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OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE DESCOMPOSICIÓN QUÍMICA DE
RESIDUOS DE TEREFTALATO DE POLIETILENO (PET) POR EL MÉTODO
DE GLICÓLISIS
JAIME ALBERTO ROMERO MONTES DE OCA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
SANTAFÉ DE BOGOTÁ, 2005
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OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE DESCOMPOSICIÓN QUÍMICA DE RESIDUOS DE TEREFTALATO DE POLIETILENO (PET) POR EL MÉTODO
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 QUÍMICA
SANTAFÉ DE BOGOTÁ, 2005
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M IGUEL W. QUINTERO – ASESOR GABRIEL CAMARGO – JURADO M IGUEL ANGEL MOLANO – JURADO
SANTAFÉ DE BOGOTÁ, 2005
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“A mis padres, Amparo y Jaime y a mi hermano Juan Felipe, por su incondicional apoyo.”
El autor expresa su agradecimiento a:
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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.
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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
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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
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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
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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 Management: disposal, recycling and reuse”, M. Dekker, 1993, pag 167.
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10
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.
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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 diferencias 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 Mustafa Nabil, “Plastics Waste Management: disposal, recycling and reuse”, M. Dekker, 1993, pag 167. 3 Brandrup Johannes, “Recycling and recovery of plastics” Hanser Publishers, 1996, pag 494 4 Margolis James M. “Engineering Thermoplastics: properties and applications”, M. Dekker, 1985 pag 1,2 5Encyclopedia of polymer science & engineering, John Wiley&Sons 1985 Vol 12, pag 132,133
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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
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13
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 Métodos 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
Recicladores 592 ton/dia
Papel/Carton 340 ton/dia
Vidrio 112 ton/dia
Plástico 26 ton/dia
Metales 112 ton/dia
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14
• 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 sólidos11.
10 “Review of processes capable of producing food grade PET from recyclate” www.wrap.org.uk 11 La Mantia, Francesco P. “Recycling of plastic materials”, ChemTec Publishing 1993 pag 10
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15
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
rendimientos hasta del 99%14.
12 Mustafa Nabil, “Plastics Waste Management: disposal, recycling and reuse”, M. Dekker, 1993, pag 250 13 Brandrup Johannes, “Recycling and recovery of plastics” Hanser Publishers, 1996, pag 499 14 R.J. Ehrig, “Plastics Recycling: products and processes” Hanser Publishers 1992, preface, pag 59
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16
• 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 otros15.
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 degradable 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
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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 llevar 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 química para el tratamiento de residuos del tereftalato de polietileno (PET)”, pag 20, 2004
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18
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:
• Tipo de catalizador
• Relación MEG/PET
• Relación PET/Catalizador
18 R.J. Ehrig, “Plastics Recycling: products and processes” Hanser Publishers 1992, preface, pag 60
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19
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
transesterificación21-22.
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 catalizadores23, 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 finales26-27 (monómero y
polioles).
19 Journal of Applied Polymer Science, Vol 90, 1148-1152, 2003 20 Tomado de: http://www.fiberjournal.com/issue/june99/polyester.html 21 Brandrup Johannes, “Recycling and recovery of plastics” Hanser Publishers, 1996, pag 495 22 Encyclopedia of polymer science & engineering, John Wiley&Sons 1985 Vol 12, pag 133 23 Journal of Applied Polymer Science, Vol 85, 1765-1770, 2002 24 Encyclopedia of polymer science & engineering, John Wiley&Sons 1985 Vol 12, pag 133 25 La Mantia, Francesco P. “Recycling of plastic materials”, ChemTec Publishing 1993 pag 7 26 Brandrup Johannes, “Recycling and recovery of plastics” Hanser Publishers, 1996, pag 495 27 K. Grzebieniak, J. Wesolowski “Glycolysis of PET waste 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.
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20
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 catalizadores29.
A continuación se resumen los factores y niveles que se van a variar en
este experimento.
28 R.J. Ehrig, “Plastics Recycling: products and processes” Hanser Publishers 1992, preface, pag 60 29 Journal of Applied Polymer Science, Vol 80, 943-948, 2001
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21
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 medicamentos30.
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
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22
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
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23
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
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24
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 identificar 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
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25
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.
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26
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 hipótesis32.
Figura # 4: Interacción entre los tres factores para la pureza
32 Montgomery Douglas, “Design and analysis of experiments”, 5ed, John Wiley&Sons, 2001
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27
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.
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28
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
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29
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.
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30
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
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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
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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.
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De las graficas es posible ver que el catalizador 1 (sulfato 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.
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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.
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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
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4. EVALUACIÓN ECONÓMICA 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.
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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
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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
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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.
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