Proceso pirolítico para la Producción de Carbón activado a partir de PET

Abstract

El presente proyecto busca estudiar el proceso de obtención de carbón activado a partir de residuos de botellas PET, esto para dar un uso de valor agregado a estos residuos que presentan tiempos largos de vida media y que pese a ser reutilizados en cierto grado, no dejan de ser un pasivo ambiental sin una solución definitiva. El carbón activado esperado debe tener alta área superficial para ello se estudió la obtención de este carbón mediante dos métodos de activación. El primero en base a H3PO4, el cual es un método ya estudiado para la transformación de PET y el segundo mediante NH4Cl como método alternativo. El estudio consta de varias etapas, la primera es la adecuación de un reactor de craqueo catalítico a un reactor tubular para pirólisis. En esta etapa se realizaron estudios para poder llevar a cabo procesos pirolíticos de manera exitosa tomando como referencia la pirólisis de biomasa. Posteriormente se realizó un estudio de la adecuación de este reactor pirolítico para la obtención de carbón activado a partir de residuos PET. En esta etapa se realizaron una serie de pruebas acorde a diseños experimentales para ambos tratamientos para determinar las condiciones de operación más adecuadas para estos procesos. Se determinó que para maximizar el área superficial específica del material activado con H3PO4 los factores, temperatura de pirólisis, tiempo de pirólisis y tasa de impregnación son significativas y tienen un efecto del 26, 45 y 6% respectivamente mientras que el rendimiento solo depende de la temperatura de pirólisis y la tasa de impregnación con un 45 y 31% de aporte respectivamente. Se obtuvo un producto considerado el mejor posible en el rango experimental con un área superficial específica de 1191.7±83.9 m2/g y un rendimiento de 29.4±3.7% w/w a unas condiciones de operación de 600°C, 4 horas de procesamiento y una relación másica de agente de activación y PET de 1:1. Por otra parte, se obtuvo un producto óptimo dentro del rango experimental mediante el proceso de activación con NH4Cl donde se determinó un valor de área superficial específica de 468.6±23.59 m2/g y un rendimiento másico de 69.4±2.52% w/w obtenido a 600°C, 2.5 horas de tiempo de pirólisis y 10% w/w de agente de activación. Se determinó que Los factores significativos para la respuesta área superficial fueron, la temperatura de pirólisis, el tiempo de proceso y la interacción entre los factores, con un aporte de 92, 7 y 0.5% respectivamente. En cuanto a la respuesta rendimiento se determinó que la temperatura es el único factor significativo con un aporte del 61%. Dentro del proyecto también se estudió la cinética de degradación del proceso pirolítico de PET con y sin los agentes de activación. Se determinaron los parámetros cinéticos de energía de activación y constante pre exponencial de estos y se determinaron las constantes cinéticas de los pseudocomponentes de las reacciones secundarias de los procesos con agentes de activación. Se determinó que el modelo cinético más adecuado para estos procesos fue el de Sestak – Berggren ya que todas las reacciones tienen comportamientos autocatalíticos. Estos parámetros cinéticos serán útiles no solo para comprender mejor el proceso de transformación térmica si no que serán útiles en un posterior proceso de escalamiento y diseño del proceso. Como parte final del estudio de estos procesos se determinaron las características fisicoquímicas, morfológicas y de composición elemental de los carbones activados, los análisis realizados se hicieron mediante análisis termogravimétricos (TGA), determinación de área superficial por fisisorción (Chem BET), espectroscopía infrarroja cercana (NIR) y microscopía electrónica de barrido y espectroscopía de rayos X (SEM – EDS). Mediante el análisis NIR y EDS se determinó que el material obtenido para los dos procesos de activación contiene altos porcentajes de carbono elemental, sin embargo, en el caso del carbón activado obtenido de PET - H3PO4 se encontró que este contiene trazas de fósforo y bajo contenido de oxígeno superficial, y en el caso del carbón activado obtenido con NH4Cl se determinó que contiene cantidades importantes de oxígeno elemental en su superficie lo cual indica la mejor calidad de este. Se considera pues, que el proceso pirolítico fue concebido de manera exitosa y se logró proponer un método nuevo de activación para mezclas de residuos de PET obteniendo un carbón activado con alta área superficial específica, no solo el material fue obtenido si no que se determinaron parámetros importantes para el entendimiento del proceso y su escalamiento a mayores capacidades productivas.