Recuperación de PVC y PET a partir de residuos plásticos mixtos mediante flotación a nivel de laboratorio en el Distrito de Chilca

Transcripción

1 Facultad de Ingeniería Química Recuperación de PVC y PET a partir de residuos plásticos mixtos mediante flotación a nivel de laboratorio en el Distrito de Chilca Uscamayta Verástegui, David Santos Huancayo 2017 Uscamayta, D. (2017). Recuperación de PVC y PET a partir de residuos plásticos mixtos mediante flotación a nivel de laboratorio en el Distrito de Chilca (Tesis para optar el Grado Académico de Doctor en Ingeniería Química y Ambiental) Universidad Nacional del Centro del Perú Unidad de Posgrado de la Facultad de Ingeniería Química Huancayo Perú.

2 Recuperación de PVC y PET a partir de residuos plásticos mixtos mediante flotación a nivel de laboratorio en el Distrito de Chilca Esta obra está bajo una licencia Repositorio Institucional - UNCP

3 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ ESCUELA DE POSGRADO UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA TESIS RECUPERACIÓN DE PVC Y PET A PARTIR DE RESIDUOS PLÁSTICOS MIXTOS MEDIANTE FLOTACIÓN A NIVEL DE LABORATORIO EN EL DISTRITO DE CHILCA PRESENTADA POR: USCAMAYTA VERÁSTEGUI, DAVID SANTOS PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE: DOCTOR EN INGENIERIA QUIMICA Y AMBIENTAL Huancayo Perú 2017

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5 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ ESCUELA DE POSGRADO UNIDAD DE POSGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA TESIS Recuperación de PVC y PET a partir de residuos plásticos mixtos mediante flotación a nivel de laboratorio en el distrito de Chilca PRESENTADA POR: USCAMAYTA VERÁSTEGUI, DAVID SANTOS APROBADA POR EL JURADO SIGUIENTE: PRESIDENTE: SECRETARIO: PRIMER MIEMBRO: SEGUNDO MIEMBRO: TERCER MIEMBRO: ASESOR DE TESIS: Dr. Moisés Enrique Beltrán Lázaro Dr. Elías Adrián Sanabria Pérez Dr. Luis Fernando Riccio Yauri Dr. Cesar Augusto Loayza Morales Dr. Orlando Alfredo Vilca Moreno Dr. Ancelmo Castillo Valdiviezo Huancayo, 22 de diciembre del 2017 ii

6 DEDICATORIA A mis padres Julia y Oswaldo quienes me dieron la vida y me educaron con principios y valores para hacer de mí un hombre de bien. A mi esposa Anamelba, por su amor incondicional y soporte de mi superación profesional. A mis hijos: Wilmer, Mayra, Xiomara, Vannia y David razón de mi existencia. A mis hermanos con quienes aprendimos la grandeza de la unidad familiar. David Santos iii

7 AGRADECIMIENTO A los docentes de la Escuela de Posgrado quienes con valor y sacrificio llegaron de tierras lejanas para compartir sus valiosos conocimientos. A mi asesor de tesis Dr. Ancelmo Castillo Valdiviezo, por su amistad, orientación y acertadas sugerencias para la culminación del presente trabajo. A los docentes de la Facultad de Ingeniería Química de la U.N.C.P., quienes con perseverancia y gran voluntad para trabajar en equipo me apoyaron y motivaron a realizar uno de mis más caros anhelos. Al comité de administración de los recursos para la capacitación (CAREC), entidad que depende del Ministerio de Energía y Minas, por financiar mis estudios de doctorado. A mi Alma Mater la Universidad Nacional del Centro del Perú, por albergarme en todo mi desarrollo profesional y laboral. iv

8 ÍNDICE GENERAL AGRADECIMIENTO... iv ÍNDICE GENERAL... v ÍNDICE DE TABLAS... ix ÍNDICE DE FIGURAS... x ÍNDICE DE GRAFICOS... xi ABREVIATURA Y SIMBOLOGÍA... xii RESUMEN... xiii ABSTRACT... xiv INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO Antecedentes o marco referencial Bases teóricas y conceptuales La Flotación Fases en la flotación Separación selectiva de minerales Interfases Termodinámica de interfases La entalpía Tensión superficial Fenómenos de Adsorción Doble capa eléctrica Potencial superficial Potencial electrocinética v

9 Contacto entre las fases Burbujas ascendiendo Angulo de contacto Cinética de flotación Definición de términos básicos Plásticos Termoplásticos Elastómeros Termoestables Tipos comunes de plásticos PET Polietileno de alta densidad Polietileno de baja densidad Polipropileno Poliestireno PVC Proceso de polimerización Tipos de polimerización Estructura polar - apolar Tratamiento alcalino con NaOH Hidrólisis alcalina Ataque nucleofílico Química de superficies Tensión superficial Angulo de contacto Flotación Equipos de flotación Separación de plásticos Técnica de separación de polímeros por flotación Separación mecánca o manual Separación basada en la utilización de disolventes Utilización de técnicas espectroscópicas Separación basada en técnicas electrostáticas Técnicas en la incorporación de marcadores químicos vi

10 Técnicas basadas en la incorporación de códigos Separación centrífuga Hipótesis de la Investigación Hipótesis General Hipótesis específicas Operacionalización de las variables CAPÍTULO II DISEÑO MÉTODOLÓGICO Tipo y nivel de investigación Métodos de la investigación Diseño de la Investigación Población y muestra Población Muestra Técnicas de Muestreo Técnicas e instrumentos de Recopilación de datos Equipos y materiales utilizados Procedimientos de recolección de datos Pruebas experimentales de mojabilidad Tratamiento químico Medición del ángulo de contacto Separación de PVC/PET por flotación Técnicas de procesamiento de datos CAPÍTULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS Resultados Resultados de la flotabilidad en agua simple vii

11 Resultados de ángulo de contacto para el tratamiento alcalino al 1% de NaOH Resultados de ángulo de contacto para el tratamiento alcalino al 2% de NaOH Resultados de ángulo de contacto para el tratamiento alcalino al 4% de NaOH Resultados para la determinación del ph óptimo de flotación Resultados de la temperatura óptima de flotación Resultados para la determinación del tiempo óptimo de flotación Resultados para la determinación de la granulometría óptimo de flotación Resultados para la determinación de la cantidad de PVC y PET alimentado en la celda de flotación Pruebas experimentales en el equipo de separación de PET y PVC Discusión de resultados CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS viii

12 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.Polímeros termoplásticos más comunes en la industria Tabla 2. Características de algunos elastómeros Tabla 3. Polímeros comunes Tabla 4. Propiedades físicas del PET Tabla 5. Tensión superficial de algunos compuestos orgánicos Tabla 6. Los seis principales plásticos utilizados actualmente Tabla 7. Relación de densidades de polímeros más comunes Tabla 8. Flotabilidad para PVC en agua simple Tabla 9. Flotabilidad para PET en agua simple Tabla 10. Angulo de contacto de PET y PVC a 30 C al 1% de NaOH Tabla 11. Angulo de contacto de PET y PVC a 50 C al 1% de NaOH Tabla 12. Angulo de contacto de PET y PVC a 70 C al 1% de NaOH Tabla 13. Angulo de contacto de PET y PVC a 30 C al 2% de NaOH Tabla 14. Angulo de contacto de PET y PVC a 50 C al 2% de NaOH Tabla 15. Angulo de contacto de PET y PVC a 70 C al 2% de NaOH Tabla 16. Angulo de contacto de PET y PVC a 30 C al 4% de NaOH Tabla 17. Angulo de contacto de PET y PVC a 50 C al 4% de NaOH Tabla 18. Angulo de contacto de PET y PVC a 70 C al 4% de NaOH Tabla 19. Resumen de los resultados de ángulos de contacto Tabla 20. Análisis para diferentes valores de ph Tabla 21. Análisis para diferentes valores de temperatura Tabla 22. Análisis para diferentes valores de tiempo de flotación Tabla 23. Análisis para diferentes tamaños de polímero Tabla 24. Análisis para diferentes cantidades de PVC Tabla 25. Resultados de la cantidad de PET y PVC Tabla 26. Resultados de las pruebas experimentales en el equipo de separación de PET y PVC ix

13 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1:PET (Tereftalato de Polietileno) Figura 2: Fórmula quíica del PET Figura 3: Polietileno de alta densidad Figura 4: Polietileno de baja densidad Figura 5: Polipropileno Figura 6: Poliestireno Figura 7: PVC Figura 8: Distribución de los diferentes polímeros en una botella Figura 9: Estructura polar - apolar Figura 10: Moléculas en la superficie Figura 11: Esquema del comportamiento de tensión superficial Figura 12: Representación de un ángulo de contacto Figura 13: Formas de gotas de agua sobre el substrato Figura 14: Principio de enriquecimiento por flotación Figura 15: Ciclo de la separación que puede ser implementado a una nueva tecnología Figura 16: Técnica de separación de plásticos Figura 17: Esquema de la separación de plásticos basada en la flotación Figura 18: Esquema de la utilización de disolventes para separar plásticos Figura 19: Separación por medio eléctrico Figura 20: Números identificados de los diferentes plásticos reciclables Figura 21: Separación por centrifugación horizontal Figura 22: Fuerzas usadas en la separación por centrifugación horizontal Figura 23: Muestra de PVC y PET Figura 24: Celda de flotación tipo Denver Figura 25: Balanza Analítica Figura 26: Agitador magnético Figura 27: ph metro Figura 28: Termómetro digital Figura 29: Equipo de separación de PET y PVC x

14 ÍNDICE DE GRÁFICOS Gráfico 1. Porcentaje de recuperación de PVC a diferentes valores de ph 88 Gráfico 2. Porcentaje de recuperación de PET a diferentes valores de ph Gráfico 3. Porcentaje de recuperación de PVC a diferentes valores de temperatura Gráfico 4. Porcentaje de recuperación de PVC a diferentes valores de temperatura Gráfico 5.Porcentaje de recuperación de PVC a diferentes tiempos de flotación. 91 Gráfico 6.Porcentaje de recuperación de PET a diferentes tiempos de flotación. 91 Gráfico 7. Porcentaje de recuperación de PVC a diferentes tamaños de polímero Gráfico 8. Porcentaje de recuperación de PVC a diferentes tamaños de polímero Gráfico 9. Porcentaje de recuperación de PVC a diferentes cantidades de muestra de PVC Gráfico 10. Porcentaje de recuperación de PVC a diferentes cantidades de muestra de PET xi

15 ABREVIATURAS Y SIMBOLOGÍA Abreviatura PET PVC HDPE PP EVA RSU PS LDPE T. Significado de abreviatura Tereftalato de Polietileno Policloruro de Vinilo Polietileno de alta densidad Polipropileno Etileno - vinil acetato Residuos Sólidos Urbanos Poliestireno Polietileno de baja densidad Temperatura Símbolo NaOH Significado del Símbolo Hidróxido de sodio C grados Celsius Ph Kg HP L %w/w Θ Q A D pulg. Mm Potencial de hidrógeno kilogramos Unidades de potencia Litros porcentaje en peso Ángulo de contacto Caudal Área diámetro pulgadas milímetros xii

16 RESUMEN La presente tesis surgió de la idea de obtener datos experimentales para la separación de mezclas de PET (Tereftalato de Polietileno) y PVC (Policloruro de Vinilo) empleando operaciones de procesamiento de minerales tales como: tratamiento alcalino y flotación, a las condiciones atmosféricas de Huancayo de 520 mm Hg, en vista del gran volumen de residuo generado y el agotamiento de relleno sanitario, entre otros. Para ello se realizaron pruebas preliminares el primer paso fue tratar las muestras con solución alcalina de Hidróxido de Sodio (NaOH) en temperaturas de 30 C a 70 C (tratamiento termoquímico), con el objetivo de modificar la superficie del PET, paralelamente se estableció el tamaño de las partículas de dichos polímeros, para ser separados aprovechando las propiedades físico químicas de hidrofobicidad. Para el proceso de flotación el ph fue variando entre 6 y 12 al igual que la temperatura que fue variado de 25 C a 75 C con un tiempo de aproximado de 5 min. Las condiciones de tratamiento termoquímico mostraron que la solución con 2% de NaOH y temperatura óptima de 50 C mostraron el medio más eficiente de separación en medio básico con un ph óptimo de 8.5 y tiempo de tratamiento óptimo de 30 min, llegando a alcanzar un 75.73% de recuperación de PVC y % de recuperación de PET.. PALABRAS CLAVES: flotación, residuos plásticos, separación, PET y PVC xiii

17 ABSTRACT This thesis arose from the idea of obtaining experimental data for the separation of mixtures of PET (Polyethylene Terephthalate) and PVC (Polyvinyl chloride) using mineral processing operations such as: alkaline treatment and flotation, to the atmospheric conditions of Huancayo 520 mm Hg, in view of the large volume of waste generated and the depletion of landfill, among others. To do this, preliminary tests were carried out. The first step was to treat the samples with an alkaline solution of sodium hydroxide (NaOH) at temperatures of 30 C to 70 C (thermochemical treatment), with the aim of modifying the PET surface, in parallel established the size of the particles of said polymers, to be separated taking advantage of the physico-chemical properties of hydrophobicity. For the flotation process the ph was varying between 6 and 12 as well as the temperature that was varied from 25 C to 75 C with a time of approximately 5 min. The thermochemical treatment conditions showed that the solution with 2% NaOH and optimum temperature of 50 C showed the most efficient means of separation in basic medium with an optimum ph of 8.5 and optimal treatment time of 30 min, reaching a maximum 75.73% PVC recovery and 86.23% PET recovery. KEYWORDS: flotation, plastic waste, separation, PET and PVC xiv

18 Sommario Questa tesi era l'idea di dati sperimentali per la separazione di miscele di PET (polietilene tereftalato) e PVC (cloruro di polivinile) usando operazioni di lavorazione minerali come trattamento con alcali e flottazione, condizioni atmosferiche Huancayo 520 mm Hg, in considerazione del grande volume di rifiuti prodotti e dell'esaurimento della discarica, tra gli altri. Per questo test preliminari sono stati condotti il primo passo è stato trattato campioni con soluzione alcalina di idrossido di sodio (NaOH) a temperature da 30 C a 70 C (trattamento termochimico), allo scopo di modificare la superficie PET è parallelo stabilito la dimensione delle particelle di tali polimeri da separare sfruttando fisico - chimiche di idrofobicità. Per il processo di flottazione il ph è stata variata tra 6 e 12 come la temperatura è stata variata da 25 C a 75 C con un tempo di circa 5 min. Condizioni di trattamento termochimico mostrato che la soluzione con NaOH 2% e la temperatura ottimale di 50 C ha mostrato il mezzo più efficiente di separazione in ambiente basico con un ph ottimale di 8,5 e tempo ottimale di trattamento di 30 minuti, raggiungendo un Recupero del PVC al 75,73% e recupero PET dell'86,23%. Parole chiave: flottazione, rifiuti di plastica, separazione, PET e PVC 15

19 INTRODUCCIÓN Con el descubrimiento del plástico, varios tipos de materiales poliméricos se encuentran presentes en nuestro día a día, tales como el PP (Polipropileno), PEAD (polietileno de alta densidad), PEBD (Polietileno de baja densidad), PS (Poliestireno), PVC (Policloruro de vinil), PET (Politereftalato de etileno) entre otros. Uno de los plásticos convencionales más utilizados por la sociedad es el PET (Polietileno Tereftalato), ampliamente utilizado en la producción de botellas para bebidas carbonatadas y de agua mineral. Otro plástico que también es utilizado para esa aplicación, pero en menor cantidad es el PVC, (Policloruro de Vinilo). El reciclaje de polímeros es importante y ventajoso pero existen también desventajas como el gran volumen de residuo generado y el agotamiento de los rellenos sanitarios, entre otros. Entre los desechos sólidos, los plásticos ocupan un lugar importante porque a pesar de representar solo un 10% en peso, pueden llegar a representar hasta un 30% en volumen. El gran problema es la contaminación de PVC y PET. Por ello es necesario encontrar un sistema de separación que sea eficiente y amigable con el entorno. Actualmente la técnica de separación como flotación y separación por medio de la gravedad posee resultados eficientes especialmente para el reciclado de polímeros como el PET y el PVC. Para agilizar la separación de los residuos poliméricos, diversas son las técnicas que pueden ser utilizadas para la separación y reciclaje de estos materiales, tales como fluorescencia de rayos X, lecho fluidizado, separación por infrarrojo, flotación entre otros. Pero, el gran problema es que algunos de esos métodos poseen un costo elevado, De entre los diferentes métodos mencionados el que posee menor costo es la separación por flotación. por lo tanto el objetivo de este trabajo es desarrollar las condiciones más eficientes de separación de PVC por el método de flotación después de un tratamiento termo-químico previo, para tornar la superficie de PET más hidrófila lo que llevará a su hundimiento mientras que el PVC más hidrofóbica flotará. 16

20 CAPÍTULO I MARCO TEÓRICO 1.1. Antecedentes o marco referencial Custodio Vásquez, Walter Pardavé, Ella Moreno y Leonor Duarte, (2002) realizaron un estudio de Aplicación de operaciones del procesamiento de minerales a la recuperación de PVC y PET a partir de residuos plásticos. El Presente trabajo trata sobre, el esquema de tratamiento propuesto para la recuperación de PVC y PET empleando operaciones del procesamiento de minerales tales como: reducción de tamaños. Separación por medios densos, tratamiento alcalino y flotación. Los resultados alcanzados a nivel de laboratorio indican que se puede recuperar 95% de PVC y 97% de PET a partir de la muestra seleccionada de envases plásticos recolectados en un sector residual de la ciudad de Bucaramanga Anie Karina da Rosa Oliveira; Carlos Henrique Michelin Beraldo; Ruth Marlene Campomanes Santana Universidad Federal de Rio Grande Brasil (2010) realizaron un estudio de: Reciclaje de PET: Evaluación de la eficiencia de separación del contaminante PVC. En este sentido, el objetivo de este estudio es determinar una metodología más eficiente y viable económicamente de separación de PVC en PET a través del método de flotación. El primer paso fue tratar las muestras con solución alcalina de NaOH en temperaturas de 25 C y 80 C (tratamiento termoquímico), con el objetivo de modificar la superficie del PET, y con esto aumentar a su energía superficial (ES). Para la determinación de la ES fueron realizadas las medidas de ángulo de contacto usando un goniómetro y en el ensayo de flotación fueron utilizadas soluciones de tenso activo MIBC y en diferentes ph. Resultados de las condiciones de 17

21 tratamiento termoquímico mostraron que la solución con 1% de NaOH y temperatura de 80 C fue la que presentó mayores ES en la superficie del PET. En relación a la separación del PVC por flotación, los resultados mostraron que el medio más eficiente de separación es el básico, llegando a alcanzar un 85% de separación de PVC en solución de tensoactivo de 0,25% y de 87% en solución de tensoactivo de 0,50% J. Drelich, J.H.Kim, T. Payne, J.D. Miller, R.W. Kobler (1998) realizaron un estudio de: Purificación de Tereftalato de polietileno a partir de cloruro de polivinilo por medio de flotación de plásticos. Soluciones alcalinas fuertes de hidróxido de sodio son capaces de destruir la hidrofobicidad de Tereftalato de polietileno (PET) que permite la separación por flotación de PVC (cloruro de polivinilo) a partir de PET. El acondicionamiento de la mezcla de PET / PVC en un bajo - concentración de la solución de polímero plastificante a temperatura elevada aumenta la hidrofobicidad de las partículas de PVC y afecta sólo ligeramente las propiedades de la superficie de las partículas de PET. Sobre la base, la mejora de la separación por flotación acondicionada con un plastificante, y el uso de tensoactivos no iónicos, se ha desarrollado y probado en una escala de laboratorio. El uso de este procedimiento de un 93-95% de recuperación de PET puede obtenerse al tiempo que rechaza casi todo el PVC (98-100%) Bases teóricas y conceptuales LA FLOTACIÓN. Es un proceso físico-químico de separación de minerales o compuestos finamente molidos, basados en las propiedades superficiales de los minerales (mojabilidad), que hace que un mineral o varios se queden en una fase o pasen a otra. Las propiedades superficiales pueden ser modificadas a voluntad con ayuda de reactivos. 18

22 Para entender el proceso de flotación, es necesario estudiar las propiedades físicas y químicas de las superficies de los minerales, la relación entre las fases sólida, líquida y gaseosa, y sus interfases. También es básico comprender que la adsorción en la superficie de un mineral es controlada en gran medida por su naturaleza eléctrica FASES EN LA FLOTACIÓN a) Fase Sólida: Está constituida por partículas de mineral finamente molidas. Las propiedades superficiales de los minerales dependen de su composición y estructura. En esta fase juegan un rol importante los siguientes factores: Carácter de la superficie creada en la ruptura del sólido (tipo de superficie, fuerzas residuales de enlaces). Imperfecciones en la red cristalina natural (trizaduras, vacancias, reemplazos de iones, etc.). Contaminaciones provenientes de los sólidos, líquidos y gases (oxidación de la superficie, etc.) La presencia de elementos traza que pueden concentrarse en la superficie de los granos y tener una influencia mucho mayor que su concentración en el mineral. En relación con su afinidad con el agua, los minerales pueden presentar propiedades hidrofóbicas (sin afinidad) e hidrofílicas (con afinidad), que determinan su flotabilidad natural. Esto está directamente relacionado con su polaridad. Se tiene así: Minerales Apolares: 19

23 Son hidrofóbicos (no reaccionan con los dipolos del agua), ejemplo: azufre nativo, grafito, molibdenita y otros sulfuros. En estos minerales su estructura es simétrica, no intercambian electrones dentro de sus moléculas, no se disocian en iones, son en general químicamente inactivos y con enlaces covalentes. Minerales Polares: Son hidrofílicos (los sólidos tienen la capacidad de hidratarse), ejemplo: los óxidos. En estos minerales su estructura es asimétrica, intercambian electrones en la formación de enlaces (enlace iónico) y tienen extraordinaria actividad química en general. b) Fase Líquida: Está constituida por agua con reactivos. El agua es polar, siendo ésta la causa de la hidratación de la superficie del mineral en soluciones acuosas. Contiene generalmente iones (Cl -, Na +, K +, Ca ++, SO4 --,etc), impurezas y contaminantes naturales. La dureza del agua, o sea, la contaminación natural causada por sales de calcio, magnesio y sodio, puede cambiar completamente la respuesta de la flotación de algunos minerales, ya sea por consumo excesivo de reactivos, formación de sales insolubles, etc. c) Fase Gaseosa: Constituida general por aire (en algunos casos por otro gas, nitrógeno por ejemplo), que se introduce y dispersa en la forma de pequeñas burbujas SEPARACIÓN SELECTIVA DE MINERALES Se produce, al coexistir las fases líquida y gaseosa, ya que las partículas hidrofóbicas preferirán adherirse a la fase gaseosa en vez de líquida, mientras que las demás permanecerán en la fase líquida. Las burbujas con partículas adheridas, con una densidad conjunta menor que la del líquido, ascenderán, pasando a la espuma. 20

24 El agregado burbuja partículas debe lograr mantenerse tras su paso a la superficie de la pulpa. Obstaculiza este paso la tensión superficial del líquido que debe por tanto ser disminuida. El conjunto de agregados burbuja partículas, en la superficie, debe adquirir la forma de una espuma estable para posibilitar su remoción INTERFASES Los fenómenos que curren en flotación son interacciones físicas y químicas específicas entre los elementos y compuestos de las distintas fases. Esto ocurre a través de las tres interfases posibles. Gas líquido, sólido líquido y sólido gas Termodinámica de Interfases Hay dos aspectos importantes de destacar: La termodinámica de adsorción en la superficie del mineral y en la interfase gas agua. La termodinámica que controla la unión de las partículas de mineral a las burbujas de aire. 21

25 La entalpía por unidad de área de cualquier superficie (H), la cual es igual al total de energía superficial, está dada por: H = G +TS Donde: G = Energía libre superficial por unidad de área. S = Entropía superficial por unidad de área (indica si un estado es alcanzable o no). Entropía B > entropía A entonces el estado A puede alcanzar al estado B. T = Temperatura absoluta H = Entalpía es una función de estado e indica la cantidad de energía libre que se puede intercambiar con el ambiente, por ejemplo el calor absorbido o generado en una reacción química. En cualquier interfase se genera una fuerza de tensión en el plano de la interfase que es característica de esa interfase. Esta fuerza de tensión se denomina Tensión Interfacial o Tensión Superficial y puede ser considerada igual a la energía libre de superficie Tensión superficial ( ) La tensión superficial es definida termodinámicamente como el trabajo reversible (W) que debe realizarse en orden a incrementar el área de la interfase en 1 cm2. La tensión superficial entonces es numéricamente igual ala energía libre de Gibas por unidad de área y se pude expresar como sigue: unidades: (dinas/cm), (ergios/cm 2 ) 22

26 Valores de tensión superficial Ilustración del concepto de Tensión Superficial Para aumentar el área de la película de líquido en da, debe realizarse una cantidad proporcional de trabajo. La energía de Gibas de la película aumentan en da. El aumento en la energía de Gibas implica que al movimiento del alambre móvil se opone una fuerza F. Si el alambre se mueve una distancia dx, el trabajo realizado es F dx. Estos dos aumentos de energía son iguales, por lo que: Si L es la longitud de la parte móvil, el aumento en área, como la película tiene dos lados, es 2 (L dx). Por lo tanto la tensión superficial del líquido puede expresarse como: 23

27 La tensión superficial actúa como una fuerza que se opone al aumento en área del líquido. Las unidades son: N/m, dinas/cm, Joule/m 2. En una burbuja inmersa en un líquido, cada átomo o molécula en el interior de una fase tiene uniones semejantes con sus vecinos. En la interfase faltan aproximadamente la mitad de las uniones, lo que genera una fuerza resultante dirigida hacia el interior del gas y una cantidad de energía libre cuya magnitud se mide por la tensión superficial. Un análisis del equilibrio de presiones en ambos lados de la interfase líquido gas, permite determinar que la presión interna en una burbuja (PB) es: Donde: = densidad del líquido h = altura a la interfase r = radio de la burbuja PA = presión atmosférica Cuando se trata de la superficie de sólidos, es más apropiado referirse en términos de energía libre superficial. En los sólidos cristalinos se produce una polarización y deformación de los iones de la superficie debido a la simetría de la configuración espacial anión catión en las cercanías de dicha superficie, esto permite la ocurrencia de fenómenos como la adsorción, el mojado y la nucleación. 24

28 Fenómenos de Adsorción Se denomina Adsorción al fenómeno de acumulación de materia en una interfase, en modo tal que su concentración sea mayor o menor que aquellas de las fases que forman la interfase. Cuando la concentración es mayor en la interfase se dice que la adsorción es positiva y es negativo en el caso contrario. La adsorción en una interfase es descrita por la ecuación de adsorción de Gibas como: Donde: i = Adsorción relativa del componente i (densidad de adsorción). Ci = Concentración del componente i T = Temperatura absoluta R = Constante de los gases Los dos casos de adsorción de mayor interés en flotación son aquellos en la interfase gas líquido (aire agua) y en la interfase sólido líquido (mineral agua). También ocurren en la fase gas sólido (oxidación superficial de minerales). Interfase Gas Líquido, G L Los compuestos que se adsorben selectivamente en la interfase G L se llaman Tensoactivos y hacen reducir la tensión superficial. Los reactivos llamados espumantes generalmente alcoholes cumplen con este rol. 25

29 Interfase Sólido Líquido, S L Los compuestos que adsorben en la superficie de los minerales se llaman colectores. Estos. Estos producen el fenómeno de hidrofobización artificial de los minerales y en general, el cambio de sus propiedades de mojabilidad. Tipos de Adsorción: Física Adsorción de iones e signo contrario (contrapones) por atracción electrostática sin producir cambio químico. Química Los compuestos adsorbidos pierden su individualidad química y forman nuevos compuestos superficiales. Se distinguen por el intercambio de iones y formación de compuestos insoluble DOBLE CAPA ELECTRICA En una partícula mineral en contacto con un líquido, se desarrolla una carga eléctrica superficial que es compensada por una distribución 26

30 equivalente de carga en la fase acuosa (capa Stern). Entre esta capa y el seno del líquido se forma una capa difusa de contrapones. Ambas capas en conjunto forman la denominada doble capa eléctrica, que influye directamente en la adsorción de los reactivos sobre la superficie de los minerales. Aquellos iones que son quimiadsorbidos sobre la superficie del mineral establecen la carga superficial y son llamados iones determinantes del potencial. Estos pueden ser iones del mineral, iones hidrógeno (H + ) o hidróxido (OH - ), iones colectores que forman sales insolubles con iones en la superficie del mineral, o iones que forman iones complejos con los iones de la superficie del mineral. La carga superficial en un mineral es determinada por la densidad de adsorción de los iones determinantes del potencial en la superficie del mineral. La carga superficial S (para una sal de valencia 1) está dada por Donde: F corresponde a la constante de Faraday. M y son las densidades de adsorción del catión y del anión + A determinantes del potencial, respectivamente. Para muchos minerales los iones determinantes del potencial son los iones H+ y OH-. En estos casos, el ph al cual la carga superficial es cero, se denomina Punto Cero de Carga (PCC). 27

31 Potencial Superficial, E Aunque la carga superficial no se puede medir, es posible determinar la diferencia de potencial entre la superficie y la solución, lo que se denomina potencial superficial o potencial electroquímico, E. Las propiedades hidrofílicas de la superficie de los minerales tienen una relación directa con el potencial de la doble capa eléctrica, que, en este caso, forma un fuerte campo eléctrico que atrae moléculas e iones de alta constante dieléctrica (agua). Un campo eléctrico débil atrae moléculas de baja constante dieléctrica (moléculas orgánicas) que fomentarán las propiedades hidrófobas de la superficie. El potencial superficial puede expresarse como: Donde F es la constante de Faraday, R es la constante de los gases. T es la temperatura absoluta, n es la valencia del ión determinante del potencial, a es la actividad del ión determinante del potencial en solución y a es la actividad del ión determinante del potencial al PCC. Ejemplo resuelto: El PCC del cuarzo es ph 1.8 y por lo tanto la actividad del ión hidrógeno a este ph es Para ph 7 el valor del potencial superficial será entonces : Potencial Electrocinética o Potencial Zeta Cuando existe un movimiento relativo entre el sólido y el líquido, los iones que forman la capa Stern quedan firmemente asociados con la superficie del sólido, mientras que los iones de la capa difusa quedan o se mueven con el líquido. Esto genera un plano de corte entre ambas capas, generando un potencial eléctrico entre las dos superficies, denominado potencial electrocinética o potencial zeta. 28

32 El potencial zeta, puede ser determinado mediante electrophoresis según: (milivolts) D = Constante dieléctrica del líquido. = Viscosidad del líquido (0.01 a 20 C) V = Velocidad de movimiento del sólido (micrones/segundo) E = Intensidad del Campo eléctrico (volt/cm) El ph al cual el potencial superficial es cero, se denomina Punto Cero de Carga (PCC). Aquel al cual el potencial es igual a cero, se denomina punto isoeléctrico (IEP). En los óxidos y silicatos estos puntos son iguales. 29

33 CONTACTO ENTRE LAS FASES (S L G) En la flotación de una partícula sólida utilizando una burbuja de aire como medio de transporte, la unión entre estos dos elementos se efectúa a través del contacto trifásico (Sólido Líquido Gas) BURBUJAS ASCENDIENDO Las energías interfaciales de las tres fases en equilibrio se pueden relacionar por la ecuación de Young, con el ángulo de contacto : El cambio de energía libre por unidad de área correspondiente al proceso de unión (desplazamiento del agua por la burbuja de aire) se expresa por la ecuación de Dupre : 30

34 Al sustituir la ecuación de Young en esta ecuación, es posible expresar la energía libre en términos del ángulo de contacto : Angulo de contacto Es de suma importancia porque relaciona en forma cuantitativa las propiedades hidrofóbicas de un mineral con su flotabilidad. Si el sólido es hidrofóbico, ya sea en forma natural o por la adsorción de un colector en su superficie, la película de líquido retrocede hasta una posición en la que las tres superficiales se encuentren en equilibrio. El ángulo que se genera entre las tensiones interfasiales LG y SL, se llama ángulo de contacto. A mayor ángulo de contacto, mayor es la variación de la energía libre y, por lo tanto, el proceso de adhesión partícula burbuja es más espontáneo.cuando no hay contacto entre las tres fases, es cero y, por el contrario, cuando es máxima la afinidad, es

35 CINÉTICA DE FLOTACIÓN, K La cinética de flotación puede ser expresada, análogamente a la cinética química, por la ecuación diferencial ordinaria : Donde: CP y CB: son las concentraciones de partículas y burbujas respectivamente. t : es el tiempo de flotación n y m : son los respectivos órdenes de la ecuación diferencial. Si el suministro de aire es constante, los cambios en la concentración de burbujas son despreciables. Una simplificación generalmente adoptada es considerar una cinética de primer orden. Incorporándose estos aspectos se obtiene que : Usando las condiciones de borde: CP = C0 en t = 0 CP = C(t) en t = t Se obtiene: 32

36 1.3. Definición de términos básicos PLASTICOS Los plásticos son derivados del petróleo que se producen a partir de resinas muy variadas. Estas resinas, producidas de materia cruda por industrias químicas, sirven como materia prima para aquellas que fabrican el plástico. Las resinas se pueden obtener de diferentes formas: granuladas, en polvo, líquidas o en pasta. La industria del plástico normalmente moldea estas resinas por medio de calor para lograr el producto terminado. Se presenta una tabla con los plásticos más utilizados en este rubro, dentro de la industria del formado de plásticos se añaden aditivos químicos que les dan las propiedades químicas de donde deriva su utilidad completa. (D.D. María 2000). Los plásticos son materiales sintéticos denominados polímeros, formados por moléculas, cuyo principal componente es el carbono. Son moléculas muy grandes, con una masa molecular que puede alcanzar millones de umas, que se obtienen por la repetición de una o más unidades simples llamadas monómeros, unidas entre sí mediante enlaces covalentes. Forman largas cadenas que se pueden unir entre sí por fuerzas de Van der Waals o puentes de hidrógeno Los plásticos se pueden agrupar o clasificar de maneras muy diferentes si bien todas las posibles clasificaciones pueden resultar en algún momento ambiguas y por lo general un mismo plástico se encuentra en diferentes grupos (M. Beltrán 2002) Los polímeros se pueden clasificar en tres grandes grupos como son los termoestables, termoplásticos y elastómeros. Los termoplásticos se ablandan con el calor, poseen grandes cadenas moleculares lineales y ramificadas, poseen gran ductilidad y conformidad al ser calentados; los polímeros termoestables son más resistentes pero a su vez son frágiles ya que poseen cadenas moleculares rígidas fuertemente enlazadas. Elastómero es una palabra que significa simplemente "caucho". Entre los elastómeros se encuentran el poliisopreno o caucho natural, el poli butadieno, el poliisobutileno, y los poliuretanos. Lo particular de los elastómeros es que pueden ser estirados hasta muchas veces sus propias 33

37 longitudes, para luego recuperar su forma original sin una deformación permanente (Escuela colombiana de Ingeniería 2008) TERMOPLASTICOS Los termoplásticos son polímeros lineales, que pueden estar ramificados o no, son polímeros solubles en algunos disolventes orgánicos, son capaces de fundir y son, por tanto, reciclables. Si los comparamos con los demás tipos de plásticos, los termoplásticos se fabrican y emplean en cantidades muy grandes y entre ellos los más frecuentes son PE, PP, PS y PVC. Para que un polímero tenga aplicación como termoplástico debe tener una temperatura de transición o una temperatura de fusión superior a la temperatura ambiente, son incapaces de fundir (M. Beltrán 2002) A continuación se muestran las características de los polímeros termoplásticos más comunes en la industria. [7] Tabla 1. Polímeros termoplásticos más comunes en la industria 34

38 ELASTOMEROS Los elastómeros son sustancias poliméricas que poseen la particularidad que se pueden deformar en gran medida sin que lleguen a la zona de deformación plástica. Los elastómeros son compuestos químicos cuyas moléculas consisten en varios miles de moléculas llamados monómeros, que están unidos formando grandes cadenas, las cuales son altamente flexibles, desordenadas y entrelazadas. Cuando son estirados, las moléculas son llevadas a una alineación y con frecuencia toman el aspecto de una distribución cristalina, pero cuando se las deja de tensionar retornan espontáneamente a su desorden natural, un estado en que las moléculas están enredadas. Esta forma de volver a su estado natural de desorden distingue a los elastómeros de los polímeros termoestables, los cuales son duros y frágiles. (Escuela colombiana 2008) Los elastómeros son compuestos que contienen dobles enlaces en la cadena principal, de modo que las cadenas del polímero se encuentran 35

39 enrolladas sobre sí mismas, lo que le confiere gran flexibilidad, estos materiales son capaces de soportar deformaciones muy grandes recuperando su forma inicial. Los elastómeros son materiales muy tenaces, resistentes a aceites y grasas, y presentan buena flexibilidad a bajas temperaturas. De hecho, todos los elastómeros tienen temperaturas de transición vítrea inferiores a temperatura ambiente (M. Beltrán 2002). Tabla 2.Características de algunos elastómeros TERMOESTABLES Son aquellos que solamente son blandos o "plásticos" al calentarlos por primera vez. Después de enfriados no pueden recuperarse para transformaciones posteriores. Es un material compacto y duro, su fusión no es posible. Insolubles para la mayoría de los solventes, encuentran aplicación en entornos de mucho calor, pues no se ablandan y se carbonizan a altas temperaturas. Esto se debe a su estructura molecular, de forma reticular tridimensional, que constituye una red con enlaces 36

40 transversales. La formación de estos enlaces es activada por el grado de calor, el tipo y cantidad de catalizadores y la proporción de formaldehído en la preparada base (Escuela colombiana de Ingeniería 2008). Resinas fenólicas ( aislante eléctrico) Resinas de poliéster (Buena resistencia a la humedad Buena resistencia a los disolventes) Resinas ureicas (Similares a las bakelitas) Poliuretano (Planchas para la construcción de carrocerías) Resinas de melanina (el campo de las comunicaciones, como material para los equipos de radiofonía y componentes de televisores). [7] TIPOS COMUNES DE PLÁSTICOS. Los elementos que se encuentran más habitualmente en los plásticos son carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, cloro, flúor y bromo. Algunos de ellos son peligrosos en estado puro, pero se vuelven inertes cuando se incorporan en un polímero orgánico. En el cuadro N 1 figura una relación de los tipos de polímeros que más probablemente se encuentre como desechos plásticos (Programa de las naciones unidas 2002). 37

41 Tabla 3.Polímeros comunes PET (TEREFTALATO DE POLIETILENO) El PET es un plástico que se puede reciclar que se utiliza en todo el mundo, principalmente en los Estados Unidos y Europa, y se utiliza para fabricar botellas y envases. A pesar de ser un plástico reciclable su fabricación involucra sustancias tóxicas, metales pesado, químicos, irritantes y pigmentos, los cuales al final del proceso de producción permanecen en el aire, lo cual es sumamente perjudicial. 38

42 El PET, cuyas siglas significan Tereftalato de Polietileno, se utiliza también para fabricar botellas de refresco, bolsas y bandejas de plástico resistentes al microondas. Lo cual lo pone en el mapa representando el 7% de los plásticos en el mundo. El mayor uso afibrógeno del poliéster es en las botellas para agua, bebidas refrescantes y alimentos. Parte del material puede proceder de la producción de polímeros y de procesos de conversión, pero la mayoría de los desechos plásticos de PET para el reciclado se extraen de la corriente de desechos urbanos. En algunos Estados Parte funcionan procesos probados de extracción y clasificación de botellas de PET entre otros desechos para su limpieza y granulación con destino al reciclado. El PET reciclado se destina fundamentalmente a la producción de fibra, ya sea en hilos finos para tejidos o en fibras más gruesas para material aislante. FIGURA 1. PET (Tereftalato de Polietileno) La versatilidad en los usos Del PET ha abierto mercados que se consideraban exclusivos para envases metálicos o de vidrio. Se le usa para fabricar recipientes para el uso en el hogar (botellas de bebidas gaseosas, salsas, conservas). Por si no es suficiente, nos vestimos con PET: Las fibras de PET, el dracón, se utilizan en telas tejidas e hilos para confeccionar una gran variedad de prendas de vestir (Breña 2008). 39

43 TABLA 4. Propriedades físicas del PET CARACTERISTICAS: Son resistentes a aceites, bases, grasas, ácidos y suelen ser usados para cubrir otros elementos como papel o aluminio. Además, se caracterizan por ser duros y rígidos, no deformarse fácilmente ante el calor, resisten pliegues, los esfuerzos, no absorben la humedad y tienen características dieléctricas y eléctricas favorables. El PET es utilizado en la producción de botellas para aceite y gaseosas, en la fabricación de cintas de audio y video, radiografías, etcétera. FIGURA 2: Fórmula química del PET POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (HDPE) El PEHD se utiliza para fabricar láminas, botellas y bidones, entre otras cosas. La lámina de PE-HD de los envases comerciales o industriales se recicla, no así la utilizada en las bolsas de la compra. El material de las botellas y envases plásticos se recicla en nuevas botellas moldeadas 40

44 mediante soplado o en contenedores mucho más grandes como barriles para agua de lluvia y bidones para compostaje. FIGURA 3. Polietileno de alta densidad (HDPE) POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD (LDPE) Gran parte del PELD se utiliza en envases y en envolturas en la agricultura. Las envolturas de PELD recuperadas de los envases se utilizan más habitualmente en la fabricación de nuevas envolturas. Los desechos transparentes de alta calidad encuentran una aplicación en bolsas de la compra, por ejemplo, mientras que el material de calidad inferior se utiliza en bolsas para basura. El PELD se utiliza principalmente en embalaje industrial y envases comerciales. Puede reciclarse para segundas aplicaciones análogas si se le consigue en una corriente separada. Puede utilizarse también en productos fabricados a partir de mezclas de plásticos. FIGURA 4. Polietileno de baja densidad (LDPE) 41

45 1.3.9 POLIPROPILENO (PP) El polipropileno se utiliza en molduras industriales o piezas moldeadas para automóviles, tapas plásticas para botellas, hilos de cartón, tuberías, contenedores grandes y pequeños, cajas de cerveza, láminas para empaquetar y otros usos. Aunque la lámina no se recupera habitualmente de la corriente de desechos en general, los contenedores, las cajas de cerveza, las piezas moldeadas y las tuberías se reciclan fácilmente en aplicaciones análogas u otras, como tuberías de drenaje para uso agrícola FIGURA 5.Polipropileno (PP) POLIESTIRENO (PS) El Poliestireno se utiliza en formas sólida y expandida. En forma sólida, el PS se utiliza en embalajes, tazas y platos y en aparatos eléctricos y casetes. En forma expandida se utiliza como embalaje a prueba de golpes, tazas y platos y aislamiento térmico y componentes para la construcción. Ambas formas de PS pueden reciclarse: Los componentes de Poliestireno sólido, como las tazas de café, pueden reciclarse en aplicaciones como estuches de videocasetes, equipo de oficina, etc. En 1999, se reciclaron mecánicamente en Europa occidental en total unas toneladas10 de desechos de envases de PS después del consumo. [4] 42

46 FIGURA 6. Poliestireno (PS) PVC (CLORURO DE POLIVINILO) El PVC es el producto de la polimerización del monómero de cloruro de vinilo a Policloruro de vinilo. El PVC es producido a partir de sal y gas, a los que hay que agregarles aditivos para poder ser utilizados. Según lo añadido puede adquirir diversas propiedades, flexibilidad o rigidez, opacidad o transparencia. Este plástico es sumamente utilizado y económico. Es utilizado en la producción de juguetes, envases, envoltorios, películas, electrodomésticos, etcétera. Este material se produce en una amplia gama de calidades, todas las cuales tienen posibilidades de reciclado. Dado que muchas aplicaciones del PVC tienen una vida útil muy larga, hasta ahora sólo se dispone de pequeñas cantidades para su reciclado, aunque esas cantidades aumentarán en el futuro. A continuación se ofrecen algunos ejemplos prácticos : El PVC es utilizado en la fabricación envases para pulidores de pisos, champús, aceites comestibles, enjuagues bucales, mangueras de jardín, cortinas de baño, tarjetas de crédito y muchas otras cosas. 43

47 FIGURA 7. PVC (Policloruro de Vinilo) La siguiente figura muestra donde se encuentra ubicados los diferentes polímeros de una botella de refresco FIGURA 8. Distribución de los diferentes polímeros en una botella PROCESO DE POLIMERIZACION Un polímero de define como la repetición de muchas unidades pequeñas, generalmente hidrocarburos; un polímero es como una cadena en la que cada unión es una unidad básica, hecha de carbono, hidrógeno, oxígeno, y/o silicio. Algunos polímeros son sustancias naturales de origen vegetal y animal. Esto incluye cuernos de animales. 44

48 Para la fabricación de Polímeros sintéticos en escala industrial se emplean principalmente las siguientes reacciones: TIPOS DE POLIMERIZACION: Existen dos tipos fundamentales de polimerización: Polímeros de adición Polietileno (PE) Polímeros vinílicos (Policloruro de vinilo, Poliestireno). Cucho natural Polímeros de condensación Poliésteres (PET) Poliamidas: Nailon [9] ESTRUCTURA POLAR APOLAR Las moléculas polares son aquellas que, como consecuencia de una distribución asimétrica de las cargas, presentan dos polos eléctricos, uno positivo y situado en un extremo de la molécula, y el otro negativo y situado en el extremo opuesto (cada molécula constituye un dipolo eléctrico). En las moléculas apolares o no polares, los centros de distribución de cargas positivas y negativas, respectivamente, coinciden en el mismo punto de la molécula, contrarrestándose los afectos de un tipo de cargas con los de las otras (las moléculas no constituyen dipolos) Si una molécula está constituida por más de dos átomos, puede ser polar o apolar en función de su geometría. Si la geometría de la molécula es tal que se contrarrestan las polaridades de los enlaces, la molécula será apolar, y, en caso contrario, polar. Por ejemplo: las gotitas de aceite muy pequeñas son hidrofobicos y no permanecen suspendidas en el agua; más bien, se separan para formar una capa aceitosa en la superficie del agua. la adición de estearato de sodio o de cualquier sustancia similar que tenga un extremo hidrofílica (polar o cargado) y uno hidrofobicos (no polar) estabiliza una suspensión de aceite en agua. La estabilización es resultado de la interacción de los 45

49 extremos hidrofóbicos de los iones estearato de la gotita de aceite, y de los extremos hidrofílicos con el agua. [27] FIGURA 9. Estrutura polar - apolar Uno de los aspectos esenciales para la consecución de una unión correcta, es el contacto físico del adhesivo con el sustrato. De forma simplificada podemos decir que la energía superficial nos relaciona el estado de los electrones superficiales, es decir, si estos tienen una energía de excitación alta, si están siendo solicitados en varias direcciones por átomos cercanos, o si están en reposo, deduciéndose que las superficies con baja energía superficial no son polares, mientras que aquellas que presentan una energía alta, son generalmente polares TRATAMIENTO ALCALINO CON NaOH (Hidróxido de sodio) El PET encabeza la lista de polímeros más reciclados por su facilidad de manejo con diferentes métodos. El reciclado químico o despolimerización se lleva a cabo por degradación química como glicolisis, hidrolisis. Actualmente, existe un crecimiento en el empleo de la hidrolisis para el reciclado químico del PET. En este proceso, el consumo de energía y el impacto ambiental son bajos y la recuperación de materiales estará lista para asimilarse a la tecnología de síntesis de polímeros. El grupo carboxilo del grupo fenilo, mediante la presencia de solución de NaOH (Hidróxido de Sodio) logra la degradación de los polímeros. 46

50 El reciclado de los residuos de PET como una tecnología de síntesis de polímeros es una práctica interdisciplinaria que requiere de los conocimientos de química y de física de polímeros, de ingeniería de procesos e ingeniería de manufactura. El PET presenta alta cristalinidad es muy hidrófobo para aumentar la hidrofílidad se usa un tratamiento alcalino con NaOH por ser este un compuesto hidrofílica, los iones Na tiene carga positiva y están dispersos en la solución, los iones cargados negativamente están cerca de la superficie (Isenberg 1992). Como se ha mencionado anteriormente, muchos autores manejan la idea hacer flotar al PVC y para lograrlo, utilizan agentes químicos que cambien exclusivamente la superficie el PET para que a éste, no se le adhieran burbujas. Un nuevo experimento sugiere el uso del hidróxido de sodio, mejor conocido como sosa cáustica. Además una sustancia llamada NEODOL es utilizada para lograr una mayor efectividad en el tratamiento alcalino. La idea del tratamiento sigue siendo reducir el ángulo de contacto de la partícula de plástico con una gota de agua, logrando que el PET reduzca su ángulo por debajo de 5 y el PVC incremente su ángulo por arriba de los 55. Esto significa que a mayor ángulo de contacto entre sólido y líquido, es más fácil hacer flotar a dicho cuerpo por medio del burbujeo. El agitador que se utiliza en el experimento tiene una velocidad angular de 1100 rpm a diferencia del otro estudio que maneja 800 rpm; estas revoluciones son suficientes para disolver a la sosa e iniciar el tratamiento sobre la mezcla de plásticos. Durante 5 minutos se agita y permanece 2 minutos más en reposo, posteriormente la mezcla es drenada y es ingresada a la máquina Denver, la cual es un agitador que distribuye un sistema de burbujas constante en un medio acuoso, en donde el PVC flota y el PET se asienta en el fondo. Dicho experimento utiliza cantidades semejantes de residuos plásticos, recuperando un 97 % de PET y un 93 % de PVC, muy pocos procedimientos han obtenido un 100% de ambos materiales [24] Ciertos estudios revelan que es posible separar al PET del PVC (contando estos dos plásticos con la misma densidad y que no hayan sido utilizados 47

51 -- - para su función; en otras palabras que estén nuevos) por medio del burbujeo. En un estado inicial ambos plásticos se adhieren a las burbujas generadas por el agitador del contenedor, por lo tanto, los dos polímeros son arrastrados a la parte superior del recipiente y por lo tanto ambos plásticos permanecen revueltos. Una forma de lograr que el PET y el PVC se separen es sometiendo las partículas a un fuerte tratamiento alcalino (por medio de hidróxido de sodio), el cual logra hacer que el PET presente un comportamiento hidrofílica (le atrae el agua), mientras que el PVC permanece en el estado hidrofóbica (repelente al agua), obteniendo un grado de pureza en los materiales recuperados de un 95 al100%. [2] Una vez que los plásticos han sido acondicionados al tamaño de prueba óptimo, el siguiente paso es someterlos al tratamiento alcalino, para lo cual se utiliza una máquina Denver. Esta máquina está equipada con tres aspas montadas al eje con una inclinación de 45 y gira a 800 rpm. El experimento se realizó en un recipiente de 2 litros y utilizando una cantidad de 300 a 500 g. De la mezcla de los plásticos presentando de un 35 al 45% del peso del sistema. Posteriormente se agrega el hidróxido de sodio y se somete el sistema a temperatura controlada entre70 y 85 C. Cabe mencionar que se utiliza agua des ionizada en el tratamiento. Este tratamiento debe ser hecho durante un periodo de 30 minutos para obtener mejores resultados en cuanto a la flotación de las partículas. El tiempo que se maneja para la separación idónea de los plásticos es de 8 minutos, considerando que es suficiente para recuperar de un 95 al 100% de ambos plásticos. En conclusión, el efecto de flotación de la separación de los polímeros está en función de los siguientes parámetros: tiempo del tratamiento, la temperatura, la concentración de hidróxido de sodio, las revoluciones de agitación, el ángulo de contacto, el plastificador que se utiliza, el ph del agua utilizada, el tamaño de la hojuela y la pureza de ésta. Si no se tiene el control adecuado de todos estos factores la separación de los polímeros no podrá darse y el problema seguirá latente (J. Drelich 1998). 48

52 HIDROLISIS ALCALINA El bajo poder de humectación en medio acuoso del PET, puede mejorarse industrialmente por medio de una hidrólisis alcalina con NaOH en condiciones relativamente enérgicas. Este tratamiento disminuye el peso de material fibroso. El tratamiento consiste en someter el poliéster a altas concentraciones de NaOH con tiempos de procesamiento cortos y temperatura inferior a 100ºC. También existen tratamientos. Durante el procesamiento se verifica una hidrólisis o saponificación superficial del poliéster en una solución concentrada de álcali. El tratamiento se basa en un ataque nucleofílico de la base (NaOH) a la cadena de carbono del PET deficiente en electrones provocando la formación de enlaces de esteres y formando grupos polares tales como carboxilo (-COOH) e hidroxilo (-OH). La hidrólisis acuosa es una reacción de superficie, aumenta la polaridad de la superficie y posibilita la interacción o formación de puentes de hidrogeno como en las moléculas de agua. Las propiedades hidrofóbicas se incrementan al incrementarse el ph sin embargo para valores de ph por encima del valor de 9, los iones OH van incrementando su actividad e interactúan a su vez con los sitios metálicos de la superficie lo que finalmente también refleja en un incremento de sitios hidrofílicos y en un menor ángulo y por lo tanto de flotabilidad ATAQUE NUCLEOFILICO La nucleófila aumenta con la carga negativa, la basicidad, y la polarizabilidad en este tipo de reacción, un nucleófilo, es una especie que reacciona cediendo un par de electrones libres a otra especie (el electrófilo), con un par de electrones no compartido, se inicia por medio de un nucleófilo, se llama reacción de sustitución nucleófila. La fuerza de los nucleófilos puede correlacionarse con dos características estructurales: Un nucleófilo de carga negativa siempre es más fuerte que su acido conjugado. Así, HO - es un nucleófilo más fuerte que H2O y RO - es más fuerte que ROH. 49

53 En un grupo de nucleófilos, en donde el átomo nucleófilo es el mismo, el carácter nucleófilo es paralelo a la basicidad, aumenta con la carga negativa, y la polarizabilidad QUIMICA DE SUPERFICIES Las moléculas de la superficie se encuentran en un ambiente diferente de las moléculas del interior de la fase. La química de superficie se ocupa de los fenómenos que tienen lugar en esta región y que son de aplicación en las industria de los catalizadores, detergencia, intercambio de materia etc. FIGURA 10. Moléculas en la superficie TENSION SUPERFICIAL La interacción de las partículas en la superficie del agua, hace que esta se presente como una verdadera cama elástica, que incluso soporta el peso de un insecto pequeño, este efecto se llama tensión superficial. FIGURA 11.Esquema del comportamiento de tensión superficial 50

54 La tensión superficial se define como la fuerza ejercida por la superficie del líquido por unidad de longitud y se representa mediante ɤ. Cuando un líquido se halla en contacto con un sólido, se establece una pugna entre las fuerzas moleculares líquido líquido y líquido - solido en las moléculas próximas a la zona de contacto. El resultado de esta pugna determina la forma de la superficie del líquido y el ángulo de contacto entre la superficie del sólido y la del líquido. Tabla 5: Tensión superficial de algunos compuestos orgánicos La tensión superficial de un líquido depende de su temperatura, aunque fuera de esto es una constante característica del líquido. En el sistema SI, la unidad de tensión superficial es el newton por metro. La tensión superficial de líquidos disminuye al aumentar la temperatura, lo cual ocurre porque las moléculas en movimiento en un líquido caliente no están unidas tan fuertemente como las que se encuentran en un líquido más frío. Además, ciertos ingredientes conocidos como agentes activos superficialmente reducen la tensión superficial cuando se agregan a líquido. Por ejemplo, el jabón o detergentes reducen la tensión superficial del agua. Esta reducción de la tensión superficial permite que el agua penetre más fácilmente en las grietas y fisuras de la ropa para limpiarla mejor que el agua simple ANGULO DE CONTACTO Si el ángulo de contacto con el agua, definido como lo indica la Figura 12 es netamente inferior a 90, la superficie es hidrófila o hidrofílica; si es 51

55 netamente mayor que 90, la superficie es hidrófoba. En este último caso, es el ángulo de contacto con el aire que es netamente inferior a 90. Cuando una superficie es hidrófoba las burbujas de aire tienen tendencia a "pegarse", es decir, a adherirse a la superficie sólida. FIGURA 12.Representación de un ángulo de contacto FIGURA 13.Formas de gotas de agua sobre el substrato Se llama ángulo de contacto, al que forma la dirección de la fuerza debida a la tensión superficial (siempre tangente a la superficie del líquido en los puntos de contacto con el sólido), con la superficie del solido que no está en contacto con el líquido. Si colocamos una gota de adhesivo sobre una superficie limpia y plana, obtenemos, que en corto tiempo las orillas de la gota forman un ángulo de contacto con la superficie del sólido. Este ángulo de contacto, da la afinidad del adhesivo con el sustrato, de modo que si la gota de adhesivo se extiende en una película delgada con un ángulo de contacto cero, no deja duda alguna de que el adhesivo ha mojado bien al sólido, y está en intimo contacto con él. Por el contrario si la gota no se extiende sobre la 52

56 superficie, o incluso, se retrae elevando el ángulo, nos indicara la poca o nula afinidad de este adhesivo con el sustrato. El problema que se plantea con las superficies no mojables, se puede solucionar modificando su estructura superficial para incrementar la polaridad y la energía superficial hasta el punto en que sea posible el mojado por el adhesivo FLOTACION El proceso de separación mineral-ganga en el proceso de flotación se ilustra en la figura 14. Se introduce el mineral finamente molido en suspensión acuosa en la celda de flotación. La suspensión contiene uno o varios surfactantes llamados colectores, en general xantatos o catiónicos. Estos surfactantes se adsorben sobre las partículas de mineral pero no sobre las de ganga. Como consecuencia las partículas de mineral presentan una superficie hidrofóbica sobre la cual pueden pegarse burbujas de aire o gotas de hidrocarburos. Este es un proceso basado en la química de superficies para separar sólido fino, tomando ventaja de las diferencias en la mojabilidad de minerales. En la operación, burbujas de aire son dispersadas en una celda conteniendo partículas de sólido suspendidas en un medio acuoso formando una pulpa. Mediante la adición de reactivos químicos conocidos como colectores, los minerales son hechos hidrofobicos y se adhieren a las burbujas. El agregado partícula-burbuja asciende y forma la fase espuma, la cual es removida para recuperar el mineral. En la flotación comúnmente se requieren una serie de reactivos, donde los colectores tornan la superficie del mineral hidrofóbica. Por otro lado se tienen los espumantes que son surfactantes usados para disminuir el tamaño de burbuja y promover la estabilidad de la espuma. Los espumantes tienen estructura heteropolar que los hace adsorberse en una superficie aire-agua o sea, en la superficie de las burbujas, para satisfacer tanto su parte polar como su parte apolar. 53

57 FIGURA 14. Principio de enriquecimiento por flotación EQUIPOS DE FLOTACION La separación por flotación se lleva a cabo en máquinas donde se dispersa y distribuye aire o nitrógeno en forma de pequeñas burbujas. En las celdas de flotación se debe mantener la pulpa en estado de suspensión sin ocurrir sedimentación y se debe poder separar adecuadamente el concentrado del relave, entre otras características. Las principales funciones de una celda de flotación son: Mantener todas las partículas en suspensión dentro de las pulpas en forma efectiva, con el fin de prevenir la sedimentación de éstas. Producir una buena aireación, que permita la diseminación de burbujas de aire a través de la celda. Promover las colisiones y adhesiones de partícula-burbuja. Mantener quietud en la pulpa inmediatamente bajo la columna de espuma. Proveer un eficiente transporte de la pulpa alimentada a la celda, del concentrado y del relave. Proveer un mecanismo de control de la altura de la pulpa y de la espuma, la aireación de la pulpa y del grado de agitación, en el caso de celdas agitadas. [17] 54

58 SEPARACIÓN DE PLÁSTICOS: En este capítulo se presenta una breve reseña histórica sobre la evolución del proceso de reciclado de los principales plásticos utilizados actualmente. Se presentan algunos de los estudios y trabajos previos que existen sobre la separación de polímeros, tanto a nivel laboratorio como a nivel industrial. Se identifica la manera más adecuada de lograr esta etapa del proceso de reciclado, además de encaminar el tema de la presente investigación a los objetivos y metas planteadas. Los principales problemas que se presentan durante el proceso del reciclado de plásticos es en el momento de la separación y la purificación de los mismos, ya sea porque todos los desechos plásticos que integran el envase se encuentran mezclados o por los mismos componentes de varias botellas en un lote de basura ]. Por ejemplo, en una simple botella de refresco se pueden encontrar 6 diferentes tipos de polímeros, que a continuación se indican: El polietileno Tereftalato (PET) el cual representa un 68.7% de la botella. El polietileno de alta densidad (HDPE) el cual representa un 24.4%de la botella. El polipropileno (PP) el cual representa un 3.6% de la botella. Una capa de PP para la etiqueta que representa el 2.4 % de la botella. Un copolímero de etileno-vinil acetato (EVA) que es utilizado como adhesivo y representa entre 0.6y0.7%del peso de la botella. Durante la etapa de recolección de los plásticos post-consumo todas las botellas de refresco se revuelven con otras de PVC y éstas a su vez contaminan a todas las botellas de PET con detergentes, aceites, otros adhesivos y jabones principalmente. Por tal razón es necesario lavar a todos los plásticos antes de iniciar un proceso de reciclado de éstos, también, es necesario encontrar un sistema de separación que sea eficiente y amigable con el entorno. Actualmente sólo se usan técnicas de 55

59 separación como flotación y separación por medio de la gravedad. Una técnica bastante atractiva es por medio de burbujas froth flotation las cuales hacen flotar a las partículas de los plásticos en una solución acuosa. La tecnología óptima debería cumplir con el siguiente diagrama de flujo para una buena optimización del separado de los plásticos por medio del tratamiento alcalino. En 1999, en Europa occidental se reciclaron mecánicamente unas toneladas de desechos de PVC, de las cuales toneladas, o 3%, procedía de desechos después del consumo. FIGURA 15.Ciclo de la separación que puede ser implementado a una nueva tecnología En muchos casos, los desperdicios plásticos están compuestos principalmente por cuatro tipos: polietileno Tereftalato (PET), cloruro de polivinilo (PVC), polietileno (PE) y polipropileno (PP), y en la industria del reciclado los polímeros que más son reprocesados son el PET, el HDPE, el PP y el PVC, todos estos productos reprocesados dan lugar a materia prima que es utilizada para moldes, materiales para la construcción y componentes de cortado. Uno de los métodos más baratos y simples para la separación de polímeros es por medio de flotación, la cual comenzó a investigarse a principios del siglo XX, se puede decir que esta aplicación enfocada hacia la separación de los desperdicios plásticos es relativamente nueva. La industria del plástico en el mundo aumenta en un 10% anualmente la producción de los 6 principales plásticos, es necesario incrementar el reciclado de los plásticos de post-consumo, con el fin de reducir los 56

60 combustibles fósiles que generan a los polímeros vírgenes, además de reducir enormemente la contaminación del planeta. Los plásticos reciclados no pueden ser reutilizados en la industria alimenticia. Sin embargo, se utiliza el PET reciclado en la industria de la construcción, el reciclado de polímeros provoca que el precio de la materia prima recuperada incremente su precio en un 30% aproximadamente. Por otra parte, la energía utilizada para el reprocesamiento de los polímeros es menor que para la producción de materiales vírgenes; la técnica más utilizada es la separación de los polímeros por medio de flotación, ya sea por diferencia de densidades o por adherencia de burbujas a las partículas u hojuelas de plástico, siendo uno de los principales problemas de la industria del reciclado la separación entre PET/PVC. Como se ha mencionado anteriormente, ambos plásticos cuentan con propiedades muy similares. Para lograr una buena separación se hace que el PVC si retenga burbujas y el PET no lo haga, para ello se investigan diferentes disoluciones que logren dicho efecto. Separar cada plástico de los otros de diferente naturaleza que aparecen juntos en los RSU, es demasiado complicado y casi imposible ya que aparentemente todos son iguales como consecuencia de los aditivos y cargas que llevan incorporadas. Se han desarrollado varias técnicas de separación basadas en métodos físicos de diferente naturaleza. Unas ofrecen una respuesta más rápida que otras, pero en todos los casos de una gran fiabilidad. Estas técnicas pueden clasificarse como: [25] Técnicas de flotación-hundimiento basadas en la diferencia de densidad. Utilización de disolventes. Técnicas espectroscópicas. Técnicas electroestáticas. Utilización de marcadores químicos. Marcado mecánico. [25] 57

61 TECNICA DE SEPARACION DE POLIMEROS POR FLOTACION Y/O HUNDIMIENTO. Para agilizar la separación de los residuos poliméricos, diversas son las técnicas que pueden ser utilizadas para la separación y reciclaje de estos materiales, tales como fluorescencia de rayos X, lecho fluidizado, separación por infrarrojo, flotación. Pero, el gran problema es que algunos de esos métodos poseen un costo elevado imposibilitando sus usos en empresas pequeñas. De entre los diferentes métodos mencionados el que posee menor costo es la separación por flotación, en la cual normalmente son utilizados tanques con agua, pero no todos los polímeros pueden ser separados por este método, generalmente eso ocurre en función de la diferencia de las densidades entre los polímeros Siendo el caso del PET y PVC, que poseen densidades semejantes, entre 1,33 y 1,37 g/cm3, lo que hace que ambos se depositen en el fondo del tanque de flotación y por consecuencia dificulte la separación de estos dos polímeros. PVC y el PET cuentan con propiedades físico químicos muy semejantes. Tal es el caso de la densidad y el efecto que se genera en ellos por la tensión superficial de un líquido o el ángulo que se forma al colocar una gota de agua en la superficie de dichos polímeros. En el proceso de flotación, la especie más hidrofóbica fluctúa (PVC), pues esta presenta menor energía superficial lo que favorece la separación por flotación. Ya la especie menos hidrofóbica (hidrofílica) se deposita en el fondo del recipiente por presentar mayor energía de superficie. FIGURA 16. Técnica de separación de plásticos 58

62 Una forma de lograr que el PET y PVC se separen es sometiendo las partículas a un fuerte tratamiento alcalino (por medio de hidróxido de sodio), el cual logra hacer que el PET presente un comportamiento hidrofílica (le atrae el agua), mientras que el PVC permanece en el estado hidrofóbica (repelente al agua), obteniendo un grado de pureza en los materiales recuperados de un 95 al 100%. Estos comportamientos lograran que el PET no se le adhieran burbujas y que al PVC sí. Entonces es como se logra la separación de ambos plásticos. Sin embargo, una botella sucia no se comporta de la misma manera que una recién salida de la industria generadora de plástico, ya que esta se encuentra contaminada por todos los agentes descritos anteriormente. Por tal razón es necesario realizar un estudio de las botellas que se encuentran en la basura, ya que son estas las que se deben reciclar continuamente en la industria. Las botellas sucias de PVC deben ser lavadas con un detergente no iónico para remover las etiquetas de la marca de la botella y aceites que permanezcan en estas. A su vez enjuagadas y secadas varias veces y con ayuda de tijeras se generan hojuelas semejantes al tamaño de los granos del PET, el siguiente paso es someterlos al tratamiento alcalino. Se hace uso de un plastificador ya que puede ayudar al proceso de flotación de las hojuelas en cuestión. La siguiente tabla muestra los tipos de productos de plástico que se utilizan diariamente en el hogar y la industria, de los cuales 6 son los más relevantes. Tabla 6. Los 6 principales plásticos utilizados actualmente en el mundo. 59

63 En la actualidad, los residuos de plásticos mezclados procedentes del corte de cable se reciclan en cierta medida tal cual aparecen o después de separarlos. La densidad de los plásticos, presenta una diferencia que puede ser utilizada para separarlos por flotación en disolventes de diferente densidad. El procedimiento a seguir consiste en trocear la mezcla de plásticos de manera homogénea e introducirla en agua que incorpora una pequeña cantidad de detergente para conseguir que el agua moje al plástico. Así, quedan sobre nadando aquellos plásticos con densidad menor a la unidad, hundiéndose los que poseen una densidad mayor que uno. Tabla 7. Relación de densidades de polímeros más comunes FIGURA 17. Esquema de la separación de plásticos basada en la flotación/ hundimiento 60

64 SEPARACIÓN MECÁNICA O MANUAL Se tienen diversas técnicas de separación de plásticos siendo una de las más populares hasta el momento la de separación mecánica manual, la cual consiste en seleccionar los plásticos que se desean separar de forma manual involucrando a una gran cantidad de personas para realizar esta operación. Lo anterior resulta costoso y tedioso. La automatización se ha visto implicada en este ámbito y han surgido nuevas tecnologías; una de las cuales es la que utiliza la compañía National Recovery Technologies que hace uso de sensores infrarrojos para detectar el espectro que emiten los diferentes tipos de plásticos, siendo uno de los principales en su separación el PET. Dicho sistema ocupa además de los sensores infrarrojos, un set de algoritmos para que sea más rápida la separación y un mecanismo de aire el cual envía a cada plástico a su lugar. La separación mecánica de plásticos es la práctica más recomendable con respecto a la de fundición, ya que los plásticos tienen diferentes puntos de fusión y al permanecer juntos, los polímeros se queman o contaminan al plástico que se intenta recuperar. Por ejemplo, las botellas de PET y PVC cuentan con tapas de PP y las temperaturas de fusión de estos plásticos son: 260 C, 160 C y de 105 C a 135 C, respectivamente. Por tal motivo la separación de los polímeros es de vital importancia para un óptimo reciclado. Otro de los métodos utilizados para la separación de polímeros es por medio de hidrociclones, los cuales son empleados para separar partículas de plástico que cuenten con densidades distintas. Este método no puede ser empleado en materiales que cuenten con rangos de densidad muy parecidos, como ocurre en el caso del PET y PVC SEPARACIÓN BASADA EN LA UTILIZACIÓN DE DISOLVENTES El procedimiento de separación basado en la aplicación de disolventes fue desarrollado por Seymour y Stahl en la Universidad de Houston representado en la figura para una mezcla de PE, PS, PVAC. El procedimiento consiste en disolver la mezcla de plásticos en tolueno a temperatura ambiente. En este disolvente no se disuelven el PE ni el PVC, por lo que se separan por filtración. 61

65 FIGURA 18.Esquema de la utilización de disolventes para separar plásticos por el procedimiento de disolución precipitación UTILIZACIÓN DE TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS. Se basan en la diferente respuesta que tienen los plásticos a la radiación electromagnética en función de su estructura química. Son técnicas de respuesta muy rápida por lo que se han podido aplicar en separaciones en tiempo real y de manera automatizada. Citaremos como las más importantes: la fluorescencia de rayos X y la radiación infrarroja SEPARACIÓN BASADAS EN TÉCNICAS ELECTROESTÁTICAS. A este grupo pertenece la separación triboeléctrica basada en la carga electroestática que se genera en pequeñas partículas de plástico provocada en la fricción con la pared del cilindro provocada por un molino de aire. Una vez cargadas las partículas se proyectan a un campo electroestático creado entre unas placas metálicas a las que se aplica un potencial de voltios. Otro de los métodos de separación se realiza con ayuda de la electricidad estática. Para ello se requieren hojuelas de tamaños de 3 a 7 mm. Estas partículas serán cargadas triboeléctricamente (frotadas), posteriormente son pasadas por un juego de placas que están cargadas con un campo 62

66 electrostático de 3 a 5 kv/cm. En dichas placas, las partículas que reaccionan a la carga establecida serán adheridas o desviadas hacia otro contenedor y las demás seguirán su camino original. También es necesario tomar en cuenta la temperatura a la que se cargan las partículas, ya que de esta dependerá una buena separación. Se ha utilizado un rango de 70 a 100 C por un periodo de 5 minutos. Los resultados obtenidos por este método logran un nivel de pureza del 95 % tanto para el PVC como para el PET. El estudio de análisis ha permitido obtener el siguiente rango que muestra las propiedades de los plásticos en cuestión, indicando la carga que se genera en cada uno de éstos. FIGURA 18. Las propiedades eléctricas de los polímeros, descritas por Chen C. Ku y RaimondLiepins. Electrical of Polymers (1987). La gran diferencia de este estudio es que no involucran al PET en la mezcla de plásticos, ya que se enfrentan a la difícil tarea de separar nuevamente al PET del PVC. Como se aprecia en la figura anterior, ambos tienden a cargarse de la misma manera (negativamente) y como ambos plásticos presentan propiedades muy parecidas, es difícil separarlos por este medio. Sin embargo, si la industria requiere separar a todos los 63

67 demás plásticos comerciales que se emplean en los hogares e industria, es bastante útil esta herramienta. La forma de operar el separado por medio eléctrico se aprecia mejor en la siguiente figura. FIGURA 19.Separación por medio eléctrico La idea general es que un alimentador que contiene a la mezcla de las partículas de plástico con un tamaño de entre 0.01 y 0.5 pulgadas, las cuales entran al equipo que las cargará eléctricamente, posteriormente las placas con diferentes polaridades atraerán a las partículas con la respectiva carga que las complemente (polos opuestos se atraen). En ocasiones no todas las partículas son atraídas por los polos y pasan por en medio de los dos contenedores, los cuales a su vez son regresadas al inicio del ciclo para ser tratadas nuevamente y así lograr su separación La separación electrostática se basa en las propiedades triboeléctricas o de las propiedades de conductividad eléctrica de los polímeros. Separándolos por medio de cargas eléctricas y polarizando a cada plástico, este es un método muy caro ya que la generación de la electricidad tiene un costo elevado, pero no genera residuos de agua y además es muy sensible a las impurezas y a la humectación de los plásticos. En la actualidad, nuestro país es un gran consumidor de productos plásticos y materiales derivados del petróleo, teniendo así una gran 64

68 cantidad de desperdicios de este tipo, los cuales hasta el momento no ha sido posible reciclarlos adecuadamente y no se cuenta con la tecnología para hacerlo, a excepción de un método manual TÉCNICAS EN LA INCORPORACIÓN DE MARCADORES QUÍMICOS. En este método de separación basado en la incorporación de marcadores químicos proporcionan al material una cierta propiedad física fácilmente identificable, como la respuesta fluorescente a la radiación ultravioleta, o la respuesta a la radiación infrarroja. El procedimiento consiste en la incorporación específica de un determinado marcador para cada polímero consiguiéndose una respuesta rápida y fiable fácilmente incorporable a una cadena de tiraje automatizada. Requisitos: Mostrar una respuesta fiable al sistema de detección elegido. No ser toxicas No migrar hacia los productos que pueda contener No colorear el campo visible Ser estables a la luz y el calor No modificar las propiedades físico mecánicas del material. [25] TÉCNICAS BASADAS EN LA INCORPORACIÓN DE CÓDIGOS. Este procedimiento consiste en marcar cada artículo de plástico con un triángulo de flechas curvas, en cuyo interior aparece un número identificativo de cada plástico. 65

69 FIGURA 20. Números identificativos de los diferentes plásticos reciclables SEPARACIÓN CENTRÍFUGA Existe otro tipo de separación que es por medio de centrifugación vertical. En esta técnica se debe llenar un tanque con un líquido separador el cual al alcanzar velocidades angulares altas (370 rpm), tendrá una gran fuerza de corte lo que hará que los plásticos más pesados se coloquen en los extremos de las paredes y los más livianos flotarán con lo cual se logra una separación de gran calidad ya que a la vez sirve como lavado de los plásticos, cabe señalar que no afecta el tamaño de los plásticos que sean ingresados ya que los toma a todos por igual y además no importan las impurezas puesto que también las separa. De la separación por centrifugación horizontal, hay un estudio en el cual se desarrolló una máquina bajo este principio, con lo que se aprovechan las fuerzas de gravedad y la centrífuga para lograr la separación efectiva de plásticos más pesados de los más livianos, en un medio líquido. 66

70 FIGURA 21.Separación por centrifugación horizontal En la figura anterior se puede observar la máquina antes referida en la cual los productos más livianos salen del lado izquierdo y los productos plásticos más pesados salen del lado derecho, ocupando para este sistema un par de tornillos los cuales jalan hacia cada lado al respectivo plástico. La alimentación se hace por el centro donde llegan los plásticos revueltos. Cuando estos ingresan a la zona de separación los más pesados se quedan en las paredes de la máquina mientras que los livianos flotan en el agua, con lo cual cada tornillo helicoidal se encarga de moverlos hacia el extremo que les corresponde en la máquina. FIGURA 22.Fuerzas usadas en la separación por centrifugación horizontal 67

71 El diagrama anterior muestra las fuerzas que actúan en la separación de estos plásticos, al estar girando a una velocidad alta, se ejercen estas fuerzas sobre el agua y sobre las partículas que se desean separar. Para lograr una buena separación se necesita controlar las revoluciones de los tornillos helicoidales, así como también influye el hecho de la pureza de los materiales a reciclar, ya que entre más puras sean las hojuelas a separar, este prototipo tiene una mejor separación. Cabe aclarar que este prototipo está hecho para separar plásticos que sean PET y HPDE con rangos de concentraciones de 15 a 85 % de cada uno de estos plásticos. Pero dándose todos estos requisitos el prototipo dice entregar cerca de un 97 % de HDPE y un 99% de PET con lo cual es muy buena la separación de estos plásticos. Existe otro estudio publicado que ofrece la separación de PVC y PET obteniendo muy buenos resultados. Dentro de dicho estudio, se hace hincapié en la importancia del tamaño de partícula con el que se debe de trabajar o el tipo de grano que se ocupará para separar. Después de separar con flotación simple los plásticos que sí se pueden, se recurre a un tratamiento alcalino para los plásticos que tienen densidades similares. El tratamiento consiste en sumergir los plásticos a separar, en una solución de NaOH y de HCl con lo cual se hace que uno de ellos pierda su flotabilidad, después se acondicionan las muestras con un espumante consiguiendo la separación de los mismos. Lo interesante de este tipo de trabajos, es que muestran que se pierde la hidrofobicidad de plásticos como el PET después de ser sometido al tratamiento alcalino, con lo cual se logra que las burbujas de aire no se adhieran al plástico en cuestión. Con ello se logra la separación ya que el PVC sí logra ser atrapado por burbujas de aire y conseguir así una flotación. En el trabajo mencionado se logra una recuperación de aproximadamente un 83% de PVC y un 80% de PET. 68

72 1.4. Hipótesis de la Investigación Hipótesis General Empleando operaciones del procesamiento de minerales tales como: reducción de tamaños, separación por medios densos, tratamiento alcalino y flotación nos permitirán separar PVC y PET a partir de envases plásticos mixtos Hipótesis específicas Se modificará el comportamiento físico químico de PET y PVC en el tratamiento químico con NaOH Evaluando las variables de separación por flotación se podrá proponer las condiciones adecuadas en las operaciones de reciclado de plástico Determinan las condiciones más adecuadas se elevará la eficiencia de tratamiento para separar PVC y PET Operacionalización de las variables Variable dependiente -Porcentaje de recuperación de PVC y PET Variables independientes -Temperatura ( C) - Tiempo de tratamiento alcalino (minutos) - ph en la flotación 69

73 CAPÍTULO II DISEÑO MÉTODOLÓGICO 2.1. Tipo y nivel de investigación Es del tipo aplicada porque la celda de flotación implementada para la separación del PVC y PET fue validada mediante pruebas experimentales en el laboratorio de electroquímica de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del centro del Perú. La presente tesis reúne las características de un Nivel Predictivo o experimental ya que se describirá la eficiencia del nuevo método y un nivel correlacional por que se identificará la relación de la variable dependiente con las independientes Métodos de la investigación El método es del tipo hipotético-deductivo En la tesis se propone una hipótesis como consecuencia de sus inferencias del conjunto de datos empíricos o de principios y leyes más generales. Las hipótesis se contrastarán mediante procedimientos inductivos y procedimientos deductivos. Es la vía de inferencias lógico deductivo para arribar a conclusiones particulares a partir de la hipótesis y que después se puedan comprobar experimentalmente Diseño de la Investigación El diseño experimental es un acercamiento científico que permite entender mejor un proceso y a determinar la manera en que las variables de ingreso afectan la variable de salida. Las condiciones de cada una de las variables de ingreso (granulometría, tiempo de tratamiento químico, temperatura, ph y tiempo de flotación) tienen efecto en la respuesta (separación por flotación del PET y PVC), algunas tendrán algún efecto más pronunciado que otras. Además 70

74 estas variables interactúan entre sí, es decir, se desarrolla entre ellas una dependencia que modifica su efecto individual. Un aporte tan importante como el de evaluar el efecto de cada variable, es que un diseño experimental también permite medir el nivel entre las variables de ingreso y fijar los mejores valores de estas variables de modo que la respuesta proporcione las mejores condiciones. Diseño factorial Aquel que investiga todas las posibles combinaciones de los niveles de los factores en cada ensayo completo o réplica del experimento. Los niveles representan los valores que pueden tomar las variables o factores. El número total de experimentos a llevarse a cabo viene definido por la relación: Dónde: N pruebas = m n m: Representa los niveles. n: Representa a las variables independientes Selección de factores Variable dependiente -Porcentaje de recuperación de PVC y PET Variables independientes VARIABLES Factores codificados Factores decodificados bajo Alto bajo alto Tiempo de acondicionamiento (t a ) / minutos ph ,5 8,5 Temperatura (T) / C Fuente: Elaboración propia 71

75 2.4. Población y muestra Población Se ha considerado como la población universal el total de residuos sólidos del distrito de Chilca Muestra Mediante un muestreo aleatorio se recolectaron 10 Kg de muestra de dos tipos de envases plásticos de bebidas carbonatadas y agua mineral (PET), envases de lejía, shampoo, yogurt (PVC), durante un periodo de 30 días Técnicas de Muestreo La muestra se obtuvo realizando un muestreo aleatorio, la reducción de muestra se realizó por el método del cuarteo. FIGURA 23. Muestra de PVC y PET Técnicas e instrumentos de Recopilación de datos Mediante la técnica de la observación se logró recopilar la información Equipos y materiales utilizados Los equipos y materiales utilizados en todo el proceso de tratamiento químico y proceso de separación por flotación son los siguientes: Equipos e instrumentos Celda de flotación tipo Denver: 72

76 Consta con una pequeña celda de flotación de vidrio con una capacidad de 2 L. El agitador se ubica debajo de un difusor estacionario que consiste de un disco denticulado con paletas radiales en su periferia orientadas hacia abajo en cada uno de sus dientes. El agitador es accionado por un motor que transmite su movimiento rotatorio mediante un eje central que se encuentra en un tubo que sirve para hacer llegar el aire exterior hasta la pulpa. El accionamiento del agitador con una velocidad de1500 RPM, empieza a succionar el aire por un orificio situado en la parte superior del tubo. La potencia del motor es de 1/5 HP. FIGURA 24. Celda de flotación tipo Denver. Fuente: Elaboración propia Balanza Analítica Digital: Para el trabajo experimental se utilizó la balanza que se encuentra ubicada en el laboratorio de Análisis de Agua, cuyas características son: Marca : Himadzu Serie : Nº Capacidad : máx. 220 g, min. 10 g, resol. 0.1 mg 73

77 FIGURA 25. Balanza Analítica Fuente: Elaboración propia Agitador magnético : Para el trabajo experimental se utilizó el agitador magnético que se encuentra ubicada en el laboratorio de Análisis de Agua, que cuenta con rangos de temperatura y grado de agitación variables. FIGURA 26. Agitador Magnético Fuente: Elaboración propia ph metro: Se utilizó el ph metro que se encuentra ubicada en el laboratorio de Análisis de Agua. 74

78 FIGURA 27.pH metro Fuente: Elaboración propia Termómetro Digital: El sensor que se utilizará ser el transistor LM35DZ modelo TO-92, el cual es un sensor de temperatura con buena precisión en escala Celsius. FIGURA 28.Termómetro digital. Fuente: Elaboración propia Equipo de separación de PET y PVC : El equipo está constituido por un tanque de diámetro 21 cm cuya altura del cilindro es de 62.3 cm, a la vez adjuntada en los extremos por 75

79 - conos cortados de diámetro 12.4 cm y altura 37 cm, cuyo material es acero inoxidable en su totalidad. El equipo consta de: - Banda de alimentación. Provee al equipo de la mezcla de los polímeros en cuestión, provenientes del proceso de triturado y tratamiento termoquímico. - Tanque de separación. Es en donde se colocará la mezcla de partículas de PET y PVC junto con la disolución agua-sosa, en la parte interna central se encuentran las aspas que generarán un remolino en toda la solución salina para generar las burbujas que separarán al PET del PVC. Puesto que los agitadores abarcan todo el tanque, no se necesita de una protección para estas. El agitador se trata de dos tornillos de Arquímedes en donde ambas piezas giran en sentidos opuestos. En la parte inferior del recipiente se encuentran las salidas para los plásticos recuperados. Dentro del tanque de separación resaltan las siguientes partes: - Tuberías de alimentación. La primera entrada es para el agua limpia que viene de la bomba principal y el depósito de agua. La segunda entrada es para el agua que sale junto con los plásticos separados y pasa a través de la bomba secundaria (esta agua cuenta con NaOH). La tercera y cuarta entrada es para la sosa y la última es para recibir a la mezcla PET/PVC. - Tren de engranes. Este mecanismo permite que un tornillo avance a la izquierda y el otro a la derecha para poder realizar la separación. - Tornillo 1. Esta pieza avanza hacia la izquierda y retira del fondo del tanque al PVC. - Tornillo 2. Esta pieza avanza hacia la derecha y retira de la superficie del agua al PET. - Salidas. Estas ranuras se conectan a los tubos de salida por donde llegan los plásticos ya separados. - Red hidráulica principal. Es el circuito hidráulico del cual se obtiene el suministro de agua potable para realizar las disoluciones de separación. 76

80 - Receptor. Es el recipiente donde caen los plásticos una vez que han sido separados. Puesto que los plásticos separados llegarán a este recipiente con agua, se debe colocar una malla que permita el paso del líquido y que entre a la segunda red hidráulica. - Red hidráulica secundaria. Esta línea de tubos hace recircular al agua que cuenta con sosa para que entre nuevamente al tanque de separación. - Motor. La máquina eléctrica que brinda la potencia necesaria al tren de engranes y a los tornillos para lograr el desplazamiento lineal delos plásticos. FIGURA 29. Equipo de separación de PET y PVC Fuente: Elaboración propia Materiales utilizados: Fiolas de 100mL, 250mL y 1L. Vaso de precipitación de 50mL, 100mL y 1L Piceta Probeta de 50mL. Luna de reloj Magneto Varilla de vidrio. Cronometro. 77

81 Reactivos utilizados Solución buffer 4 Solución buffer 7 NaOH (Hidróxido de Sodio): 1%w/w. NaOH (Hidróxido de Sodio): 2%w/w. NaOH (Hidróxido de Sodio): 4%w/w. NaOH (Hidróxido de Sodio): M NaOH (Hidróxido de Sodio): 0.001M NaOH (Hidróxido de Sodio): M NaOH (Hidróxido de Sodio): 0.002M NaOH (Hidróxido de Sodio): M NaOH (Hidróxido de Sodio): 0.003M PROCEDIMIENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Recolección de la muestra Mediante un muestreo aleatorio se recolectaron 10 kg de muestra de dos tipos de envases plásticos de bebidas carbonatadas y agua mineral (PET), envases de lejía, shampoo, yogurt (PVC), durante un periodo de 30 días en un sector del distrito de Chilca. SEPARACIÓN DE CELULOSA Los envases fueron lavados con agua y detergente no iónico para depurar contaminantes como papel, adhesivo, grasa, entre otros los cuales pueden dificultar pasos posteriores. TRITURACIÓN Se cortaron los dos tipos de plásticos PET y PVC en medidas conocidas que constaron de 1, 2, 3, 5 y 6 mm respectivamente PRUEBAS EXPERIMENTALES DE MOJABILIDAD EN AGUA SIMPLE Se añadieron 10 partículas de PET y 10 partículas de PVC de diferentes tamaños para evaluar su comportamiento en agua simple en un volumen de 500 ml de agua, la eficiencia de separación fue a través de la 78

82 cuantificación de los flakes de PVC que flotaron y que fue realizada visualmente, ya que las cantidades de PET y PVC en cada muestra eran conocidas TRATAMIENTO TERMOQUIMICO Las muestras de PET y PVC fueron sometidas a condiciones de tratamiento termoquímico empleando solución de NaOH a diferentes concentraciones, temperatura y tiempo con la finalidad de modificar la superficie del PET tornándolo menos hidrofóbica lo que conllevara a una separación efectiva. Se trabajó con 1g de PET y 1 g PVC para las pruebas de tratamiento alcalino con NaOH. Se realizaron 3 pruebas de tratamiento termoquímico a concentraciones de 1%, 2% y 4% de NaOH. El tratamiento se efectuó a diferentes temperaturas de 30 C, 50 C y 70 C para cada concentración de NaOH. El tiempo de tratamiento se acondiciono de 15 a 30 min para cada tratamiento. Se procedió a la medición de ángulo para en análisis de hidrofobicidad empleando el programa de AutoCAD MEDICION DEL ANGULO DE CONTACTO Para la evaluación de los cambios físicos de la superficie de PET y PVC después del tratamiento termoquímico, se evaluaron las imágenes de gotas de agua en la superficie de las muestras de PET y PVC, estas fueron tratadas, secas y caracterizadas a través del análisis del ángulo de contacto. Se colocó una gota de agua sobre el substrato polimérico tratado con solución de NaOH a diferentes concentraciones, y se procedió a la medición de ángulo por el nivel de esparcimiento del agua en la superficie que es claramente visible. 79

83 SEPARACION DE PET/ PVC POR FLOTACIÓN La comprobación final de que hubo variación en la superficie de PET y PVC será determinada por las pruebas de flotación, donde se confirman las informaciones obtenidas en los ensayos de ángulo de contacto. Las pruebas de flotación se realizaron en la celda Denver de 2 litros y medio a 1500 RPM. Se trabajaron con una muestra de 5 gramos de PET y 5 gramos de PVC y fueron sometidos al tratamiento alcalino a las condiciones favorables encontradas para la separación y con valores óptimos de ángulo de contacto, por lo cual se hizo un tratamiento alcalino con 2% de NaOH a una temperatura de 55 C por un tiempo de 30 min, con lo cual se tuvieron mejores resultados. Los parámetros de Temperatura y tiempo se mantuvieron constantes en un primer plano en todos los experimentos, con valores de 45 C y 5 min respectivamente, donde se acondicionó a diferentes valores de ph donde se encontró el ph óptimo para la flotación. Seguidamente se mantuvieron constantes el tiempo y el ph con valores de 5 min y 8.5 respectivamente, se acondicionaron a diferentes valores de temperatura donde se encontró la temperatura óptima de flotación. Finalmente se mantuvieron constantes Los parámetros de Temperatura y ph óptimos con valores de 55 C y 8.5 respectivamente, donde finalmente se acondicionaron a diferentes tiempos de flotación donde se encontró el tiempo de flotación óptimo Técnicas de procesamiento de datos El procesamiento de datos se realizó con pruebas experimentales preliminares las cuales nos proporcionaron valores axiales de las variables en la separación mediante flotación de PVC y PET. Luego se realizó el análisis estadístico de los resultados y diseño factorial aleatorizado (Análisis y toma de decisiones). 80

84 CAPÍTULO III ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 3.1 RESULTADOS RESULTADOS DE LA FLOTABILIDAD EN AGUA SIMPLE Tabla 8. Flotabilidad en agua simple para PVC PVC (mm) OBSERVACIONES 6 De 10 partículas 1 cae al fondo 5 De 10 partículas 1 cae al fondo 3 todos flotan 2 todos flotan 1 todos flotan Tabla 9. Flotabilidad en agua simple para PET PET (mm) OBSERVACIONES 6 De 10 partículas 5 caen al fondo 5 De 10 partículas 4 caen al fondo 3 De 10 partículas 1 caen al fondo 2 Todos flotan 1 Todos flotan RESULTADOS DE ANGULO DE CONTACTO PARA EL TRATAMIENTO ALCALINO AL 1% DE NaOH. 81

85 Tabla 10. Angulo de contacto entre una gota de agua sobre el sustrato polimérico de PET y PVC a 30 C TEMPERATURA 30 C POLIMEROS PET PVC 15min TIEMPO 30min Tabla 11. Angulo de contacto entre una gota de agua sobre el sustrato polimérico de PET y PVC a 50 C TEMPERATURA 50 C POLIMEROS PET PVC TIEMPO 15min 82

86 30min Tabla 12. Angulo de contacto entre una gota de agua sobre el sustrato polimérico de PET y PVC a 70 C TEMPERATURA 70 C POLIMEROS PET PVC 15min TIEMPO 30min RESULTADOS DE ANGULO DE CONTACTO PARA EL TRATAMIENTO ALCALINO AL 2% DE NaOH. 83

87 Tabla 13. Angulo de contacto entre una gota de agua sobre el sustrato polimérico de PET y PVC a 30 C TEMPERATURA 30 C POLIMEROS PET PVC 15min TIEMPO 30min Tabla 14. Angulo de contacto entre una gota de agua sobre el sustrato polimérico de PET y PVC a 50 C TEMPERATURA 50 C POLIMEROS PET PVC TIEMPO 15min 84

88 30min Tabla 15. Angulo de contacto entre una gota de agua sobre el sustrato polimérico de PET y PVC a 70 C TEMPERATURA 70 C POLIMEROS PET PVC 15min TIEMPO 30min RESULTADOS DE ANGULO DE CONTACTO PARA EL TRATAMIENTO ALCALINO AL 4% DE NaOH. 85

89 Tabla 16. Angulo de contacto entre una gota de agua sobre el sustrato polimérico de PET y PVC a 30 C TEMPERATURA 30 C POLIMEROS PET PVC 15min TIEMPO 30min Tabla 17. Angulo de contacto entre una gota de agua sobre el sustrato polimérico de PET y PVC a 50 C TEMPERATURA 50 C POLIMEROS PET PVC TIEMPO 15min 86

90 30min Tabla 18. Angulo de contacto entre una gota de agua sobre el sustrato polimérico de PET y PVC a 70 C TEMPERATURA 70 C POLIMEROS PET PVC 15min TIEMPO 30min 87

91 %R (PVC) TABLA 19. Resumen de los resultados de los ángulos de contacto de los sustratos de PET y PVC Concentración de NaOH 30 C 50 C 70 C Tiempo θ ( PET) θ(pvc) θ (PET) θ (PVC) θ (PET) θ (PVC) 1% 15min min % 15min min % 15min min RESULTADOS PARA LA DETERMINACION DEL ph ÓPTIMO DE FLOTACION. Tabla 20. Análisis para diferentes valores de ph. ph %R (PVC) %R (PET) ph vs % Recuperacion (PVC) ph GRAFICA 1.Porcentaje de Recuperación de PVC a diferentes valores de ph 88

92 % R (PVC) % R (PET) 80 ph vs % Recuperacion (PET) ph GRÁFICA 2.Porcentaje de Recuperación de PET a diferentes valores de ph RESULTADOS PARA LA DETERMINACION DE LA TEMPERATURA (T C) ÓPTIMA DE FLOTACION. Tabla 21. Análisis para diferentes valores de Temperatura (T C). T ( C) %R (PVC) %R (PET) Temperatura vs % Recuperación (PVC) Temperatura GRAFICA 3.Porcentaje de Recuperación de PVC a diferentes valores de temperatura 89

93 % R(PET) Temperatura vs % Recuperación (PET) Temperatura GRAFICA 4.Porcentaje de Recuperación de PET a diferentes valores de temperatura RESULTADOS PARA LA DETERMINACION DEL TIEMPO ÓPTIMO DE FLOTACION. Tabla 22. Análisis para diferentes valores de Tiempo (s). Tiempo( s) %R (PVC) %R (PET)

94 %R(PET) % R(PVC) Tiempo vs % Recuperación (PVC) tiempo GRAFICA 5.Porcentaje de Recuperación de PVC a diferentes tiempos de flotación Tiempo vs % Recuperación (PET) tiempo GRAFICA 6. Porcentaje de Recuperación de PET a diferentes tiempos de flotación 91

95 % R(PVC) RESULTADOS PARA LA DETERMINACION DE LA GRANULOMETRIA ÓPTIMA DE FLOTACION. Tabla 23. Análisis para diferentes tamaños de polímero Tamaño %R (PVC) %R (PET) Granulometría vs % R(PVC) Granulometría GRAFICA 7.Porcentaje de Recuperación de PVC a diferentes tamaños de polímero. 92

96 %R(PET) Granulometría vs % R(PET) Granulometría GRAFICA 8. Porcentaje de Recuperación de PET a diferentes tamaños de polímero RESULTADOS PARA LA DETERMINACION LA CANTIDAD DE PVC Y PET ALIMENTADO EN LA CELDA DE FLOTACION. Tabla 24. Análisis para diferentes cantidades de PVC cantidad % PVC recuperad o % PET recuperad o

97 % R(PVC) Tabla 25.Resultados de la cantidad de PET (60%) y PVC (40%) alimentados a la celda de flotación Cantidad de muestra(g) PET(g) PVC(g) Cantidad de PET hundido cantidad de PVC flotado % PET recuperado % PVC recuperado Cantidad de Muestra (PVC al 40%) vs %R (PVC) Cantidad de Muestra GRAFICA 9.Porcentaje de Recuperación de PVC a diferentes cantidades de muestra de PVC. 94

98 % R(PET) Cantidad de Muestra (PET al 60%) vs %R (PET) Cantidad de Muestra GRAFICA 10.Porcentaje de Recuperación de PET a diferentes cantidades de muestra de PET. 3.2 PRUEBAS EXPERIMENTALES EN EL EQUIPO DE SEPARACION DE PET Y PVC. VARIABLES UNIDAD NIVELES BAJO (-) ALTO (+) T (X 1 ) C ph (X 2 ) t (X 3 ) min PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL EN EL EQUIPO DISEÑADO DE SEPARACION DE PET Y PVC. Se realizó el tratamiento termoquímico 2 kg de PET y 2 kg de PVC para la pruebas de separación en el prototipo establecido, donde las muestras serán alimentadas una vez tratadas y secas. Se procedió a calentar el agua por un tiempo de 30 min hasta llegar a la temperatura de 55 C. 95

99 Para la flotación se alimentó 360 gr de PET y 240 de PVC en un porcentaje de 60% y 40% respectivamente para el volumen del tanque cuya capacidad es de 25 L. Se realizó el llenado del tanque empleando la bomba de succión de agua caliente para efectuar la flotación. Luego de encendido el motor, se dejó flotar la muestra durante 5 min, pasado este tiempo se procedió a abrir las salidas de PET y PVC. Las muestras fueron recepcionadas en tanques que en su interior poseen mallas que separan la muestra recibida y el agua recirculante el cual fue de % de PVC y % de PET, El agua contenido de sosa proveniente del tanque se procede a su recirculación con el objetivo de evitar contaminación a la vez de reactivo. Tabla 26. Resultados de las pruebas experimentales en el equipo de separación de PET y PVC VARIABLES VARIABLES DEPENDIENTES N EXP INDEPENDIENTES T ph t (X 1 ) (X 2 ) (X 3 ) PET (hundido) PVC (flotado) % Recuperación (PET) % Recuperación (PVC)

100 3.3. DISCUSIÓN DE RESULTADOS En las pruebas de tratamiento termoquímico observamos que el aumento de concentración de NaOH de 1 a 4% y de la temperatura de 30 A 70 C influencio en la disminución del ángulo de contacto de agua con la superficie polimérica de ambos pues es visualizado un mayor esparcimiento de la gota, también se observó que a menores concentraciones de NaOH el ángulo de contacto aumenta para ambos. Se observa que la hidrofobicidad del PVC es afectada muy poco con el tiempo de tratamiento termoquímico mientras la hidrofobicidad del PET disminuye después de 30 min de tratamiento. De la gráfica 1. se observa que para valores de ph básico de 8 a 8.5 se tiene mayor recuperación de PVC, siendo este 78.67%, a partir del ph = 9 las partículas de PVC pierden su hidrofobicidad por lo cual tienden a hundirse. De la gráfica 2. se observa que a medida que aumentamos el ph básico de 8.5 a más se tiene un mayor porcentaje de recuperación de PET con 70.43% siendo estos más hidrofilicos. De la gráfica 3. se observa que a la temperatura de 55 C se tiene un mayor porcentaje de recuperación de PVC siendo este 79.1%, para valores por encima de esta, las partículas de PVC pierden su hidrofobicidad por lo cual tienden a hundirse. De la gráfica 4. se observa que a partir de la temperatura de 55 C a más se muestra una recuperación casi constante de PET siendo este un porcentaje considerable con un valor de 73.8%. 97

101 Las gráficas 5 y 6 muestran los resultados obtenidos para un tiempo de flotación de 5 min, el porcentaje de recuperación es del 78.3% para el PVC y del 74.1% para el PET, a partir de esto al aumentar el tiempo de flotación el porcentaje de recuperación es casi constante. Las gráficas 7 y 8 presentan los resultados para 5 min de flotación, se observa que los mejores valores se obtuvieron con una granulometría de 3mm para una recuperación de 74.52% de PVC y 71.12% de PET. En las pruebas para la determinación de la cantidad de muestra a usar, se trabajó con un 60% y 40% en peso de PET y PVC respectivamente, esto debido a la gran demanda de PET en bebidas carbonatadas. Por lo cual de las gráficas 9 y 10 se observan que para pesos menores de 60 gramos en una mezcla de PET y PVC no se tiene una recuperación considerable esto debido a que el movimiento de flotación es constante lo cual provoca una dispersión alta de los polímeros dificultando la extracción de estos, para pesos por encima de 60 g la cantidad aglomerada de partículas hacen que estas se hundan debido a la gran cantidad alimentada, produciendo una menor recuperación de estos. Por lo tanto se seleccionó 60 g como mezcla de alimentación PET/PVC (36 g PET y 24 g PVC), con lo cual se obtuvo un porcentaje de recuperación del 73.17% de PVC y 85.67% de PET. Los resultados obtenidos en el equipo propuesto nos dieron como resultado un 39.65% de PVC y % de PET, lo cual muestra una alta variación comparado con las pruebas preliminares en el celda de flotación esto debido a la potencia del motor y a las revoluciones que genera esta. 98

102 CONCLUSIONES El tratamiento termo-químico realizado con solución de 2% de NaOH, a la temperatura de 50 C y del tiempo de 30 minutos influye considerablemente en la disminución del ángulo de contacto entre la superficie de los plásticos y el agua, tornando las superficies del PET menos hidrofóbicas (hidrofílica) favoreciendo su separación con el PVC por flotación. De los resultados obtenidos para la separación de PET/PVC por flotación se observa que el medio más eficiente de separación es el básico con un ph óptimo de 8.5, un tiempo óptimo de 5 minutos y una temperatura óptima de 55 C, llegando a alcanzar un 75,73 % de separación de PVC y 86,23 % PET. Las pruebas realizadas en el equipo construido se obtuvo como resultados una recuperación de 56,96 % de PVC y 83,51 % de PET, siendo éstos recuperaciones muy aceptables dentro de lo previsto en los resultados experimentales de la presente tesis a nivel de laboratorio. 99

103 RECOMENDACIONES Se recomienda que para futuros trabajos de investigación experimentar con adición de reactivos en el proceso de flotación que favorezcan la separación de PVC/ PET y por consiguiente elevar el porcentaje de eficiencia del tratamiento. En caso de que exista una mezcla de tres plásticos, se debe construir un segundo tanque de separación en el módulo, este segundo tanque debe operar con una solución de carbonato de sodio.. Se recomienda implementar el proceso de separación de PVC/PET a nivel de planta piloto, es decir la recuperación de todos los tipos de plásticos por diferencias de densidades, con los aportes de esta tesis en cuanto a las parámetros establecidos de ph, temperatura y tiempo de tratamiento en la flotación para separar el PVC del PET. 100

104 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Aguado, J., Sotelo, J.L., Serrano, D.P., Calles, J.A., Escola, J.M., (1997). Energy & Fuels, 11, Albright, L.F., Crynes, B.L., Corcoran, W.H. (1983) Pyrolysis Theory and Industrial Practice, Academic Press, New York. Ali, S., Garforth, A.A., Harris, D.H., Rawlence, D.J., Uemichi, Y., (2002), Catal. Today, 75, Arandes, J.M., Abajo, I., López-Valerio, D., Fernández, I., Azkoiti., M.J., Olazar, M., Bilbao, J., (1997), Ind. Eng. Chem. Res., 36, Audisio, G., Bertini, F., Beltrame, P.L., Carniti, P., (1990), Polym. Degrad. Stabil., 29, 191. Barrales R, J (1997) Reciclado de PVC. Revista Plásticos Modernos, Vol 74, N.493. Bockhorn, H., Hornung, A., Hornung, U., J. (1998), Anal. Appl. Pyrolysis, 46, 1. Bockhorn, H., Hentschel, J., Hornung, A., Hornung, U., (1999), Chem. Eng. Sci., 54, Buchan, R. and Yarar B. (1996). Aplication of mineral processing technology to plastics recycling, Minning Engineering, p Chem. Week, 26 February, 13 (1992). Conesa, J.A., Font, R., Marcilla, A., García, A.N., (1994), Energy & Fuels., 8, 1238 Dawans, F., (1992) Revue de l'institut Francais du Pétrole, 47, 837. Drelich, J and Payne T. (1998). Selective froth flotation of PVC from PVC/PET mixtures for the plastics recycling industry, Polymer Engineering and Science Journal, p Drelich J. (1999). Purification of polyethylene terephtalate from polyvinyl chloride by froth flotation for the plastics recycling industry. Reprint of separation and Purification Technology Vol 15,p Fernández, M.L., Lacalle, A., Bilbao J., Arandes, J.M., de la Puente, G., Sedran, U., (2002), Energy & Fuels, 16,

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106 ANEXOS 103

107 Anexo A: Se anexa evidencias fotográficas del trabajo experimental en la presente tesis. Figura N 1: Muestras de partículas de PVC (botellas de shampoo) Figura N 2: Muestras de partículas de PET (botellas de bebidas carbonatadas) 104

108 Figura N 3: Flotabilidad de partículas de PET en agua simple Figura N 4: Flotabilidad de partículas de PVC en agua simple 105

109 Figura N 5: Solución de NaOH al 1%, 2% y 4%w/w para tratamiento termoquímico Figura N 6: Granulometría propuesta para pruebas de flotación con diámetro de partícula de 1,3, 6, 8 mm. 106

110 Figura N 7: Tratamiento termoquímico de PVC a las condiciones óptimas encontradas. Figura N 8: Tratamiento termoquímico de PET a las condiciones óptimas encontradas. 107

111 Figura N 9: Muestra de PET y PVC después del tratamiento químico, secadas a condiciones del ambiente. Figura N 10: Pruebas de flotación en la celda tipo Denver de 2500 ml 108

112 Figura N 11: Ensayos de flotación en la celda tipo Denver de 2500 ml con agitación de 900 RPM Figura N 12: Ensayos de flotación en la celda tipo Denver de 2500 ml con agitación de 900 RPM 109

113 Figura N 13: Construcción del equipo de separación de PVC y PET. 110

114 Figura N 14: Instalación del equipo separador de PVC y PET en la Facultad de Ingeniería Química. 111