producto final y llevar a muestras para caracterización. 23.

(24) IQ-2004-II-17. 2.7 Caracterización. La caracterización del BHET se hará por medio de pruebas de infrarrojo (IR) y calorimetría diferencial de barrido (DSC).. 2.7.1. Calorim etría diferencial de barrido (DSC). El DSC consiste en someter la muestra a una tasa de calentamiento constante, mientras se monitorean la temperatura y el flujo de calor por unidad de masa. Cualquier variación térmica en la muestra se verá reflejada en una deformación en la línea recta de la gráfica. Este tipo de análisis térmico provee información acerca de los cambios de cristalinidad. en. la. sustancia,. evaporación. de. ingredientes. volátiles. y. descomposición de otros aditivos31. (Ver anexos).. 2.7.2. Infrarrojo (IR). Esta prueba permite identif icar los grupos funcionales pertenecientes a la sustancia. Cada uno de estos muestra un pico característico a ciertas longitudes de onda, dependiendo de la absorbancia y la transmitancia. Para. leer. la muestra. es. necesario mezclar el monómero con KBr,. compuesto iónico que no es leído por el infrarrojo, y crear una pastilla para introducirla en el equipo. (Ver anexos).. 3. ANALISIS DE RESULTADOS. En esta tabla se muestra los resultados obtenidos después de cada uno de los experimentos. Esta tabla se elaboro a partir de los promedios de cada uno de. 31. Mustafa Nabil, “Plastics Waste Management: disposal, recycling and reuse”, M. Dekker, 1993, pag 115. 24.

(25) IQ-2004-II-17. los resultados con su respectiva replica. Las tablas con los datos originales se muestran en el Apéndice 1.. Tabla #3: Promedio de los resultados. Para el análisis de los datos obtenidos se utilizo el softw are estadístico MiniTab®14, el cual permite elaborar graficas de interacción, así como analizar la varianza de los datos (ANOVA). De acuerdo con el diseño del experimento se fijaron tres factores, de los cuales dos de ellos se iban a variar a tres niveles y el último a dos niveles. Analizando los datos obtenidos, ANOVA y graficas de interacción, se puede ver que no hay una relación clara entre estos factores ya que todos los valores de P son significativos, tal como se puede ver a continuación.. 25.

(26) IQ-2004-II-17. Pureza. Tabla #4: Resultados ANOVA para pureza con tres factores. De esta tabla se toman los valores de P para analizarlos, ya que la magnitud de éste determina que tan significativos son los datos y/o las interacciones entre estos. Valores de P que sean superiores a 0.005 se dice que son poco significativos, o lo que es equivalente, que con una confiabilidad del 99.5% existe evidencia suficiente para rechazar la hipótesis 32.. Figura # 4: Interacción entre los tres factores para la pureza. 32. MontgomeryDoug las, “Desig n and analysis of experiments”, 5ed, John Wiley&Sons, 2001. 26.

(27) IQ-2004-II-17. Figura #5: Efecto de los factores sobre la pureza. De las graficas de interacción para el factor de pureza (concentración de monómero) se puede ver que existe un comportamiento (tendencia) similar entre los catalizadores 1 (sulfato de zinc) y 3 (acetato de magnesio), mientras que el catalizador 2 (carbonato de sodio) presenta un comportamiento aleatorio sin alguna tendencia especifica. De la figura # se puede ver que el factor relación MEG/PET 2 presenta un comportamiento anómalo comparado con el de las otras dos relaciones. De las graficas y los valores del análisis de varianza se puede decir que el factor más representativo es el tipo de catalizador y las interacciones entre ese factor y las otras dos relaciones, MEG/PET y PET/Catalizador. Vale la pena mencionar que no se tuvieron en cuenta las interacciones de tercer orden para este modelo, ya que en análisis previos se concluyo que no proporcionaba información útil para el análisis. Adicionalmente resulta importante verificar el ajuste del modelo (R-Sq), entre mas cercano sea este valor a la unidad, mejor será el ajuste del modelo. Para esto el paquete estadístico MiniTab®14 también ofrece una opción, las graficas que lo indican se incluyen en el Apéndice 2.. 27.

(28) IQ-2004-II-17. Cantidad. Tabla #5: Resultados ANOVA para cantidad con tres factores. En este caso, los valores de P tanto para los factores individuales como para las interacciones entre estos, excepto por el de la relación MEG/PET con la relación PET/catalizador, son menores a 0.005, por lo que se puede decir que son significativos. Al analizar las graficas de interacción y efectos principales, se evidencia que nuevamente el catalizador 2 presenta un comportamiento distinto al. que. presentan los otros dos y un comportamiento similar se evidencia para la relación MEG/PET 2.. Figura # 6: Interacción entre los tres factores para la cantidad. 28.

(29) IQ-2004-II-17. Figura #7: Efecto de los factores sobre la cantidad. Como se había mencionado anteriormente, el tiempo no es considerado como una variable de respuesta, ya que el tiempo medido en estas pruebas fue el tiempo transcurrido hasta que no se evidenciaban visualmente residuos de PET en el balón. Por esta razón, aunque se tomaron datos y se analizaron estadísticamente, no serán incluidos en esta sección, sino que se tomaran en cuenta a la hora de hacer el análisis económico del proyecto, ya que esta variable será definitiva en esa parte del proyecto.. Dado que a partir de los resultados anteriores no es posible determinar las condiciones. óptimas. del experimento ni las. interacciones. más importantes. entre los factores, se opto por eliminar los factores catalizador 2 y relación MEG/PET 2 y analizar estos datos bajo un nuevo modelo, para el cual se propone lo siguiente:. 2*Tipo de catalizador 2Relación MEG/PET 2Relación PET/Catalizador N = 2*2*2 = 8*2 = 16 Y así obtener un modelo simétrico, que refleje mejor el efecto de los factores y las interacciones entre estos. Los resultados se muestran a continuación.. 29.

(30) IQ-2004-II-17. 3.1 Pureza. Figura #8: Interacción entre factores para la pureza. Figura #9: Efecto de los factores sobre la pureza. Para este nuevo análisis, el catalizador 1 corresponde al sulfato de zinc y el catalizador 2 al acetato de magnesio y la relaciones MEG/PET 1 y MEG/PET 2 a las proporciones 6.58:1 y 10.96:1 respectivamente. Como se había mencionado anteriormente, la variable de respuesta más importante es la pureza o concentración del BHET, ya que de este depende la. 30.

(31) IQ-2004-II-17. reutilización y comercialización de este, así que este análisis resulta de gran importancia para la optimización del proceso. De las graficas se puede ver que el catalizador 2 ofrece mejores niveles de concentración que el sulfato de zinc, tanto en la relación MEG/PET como para la relación PET/Catalizador. El acetato de magnesio muestra una tendencia ascendente a medida que se incrementan estas relaciones, mientras que el sulfato de zinc presenta una tendencia decreciente con respecto al incremento en la relación PET/Catalizador.. De las graficas de efecto, se ve claramente que es mejor utilizar el catalizador acetato de magnesio, preferiblemente con relaciones de MEG/PET altas y relaciones PET/Catalizador bajas. Estos efectos se pueden corroborar con la tabla ANOVA. Donde se tiene un valor de P que demuestra que el catalizador es el factor más significativo para la pureza del monómero.. Tabla #6: Resultados ANOVA para pureza con dos factores. Modelo: Y = 81.1125 – 5.6375 X1. 31.

(32) IQ-2004-II-17. 3.2 Cantidad. Figura #10: Interacción entre factores para la pureza. Figura #11: Efecto de los factores sobre la cantidad. La cantidad de BHET producida es otro factor importante, ya que para la optimización del proceso es preciso relacionar la cantidad del producto con la calidad del mismo.. 32.

(33) IQ-2004-II-17. De las graficas es posible ver que el catalizador 1 (sulf ato de zinc) y el catalizador 2 (acetato de magnesio), en la relación MEG/PET producen una mayor cantidad del monómero, siendo este ultimo el que mayor rendimiento alcanza. Comparando las graficas de pureza y cantidad, se puede ver que existe una diferencia entre los comportamientos de cada tipo de catalizador con respecto a la relación PET/Catalizador utilizada. Para la pureza, mientras el catalizador 1 tiende a producir un monómero de menor calidad a medida que se incrementa la. cantidad. de catalizador, el catalizador 2 presenta un comportamiento. opuesto. En cambio para el factor cantidad ocurre lo contrario. Para el catalizador 1, a medida que se aumenta la relación PET/Catalizador, aumenta la cantidad de BHET, mientras que para el catalizador 2 ocurre lo contrario. Esto lo corroboran los resultados del análisis de varianza.. Tabla #7: Resultados ANOVA para cantidad con dos factores. En el cual se puede ver, de acuerdo con los valores de P, que tanto el efecto individual del tipo de catalizador y la relación MEG/PET son significativas para la cantidad de monómero que se produce, al igual que la interacción entre estos dos factores.. 33.

(34) IQ-2004-II-17. Modelo: Y = 8.475 – 0.4125X1 – 0.52375X2 – 0.12375X1X2 3.3 Tiempo. Figura #12: Interacción entre factores para el tiempo. Figura #13: Efecto de los factores sobre el tiempo. De estas graficas se evidencia claramente que el catalizador 2 consume menos tiempo que el catalizador 1, menos del 50% en promedio. También es notable que. el. tiempo aumenta independientemente del. tipo de catalizador, pero. muestra una relación directa tanto con la relación MEG/PET como la relación PET/Catalizador, al aumentar estas relaciones, aumenta el tiempo.. 34.

(35) IQ-2004-II-17. Del análisis de varianza también es posible ver esto. Todos los factores son significativos para el tiempo.. Tabla #8: Resultados ANOVA para tiempo con dos factores. Modelo: Y = 210.938 + 90.312 X1 – 14.687X2 – 17.813X3 Después. de. analizar. los. resultados,. se. seleccionan. las. 10. pruebas. (combinaciones de factores realizados) que dieron los mejores resultados en cuanto a pureza, cantidad y tiempo, de acuerdo a las interacciones entre los factores. A continuación se muestra dicha tabla.. Tabla #9: Condiciones óptimas. 35.

(36) IQ-2004-II-17. 4. EVALUACIÓN ECONÓM ICA Con. base en. la. tabla. #9. de. condiciones. optimas, se va a evaluar. económicamente este proyecto, ya que como se trata de la optimización de un proceso, es necesario tener en cuenta los costos de la materia prima para cada uno de los casos y los costos de servicios, ya que estos están relacionados con el tiempo. Adicionalmente es necesario plantear un diagrama de proceso, teniendo en cuenta cada uno de los equipos involucrados dentro de la operación. De esta manera se puede hacer una estimación de costos mas acertada.. Figura #14: Diagrama de Bloques. Para continuar con el análisis económico de la planta, es preciso determinar el tamaño, potencia y costos de los equipos, los cuales a su vez dependen de la cantidad a material a producir. Por eso es necesario conocer el mercado en el que se va a incursionar y fijar las tasas de producción del monómero.. 36.

(37) IQ-2004-II-17. Actualmente en Bogotá se consumen aproximadamente 5000 toneladas de PET al año de acuerdo con las cifras reveladas por el DANE. Asumiendo que se va a tratar el 30% del total producido que se recicla, entonces se tratarían 3.5 toneladas al día en la planta. Se supone además que se vende el 60% del producto, un incremento en ventas del 2% anual, un índice de inflación del 8%, una tasa impositiva del 38.5%. De acuerdo con estos supuestos se evaluó el proyecto para cada una de las alternativas. contempladas. dentro de las. condiciones óptimas del proceso,. teniendo en cuenta los costos de materia prima de los catalizadores, las relaciones que mayor cantidad de catalizador y de monoetilenglicol consumían y los tiempos que tomaba cada proceso. Utilizando un precio de venta de $1000 pesos por kilo de BHET y descontando los flujos de caja a una tasa del 10%, se tiene que el proyecto más favorable técnica como económicamente es la condición numero 2 de la tabla #9, que es: emplear como catalizador acetato de magnesio con una relación MEG/PET de 10.96:1 y una relación PET/Catalizador de 10:1. A continuación se muestra el flujo de caja para el primer año, la inversión inicial para el proyecto, la tasa interna de retorno y el valor presente neto del proyecto. En el Apéndice 3 se pueden encontrar todos lo datos que se tuvieron en cuenta para la evaluación.. Tabla #10: Resultados de la evaluación económica. 37.

(38) IQ-2004-II-17. CONCLUSIONES •. El catalizador que mejor resultados dio fue el acetato de magnesio, en todos los aspectos evaluados (pureza, cantidad y tiempo).. •. La pureza del producto depende fuertemente del catalizador empleado y no tanto de los otros dos parámetros que se variaron de acuerdo con los modelos obtenidos.. •. Los efectos de las relaciones MEG/PET y PET/Catalizador con relación a la pureza y la cantidad muestran distintas tendencias dependiendo del catalizador empleado.. •. Las condiciones óptimas para la degradación desde el punto de vista técnico-económico son: Tipo de catalizador: acetato de magnesio Relación MEG/PET: 10.96:1 Relación PET/Catalizador: 10:1. 38.

(39) IQ-2004-II-17. RECOMENDACIONES •. Es recomendable cuantificar el producto por otro método que determine a que se deben las otras impurezas, por ejemplo por cromatografía.. •. Cambiar las condiciones del montaje, de manera que permita cambiar otros factores, por ejemplo: presión, temperatura.. •. Hacer una exploración más profunda de los polioles que se obtienen como subproducto de la degradación y evaluar sus propiedades y posible explotación.. •. Repolimerizar. el. BHET. obtenido. y. evaluar. las. propiedades. comparándolas con las del material en estado virgen.. 39.

(40) IQ-2004-II-17. BIBLIOGRAFIA • • • • • • • • • • • • • • • •. Mustafa Nabil, “Plastics Waste Management: disposal, recycling and reuse”, M. Dekker, 1993. La Mantia, Francesco P. “Recycling of plastic materials”, ChemTec Publishing 1993. R.J. Ehrig, “Plastics Recycling: products and processes” Hanser Publishers 1992. Brandrup Johannes, “Recycling and recovery of plastics” Hanser Publishers, 1996. Encyclopedia of polymer science & engineering, John Wiley&Sons 1985 Vol 12. Journal of applied polymer science Margolis James M. “Engineering Thermoplastics: properties and applications”, M. Dekker, 1985. Chaves Maycol, “Evaluación de alternativas de descomposición química para el tratamiento de residuos del tereftalato de polietileno (PET)” http://w w w .fiberjournal.com/issue/june99/polyester.html K. Grzebieniak, J. Wesolow ski “Glycolysis of PET w aste and the use of Glycolysis products in the synthesis of degradable co-polyesters, Fibres &Textiles in Eastern Europe April/June 2004, Vol. 12 No 2. Review of processes capable of producing food grade PET from recyclate” w w w .w rap.org.uk Montgomery Douglas, “Design and analysis of experiments”, 5ed, John Wiley&Sons, 2001 http://w w w .dkr.de/en/technik/932_938.htm Alcaldía Mayor de Bogotá. Plan Maestro para el manejo integral de los residuos sólidos en Bogotá. Informe Final Tomo I. http://matche.com/EquipCost.htm w w w .mhhe.com/peters-timmerhaus/. 40.

(41) DSC Patrón BHET. DSC BHET 1.

(42) DSC BHET 2. DSC BHET 3.

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(50) DSC BHET 18. DSC PET.

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(52) IR BHET 2. IR BHET 3.

(53) IR BHET 4. IR BHET 5.

(54) IR BHET 6. IR BHET 7.

(55) IR BHET 8. IR BHET 9.

(56) IR BHET 10. IR BHET 11.

(57) IR BHET 12. IR BHET 13.

(58) IR BHET 14. IR BHET 15.

(59) IR BHET 16. IR BHET 17.

(60) IR BHET 18.

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