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OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE DESCOMPOSICIÓN QUÍMICA DE

RESIDUOS DE TEREFTALATO DE POLIETILENO (PET) POR EL MÉTODO

DE GLICÓLISIS

JAIME ALBERTO ROMERO MONTES DE OCA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

SANTAFÉ DE BOGOTÁ, 2005

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2

OPTIMIZACIÓN DEL PROCESO DE DESCOMPOSICIÓN QUÍMICA DE RESIDUOS DE TEREFTALATO DE POLIETILENO (PET) POR EL MÉTODO

DE GLICÓLISIS

JAIME ALBERTO ROMERO MONTES DE OCA

PROYECTO DE TESIS DE GRADO

Profesor Asesor

MIGUEL W. QUINTERO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

SANTAFÉ DE BOGOTÁ, 2005

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3

M IGUEL W. QUINTERO – ASESOR GABRIEL CAMARGO – JURADO M IGUEL ANGEL MOLANO – JURADO

SANTAFÉ DE BOGOTÁ, 2005

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4

“A mis padres, Amparo y Jaime y a mi hermano Juan Felipe, por su incondicional apoyo.”

El autor expresa su agradecimiento a:

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5

Miguel W. Quintero, Ingeniero Químico y Asesor de mi proyecto de grado, por

depositar su confianza en mí como estudiante y motivarme a estudiar los

polímeros.

Maycol Chaves por permitirme continuar con este proyecto y su inmensa

colaboración en este.

José Maria Robles, por su desinteresada colaboración e invaluables consejos

en la elaboración de este proyecto.

Y a todos mis compañeros de la carrera, en especial a los de la casa estudio

en la elaboración de este documento.

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6

TABLA DE CONTENIDO

Página

GLOSARIO………………………………………………………………………….….7

RESUMEN……………………………………………………………………………...8

INTRODUCCION………………………………………………………………………9

1. MARCO TEORICO………………………………………………………………..11

1.1 Descripción del PET……………………………………………………..11

1.2 Usos del PET……………………………………………………………..12

1.3 Situación actual del reciclaje……………………………………………12

1.4 Métodos de reciclaje…………………………………………………….13

1.4.1 Reciclaje mecánico………………………………………….…14

1.4.2 Incineración…………………………………………………….14

1.4.3 Degradación química………………………………………….15

2. Metodología……………………………………………………………………..…16

2.1 Antecedentes…………………………………………………………..…16

2.2 Definición del problema…………………………………………………17

2.3 Selección de factores y niveles………………………………………...18

2.3.1 Tipo de catalizador…………………………………………….18

2.3.2 Relación MEG/PET……………………………………………19

2.3.3 Relación PET/Catalizador………………………………….…20

2.4 Variables de respuesta………………………………………………….21

2.5 Diseño del experimento…………………………………………………22

2.6 Protocolo del experimento………………………………………………22

2.7 Caracterización…………………………………………………………..23

2.7.1 DSC……………………………………………………………..23

2.7.2 IR………………………………………………………………...24

3. Análisis de resultados…………………………………………………………….24

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7

3.1 Pureza…………………………………………………………………….30

3.2 Cantidad…………………………………………………………………..32

3.3 Tiempo…………………………………………………………………….34

4. Evaluación económica……………………………………………………………36

5. Conclusiones………………………………………………………………………38

6. Recomendaciones……………………………………………………………...…39

BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………….40

ANEXOS……………………………………………………………………………....41

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GLOSARIO

• PET: abreviación de tereftalato de polietileno

• MEG: monoetilenglicol

• Scrap: material de residuo (desperdicio) de PET

• BHET: monómero del PET, bis-β-hidroxietil tereftalato

• Glicólisis: método de degradación química del PET, que se basa en el

mecanismo de trasesterificación

• Oligomeros: polímeros de bajo peso molecular

• DSC: calorimetría diferencial de barrido, por sus siglas en inglés

• IR: infrarrojo

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RESUMEN El tereftalato de polietileno, abreviado PET, es un poliéster termoplástico que

tiene propiedades de dureza y resistencia al impacto1. Gracias a estas

propiedades es uno de los materiales más utilizados en la industria, en

especial, para el empaque de alimentos y bebidas. Dada la alta producción de

este material, surge el problema de su reciclaje.

Bogotá, entre otras ciudades del país no es ajena a este problema. Es por esto que resulta importante investigar otras alternativas de reciclaje, que permitan

parcializar dicho problema en la cuidad.

Por lo tanto, se definió como objetivo principal del proyecto determinar las

condiciones y factores necesarios para optimizar el proceso de degradación de

PET por el método de glicólisis, en cuanto a calidad del producto y cantidad

obtenida.

Para esto fue necesario explorar el método e investigar los antecedentes. Posteriormente se propuso un protocolo de experimento y por medio de un

diseño experimental factorial se variaron diferentes parámetros del proceso

para ver los efectos de cada una de estas.

Después se cuantificó el producto obtenido por medio de pruebas de infrarrojo

y calorimetría diferencial de barrido y finalmente se hizo un análisis económico

del proyecto.

Se encontró las condiciones óptimas del proceso son: utilizar acetato de

magnesio como catalizador, una relación másica MEG/PET 10.96:1 y una

relación másica PET/Catalizador 10:1.

1 Mustafa Nabil, “Plastics Waste Management: disposal, recycling and reuse”, M. Dekker, 1993, pag 167.

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10

INTRODUCCIÓN Dado el alto consumo de materiales poliméricos para distintos usos, surge la

necesidad de adelantar un proceso investigativo que proporcione soluciones a

los problemas de reciclaje y manejo de desperdicios sólidos. Este tipo de

proyecto cobra importancia si se tiene en cuenta los altos precios del petróleo y

la competencia que este puede ofrecer.

Este se trata de la continuación de un proyecto del departamento de ingeniería química iniciado por Maycol Chaves, el cual estudio los métodos más

favorables para la degradación química del PET, llegando a la conclusión que

el método más favorable era el de Glicólisis.

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11

1. MARCO TEÓRICO

1.1 Descripción del PET

El tereftalato de polietileno, abreviado PET, es un poliester termoplástico que

tiene propiedades de dureza y resistencia al impacto2.

Es elaborado industrialmente por dos métodos, el primero consiste en la

esterificación directa del ácido tereftálico utilizando otros ácidos como catalizadores de la reacción.

El segundo parte de la transesterificación del dimetil tereftalato (DMT)3-4.

Ambos llegan la mismo resultado, el monómero bis-β-hidroxietil tereftalato

(BHET), excepto por algunas por algunas diferencias de grupos funcionales

terminales, el cual después es sometido a un proceso de policondensación

para así dar lugar a la formación del PET5.

Figura # 1: Métodos de producción de PET

2 Mustafa Nabil, “Plastics Waste Management: disposal, recycling and reuse”, M. Dekker, 1993, pag 167. 3 Brandrup Johannes, “Recycling and recovery of plastics” Hanser Publishers, 1996, pag 494 4 Margolis James M. “Engineering Thermoplastics: properties and applications”, M. Dekker, 1985 pag 1,2 5Encyclopedia of polymer science & engineering, John Wiley&Sons 1985 Vol 12, pag 132,133

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12

1.2 Usos del PET

El PET es uno de los polímeros más versátiles y esto se evidencia en la gran

aplicabilidad que tiene este en la industria. A continuación se nombran algunos

de los usos más frecuentes: botellas para bebidas carbonatadas y agua

mineral, fibras textiles, películas para audio, vídeo y fotografía, películas para

rayos X (radiografías)6, contenedores y recipientes para medicamentos y otras

sustancias entre otros.

La diferencia entre el tipo de PET utilizado para las botellas y el de las fibras,

es básicamente la viscosidad intrínseca, la cual es una medida del peso

molecular, los valores varían entre 0.55-0.60 para las fibras y 0.70-0.80 para

las botellas7.

1.3 Situación actual del reciclaje

Bogota, entre otras ciudades del país, enfrenta actualmente un problema grave

en cuanto a disposición de residuos sólidos. Aunque por parte del

Departamento Administrativo del Medio Ambiente (DAMA) se esta promoviendo

el reciclaje a través del Plan Maestro para manejo de desperdicios sólidos de

Bogota, este problema crece cada vez mas, dado el alto consumo de este tipo

de envases.

Otro problema es la falta de conciencia y clasificación de los materiales

plásticos, ya que se disponen 885 toneladas al día para relleno sanitario bajo la

categoría de plástico, pero no se clasifica ni se separa y esto representa el 25%

de la totalidad del material destinado al relleno de Doña Juana.

6 7 Tomado de :http://www.fiberjournal.com/issue/june99/polyester.html

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13

Figura #2 Cantidades y tipo de reciclaje

El PET es actualmente el material plástico más reciclable, seguido por el

polietileno de alta densidad, el polipropileno y el PVC8. Por lo cual resulta

interesante proponer una nueva alternativa de para tratar los residuos de este

material y parcializar el problema de reciclaje en la cuidad.

1.4 Métodos de reciclaje

En la actualidad existe una gran variedad de procesos para el reciclaje de PET.

Cada proceso depende del tipo de residuo que se este manejando, es por esto

que se definieron los siguientes términos9:

• Reciclaje primario: es la conversión de scrap por métodos standard

de proceso, en productos con las características equivalentes a las

hechas con material virgen.

• Reciclaje secundario: es la conversión de scrap o residuos plásticos

por uno o una combinación de operaciones, en productos que

requieran un menor desempeño al que demandan los fabricados con

material original.

• Reciclaje terciario: tecnologías de proceso que producen sustancias

químicas y combustibles a partir de scrap y residuos.

8- 9 R.J. Ehrig, “Plastics Recycling: products and processes” Hanser Publishers 1992, preface, pag 6

Recicladores 592 ton/dia

Papel/Carton 340 ton/dia

Vidrio 112 ton/dia

Plástico 26 ton/dia

Metales 112 ton/dia

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14

• Reciclaje cuaternario: tecnologías de proceso que recuperan energía

a partir de scrap y residuos por incineración.

De acuerdo a estas definiciones, se pueden clasificar distintos procesos de

recuperación y reprocesamiento de PET.

1.4.1 Reciclaje mecánico

Este tipo de reciclaje es el más utilizado en Colombia y consiste

básicamente en fundir el material y procesarlo nuevamente, después de un

proceso de limpieza muy superficial para remover impurezas.

Los productos que se obtienen después de este proceso son de una calidad

relativamente baja y las propiedades disminuyen considerablemente con

respecto a las que tiene el material originalmente.

Además una de las desventajas es que los organismos de control tales

como la FDA y la ILSI no permiten el uso de este tipo de recipientes

reprocesados por este método para almacenar alimentos, de acuerdo a lo

estipulado en el EC Directive 90/128 EEC10.

1.4.2 Incineración

Este es un claro ejemplo de reciclaje cuaternario. Este tipo de proceso se

realiza cuando el material reciclado tiene una gran cantidad de impurezas

que no se pueden remover fácilmente y/o cuando tiene aditivos muy

contaminantes, lo cual impide que se disponga para relleno sanitario.

Este proceso resulta ser conveniente, ya que el PET tiene un valor calorífico

de 30.2 MJ/Kg, casi equivalente al del carbón y además resulta ser una

alternativa al problema de contaminación por residuos sólidos11.

10 “Review of processes capable of producing food grade PET from recyclate” www.wrap.org.uk 11 La Mantia, Francesco P. “Recycling of plastic materials”, ChemTec Publishing 1993 pag 10

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15

1.4.3 Degradación química

Existen ciertos métodos de reciclaje de PET denominados procesos húmedos

(w et processes). Dentro de estos se destacan la Hidrólisis, Alcoholisis y

Glicólisis. Estos procesos son considerados en algunos casos como métodos

de reciclaje terciario12.

A continuación se explica brevemente cada uno de estos procesos.

• Hidrólisis

Este proceso consiste en tratar el scrap o PET post-consumo con

exceso de agua a una temperatura entre 150-250°C y presiones

entre 2-5 MPa para dar como resultado ácido tereftálico (TPA) y

etilenglicol (EG) en un tiempo aproximado de 3 horas.

Se pueden utilizar catalizadores tales como ácido sulfúrico o

hidróxido de amonio13.

• Alcoholisis

Cuando el PET es tratado con un exceso de metanol a temperaturas

entre 160-240°C y presiones en un rango de 20-70 atm, en menos de

1 hora se obtiene dimetilester (DMT) y etilenglicol (EG), con

rendimientos hasta del 99%14.

12 Mustafa Nabil, “Plastics Waste Management: disposal, recycling and reuse”, M. Dekker, 1993, pag 250 13 Brandrup Johannes, “Recycling and recovery of plastics” Hanser Publishers, 1996, pag 499 14 R.J. Ehrig, “Plastics Recycling: products and processes” Hanser Publishers 1992, preface, pag 59

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16

• Glicólisis

Si el scrap y los residuos post-consumo son tratados con un exceso

de glicol, se obtiene bis-2 hidroxietil tereftalato (BHET) y polioles de

poliester, a partir de los cuales se pueden obtener elastomeros,

espuma rígida y espuma flexible entre otros15.

La degradación por lo general se lleva a cabo con etilenglicol en

ebullición16.

Esta gráfica resume los posibles métodos húmedos para la degradación de

PET.

Figura #3: Métodos para degradación química de PET

15 K. Grzebieniak, J. Wesolowski “Glycolysis of PET waste and the use of Glycolysis products in the synthesis of degradable co-polyesters, Fibres &Textiles in Eastern Europe April/June 2004, Vol. 12 No 2 16 La Mantia, Francesco P. “Recycling of plastic materials”, ChemTec Publishing 1993 pag 7

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17

2. METODOLOGÍA

2.1 Antecedentes

De acuerdo con el proyecto “Evaluación de alternativas de descomposición

química para el tratamiento de residuos del tereftalato de polietileno (PET)”

realizado por Maycol Chaves, se escogió el método de glicólisis como el más

adecuado para llevar a cabo la degradación de este polímero, basados en las ventajas energéticas y económicas que ofrecía. Adicionalmente resultaba más

apropiado, considerando los equipos disponibles en la universidad.

Para ese experimento se propuso inicialmente un diseño factorial completo,

fijando como factores el tiempo y la temperatura y estos se variaron a 3 y 4

niveles respectivamente17. Debido a que el montaje en el que se lleva a cabo la

degradación es un balón con reflujo, esto no permite que la temperatura supere

la temperatura de ebullición del monoetilenglicol, la cual es 183°C. Por esto se modificó el diseño del experimento y tan solo se midió el porcentaje de

degradación con respecto al tiempo.

Una vez estudiado este proceso, se propuso el siguiente diseño experimental

para la optimización de éste.

2.2 Definición del problema

Bogotá enfrenta actualmente un grave problema de manejo de desperdicios

sólidos. Diariamente se disponen cientos de toneladas de desperdicios sólidos

en el relleno sanitario de Doña Juana, de las cuales 25% son plástico.

Aunque el Plan Maestro para el manejo de desperdicios sólidos que impulsa La

Alcaldía Mayor de Bogotá en una buena medida para subsanar este problema,

resulta importante promover una alternativa diferente de reciclaje, ya que en la cuidad solo se practica el reciclaje mecánico de este material.

17 Chaves Maycol, “Evaluación de alternativas de descomposición química para el tratamiento de residuos del tereftalato de polietileno (PET)”, pag 20, 2004

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18

Teniendo en cuenta esto, se definió como objetivo principal del proyecto

determinar las condiciones y factores necesarios para optimizar el proceso de

degradación de PET por el método de glicólisis.

Para esto fue necesario explorar el método e investigar los antecedentes.

Posteriormente se propuso un protocolo de experimento y por medio de un

diseño experimental se variaron diferentes variables del proceso para ver los

efectos de cada una de estas variables.

Finalmente se cuantificó el producto obtenido y se hizo un análisis económico

del proyecto.

2.3 Selección de factores y niveles

De acuerdo con los antecedentes, y ya que el montaje que se va a utilizar es el

mismo que empleó Chaves, se pueden fijar los siguientes parámetros:

Tabla #1: Factores fijos

Aunque es posible utilizar otros tipos de glicol para la degradación, por ejemplo

propilenglicol18, se optó por dejar este parámetro fijo y así evitar la producción

de más subproductos que interfieren con el objetivo principal del experimento.

Una vez definidas estas condiciones, se definen los siguientes parámetros a

variar:

• Tipo de catalizador

• Relación MEG/PET

• Relación PET/Catalizador

18 R.J. Ehrig, “Plastics Recycling: products and processes” Hanser Publishers 1992, preface, pag 60

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19

2.3.1 Tipo de catalizador

El catalizador juega un papel importante en la degradación, por esto se

escogieron dos catalizadores adicionales al Sulfato de Zinc, el cual fue el

que utilizó Chaves en su experimento, y de esta manera determinar la

importancia del carácter de este en la degradación.

El primero es Acetato de Magnesio19, compuesto usado frecuentemente en

este tipo de procesos y que al igual al sulfato de zinc, acetatos20 y sales de

otros metales, son catalizadores típicos utilizados en reacciones de

transesterificación21-22.

Adicionalmente se escogió un catalizador de tipo alcalino (Carbonato de

Sodio), el cual ha demostrado tener resultados similares tanto cualitativa

como cuantitativamente, a los que se obtienen utilizando sales de metales

pesados como catalizadores23, resultando más favorable para el medio

ambiente.

Otros posibles catalizadores son componentes de titanio y germanio24, pero

no se tuvieron en cuenta para este experimento.

2.3.2 Relación MEG/PET

Otro factor importante es la relación másica entre la cantidad de

monoetilenglicol (MEG) por cantidad de PET utilizada, ya que de esta

depende la tasa de degradación de la reacción25 y también afecta la

cantidad y las características de los productos finales26-27 (monómero y

polioles).

19 Journal of Applied Polymer Science, Vol 90, 1148-1152, 2003 20 Tomado de: http://www.fiberjournal.com/issue/june99/polyester.html 21 Brandrup Johannes, “Recycling and recovery of plastics” Hanser Publishers, 1996, pag 495 22 Encyclopedia of polymer science & engineering, John Wiley&Sons 1985 Vol 12, pag 133 23 Journal of Applied Polymer Science, Vol 85, 1765-1770, 2002 24 Encyclopedia of polymer science & engineering, John Wiley&Sons 1985 Vol 12, pag 133 25 La Mantia, Francesco P. “Recycling of plastic materials”, ChemTec Publishing 1993 pag 7 26 Brandrup Johannes, “Recycling and recovery of plastics” Hanser Publishers, 1996, pag 495 27 K. Grzebieniak, J. Wesolowski “Glycolysis of PET waste and the use of Glycolysis products in the synthesis of degradable co-polyesters, Fibres &Textiles in Eastern Europe April/June 2004, Vol. 12 No 2.

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20

Por ejemplo, si se quiere obtener un poliol de mayor peso molecular,

entonces se debe disminuir la relación MEG/PET, de esta manera de

consume menos monoetilenglicol por cada mol de PET28.

Para este factor se tuvo en cuenta la razón MEG/PET utilizada por Chaves

(8:1 mol/mol) pero se manejo su equivalente en relación másica (8.77:1).

Adicionalmente se establecieron 2 relaciones a partir de la relación inicial,

una superior (10.96:1) y otra inferior (6.58:1) para así poder observar mejor

el comportamiento de esta.

2.3.3 Relación PET/Catalizador

Por último se fijaron dos relaciones entre la cantidad de PET a degradar y la

cantidad de catalizador a suministrar.

De igual manera que para la relación anterior, se partió de la relación

utilizada en el proyecto anterior (10:1) y se propuso la relación 10:2.5 y de

esta manera tener otro elemento que ayude a encontrar las condiciones

óptimas para este proceso, ya que se ha encontrado que este factor

aumenta la tasa de conversión con ciertos tipos de catalizadores29.

A continuación se resumen los factores y niveles que se van a variar en

este experimento.

28 R.J. Ehrig, “Plastics Recycling: products and processes” Hanser Publishers 1992, preface, pag 60 29 Journal of Applied Polymer Science, Vol 80, 943-948, 2001

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21

Tabla #2: Parámetros a variar

2.4 Variables de respuesta

Es de gran importancia definir las variables de respuesta del experimento para

poder identificar y medir con certeza los efectos que tienen cada uno de los

factores mencionados anteriormente sobre el experimento y si estos se

relacionan de alguna manera clara.

Como primera y más importante variable, se define la pureza ó concentración

del BHET. De esta depende si el producto es utilizable o no, ya que para poder

mezclar el monómero virgen con el monómero reciclado es necesario un nivel

de pureza alto, garantizando que el material no contenga impurezas, de lo

contrario las entidades reguladoras (FDA, ILSI) no permitirán que los envases o

recipientes fabricados con esta materia prima sean empleados para almacenar

o entren en contacto directo con alimentos y/o medicamentos30.

Resulta también de gran importancia medir la cantidad de BHET que se

produce después de la degradación, debido a que de esto depende la escala

del proyecto. Este factor esta directamente relacionado con la pureza del

monómero, ya que principalmente depende de los resultados de estos dos

factores la elección de condiciones óptimas para el proceso.

30 “Review of processes capable of producing food grade PET from recyclate” www.wrap.org.uk

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22

Por último, aunque no se puede considerar completamente como variable de

respuesta, se tiene el tiempo de degradación visual del PET.

Las pruebas se llevan a cabo hasta que las hojuelas del polímero

desaparezcan, pero esto no garantiza que la degradación haya terminado en

ese tiempo.

Este elemento cobra importancia a la hora de evaluar económicamente el

proyecto, dado que la electricidad es cobrada por hora.

2.5 Diseño del experimento

Para realizar un análisis estadístico de los resultados, se propuso un diseño

factorial completo, de tres factores, con 3 niveles para los factores: tipo de

catalizador y relación MEG/PET y dos niveles para la relación PET/Catalizador.

Se obtiene el siguiente diseño:

N= 3*3*2 = 18

Para cada prueba se hizo su respectiva replica, entonces se tiene:

N= 18*2= 36 pruebas totales a realizar.

2.6 Protocolo de procedimiento

A continuación se muestra el protocolo de procedimiento general para los

experimentos que se realizaron.

Escoger el tipo de catalizador

Seleccionar las relaciones MEG/PET y PET/Catalizador adecuadas

Medir la cantidad de MEG y pesar las cantidades de PET y catalizador necesarias

de acuerdo con la relación seleccionada

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23

Agregar las cantidades de catalizador, PET y MEG dentro del balón de reflujo

Poner el balón en el manto de calentamiento, adaptar el termómetro y el condensador

Encender el manto de calentamiento, fijar la temperatura en 200°C y abrir la llave de circulación de agua al condensador

Esperar hasta que no se evidencien restos de PET

Pasar la mezcla a un beaker y dejar enfriar hasta temperatura ambiente (20°C)

Filtrar el producto para eliminar el MEG

Lavar el residuo que queda en el filtro con agua destilada para remover el exceso de MEG

Lavar nuevamente con agua caliente (80°C), dejar enfriar nuevamente y filtrar los cristales que se forman (BHET)

Secar los cristales en el horno a 90°C durante 1 hora

Pesar el producto final y llevar a muestras para caracterización

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24

2.7 Caracterización

La caracterización del BHET se hará por medio de pruebas de infrarrojo (IR) y

calorimetría diferencial de barrido (DSC).

2.7.1 Calorim etría diferencial de barrido (DSC)

El DSC consiste en someter la muestra a una tasa de calentamiento

constante, mientras se monitorean la temperatura y el flujo de calor por

unidad de masa. Cualquier variación térmica en la muestra se verá reflejada

en una deformación en la línea recta de la gráfica.

Este tipo de análisis térmico provee información acerca de los cambios de

cristalinidad en la sustancia, evaporación de ingredientes volátiles y

descomposición de otros aditivos31. (Ver anexos).

2.7.2 Infrarrojo (IR)

Esta prueba permite identificar los grupos funcionales pertenecientes a la

sustancia. Cada uno de estos muestra un pico característico a ciertas

longitudes de onda, dependiendo de la absorbancia y la transmitancia.

Para leer la muestra es necesario mezclar el monómero con KBr,

compuesto iónico que no es leído por el infrarrojo, y crear una pastilla para

introducirla en el equipo. (Ver anexos).

3. ANALISIS DE RESULTADOS

En esta tabla se muestra los resultados obtenidos después de cada uno de los

experimentos. Esta tabla se elaboro a partir de los promedios de cada uno de

31 Mustafa Nabil, “Plastics Waste Management: disposal, recycling and reuse”, M. Dekker, 1993, pag 115

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25

los resultados con su respectiva replica. Las tablas con los datos originales se

muestran en el Apéndice 1.

Tabla #3: Promedio de los resultados

Para el análisis de los datos obtenidos se utilizo el softw are estadístico

MiniTab®14, el cual permite elaborar graficas de interacción, así como analizar

la varianza de los datos (ANOVA).

De acuerdo con el diseño del experimento se fijaron tres factores, de los cuales

dos de ellos se iban a variar a tres niveles y el último a dos niveles. Analizando

los datos obtenidos, ANOVA y graficas de interacción, se puede ver que no hay

una relación clara entre estos factores ya que todos los valores de P son

significativos, tal como se puede ver a continuación.

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26

Pureza

Tabla #4: Resultados ANOVA para pureza con tres factores

De esta tabla se toman los valores de P para analizarlos, ya que la magnitud de

éste determina que tan significativos son los datos y/o las interacciones entre

estos. Valores de P que sean superiores a 0.005 se dice que son poco

significativos, o lo que es equivalente, que con una confiabilidad del 99.5%

existe evidencia suficiente para rechazar la hipótesis32.

Figura # 4: Interacción entre los tres factores para la pureza

32 Montgomery Douglas, “Design and analysis of experiments”, 5ed, John Wiley&Sons, 2001

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27

Figura #5: Efecto de los factores sobre la pureza

De las graficas de interacción para el factor de pureza (concentración de

monómero) se puede ver que existe un comportamiento (tendencia) similar

entre los catalizadores 1 (sulfato de zinc) y 3 (acetato de magnesio), mientras

que el catalizador 2 (carbonato de sodio) presenta un comportamiento aleatorio sin alguna tendencia especifica.

De la figura # se puede ver que el factor relación MEG/PET 2 presenta un

comportamiento anómalo comparado con el de las otras dos relaciones. De las

graficas y los valores del análisis de varianza se puede decir que el factor más

representativo es el tipo de catalizador y las interacciones entre ese factor y las

otras dos relaciones, MEG/PET y PET/Catalizador.

Vale la pena mencionar que no se tuvieron en cuenta las interacciones de

tercer orden para este modelo, ya que en análisis previos se concluyo que no

proporcionaba información útil para el análisis.

Adicionalmente resulta importante verificar el ajuste del modelo (R-Sq), entre

mas cercano sea este valor a la unidad, mejor será el ajuste del modelo. Para

esto el paquete estadístico MiniTab®14 también ofrece una opción, las graficas

que lo indican se incluyen en el Apéndice 2.

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28

Cantidad

Tabla #5: Resultados ANOVA para cantidad con tres factores

En este caso, los valores de P tanto para los factores individuales como para

las interacciones entre estos, excepto por el de la relación MEG/PET con la

relación PET/catalizador, son menores a 0.005, por lo que se puede decir que

son significativos.

Al analizar las graficas de interacción y efectos principales, se evidencia que

nuevamente el catalizador 2 presenta un comportamiento distinto al que

presentan los otros dos y un comportamiento similar se evidencia para la

relación MEG/PET 2.

Figura # 6: Interacción entre los tres factores para la cantidad

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29

Figura #7: Efecto de los factores sobre la cantidad

Como se había mencionado anteriormente, el tiempo no es considerado como

una variable de respuesta, ya que el tiempo medido en estas pruebas fue el

tiempo transcurrido hasta que no se evidenciaban visualmente residuos de PET

en el balón. Por esta razón, aunque se tomaron datos y se analizaron

estadísticamente, no serán incluidos en esta sección, sino que se tomaran en

cuenta a la hora de hacer el análisis económico del proyecto, ya que esta

variable será definitiva en esa parte del proyecto.

Dado que a partir de los resultados anteriores no es posible determinar las

condiciones óptimas del experimento ni las interacciones más importantes

entre los factores, se opto por eliminar los factores catalizador 2 y relación

MEG/PET 2 y analizar estos datos bajo un nuevo modelo, para el cual se

propone lo siguiente:

2*Tipo de catalizador 2Relación MEG/PET 2Relación PET/Catalizador

N = 2*2*2 = 8*2 = 16

Y así obtener un modelo simétrico, que refleje mejor el efecto de los factores y

las interacciones entre estos. Los resultados se muestran a continuación.

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30

3.1 Pureza

Figura #8: Interacción entre factores para la pureza

Figura #9: Efecto de los factores sobre la pureza

Para este nuevo análisis, el catalizador 1 corresponde al sulfato de zinc y el

catalizador 2 al acetato de magnesio y la relaciones MEG/PET 1 y MEG/PET 2

a las proporciones 6.58:1 y 10.96:1 respectivamente.

Como se había mencionado anteriormente, la variable de respuesta más

importante es la pureza o concentración del BHET, ya que de este depende la

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reutilización y comercialización de este, así que este análisis resulta de gran

importancia para la optimización del proceso.

De las graficas se puede ver que el catalizador 2 ofrece mejores niveles de

concentración que el sulfato de zinc, tanto en la relación MEG/PET como para

la relación PET/Catalizador. El acetato de magnesio muestra una tendencia

ascendente a medida que se incrementan estas relaciones, mientras que el

sulfato de zinc presenta una tendencia decreciente con respecto al incremento

en la relación PET/Catalizador.

De las graficas de efecto, se ve claramente que es mejor utilizar el catalizador

acetato de magnesio, preferiblemente con relaciones de MEG/PET altas y

relaciones PET/Catalizador bajas. Estos efectos se pueden corroborar con la

tabla ANOVA. Donde se tiene un valor de P que demuestra que el catalizador

es el factor más significativo para la pureza del monómero.

Tabla #6: Resultados ANOVA para pureza con dos factores

Modelo: Y = 81.1125 – 5.6375 X1

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3.2 Cantidad

Figura #10: Interacción entre factores para la pureza

Figura #11: Efecto de los factores sobre la cantidad

La cantidad de BHET producida es otro factor importante, ya que para la

optimización del proceso es preciso relacionar la cantidad del producto con la

calidad del mismo.

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De las graficas es posible ver que el catalizador 1 (sulfato de zinc) y el

catalizador 2 (acetato de magnesio), en la relación MEG/PET producen una

mayor cantidad del monómero, siendo este ultimo el que mayor rendimiento

alcanza.

Comparando las graficas de pureza y cantidad, se puede ver que existe una

diferencia entre los comportamientos de cada tipo de catalizador con respecto

a la relación PET/Catalizador utilizada. Para la pureza, mientras el catalizador 1

tiende a producir un monómero de menor calidad a medida que se incrementa

la cantidad de catalizador, el catalizador 2 presenta un comportamiento

opuesto. En cambio para el factor cantidad ocurre lo contrario. Para el

catalizador 1, a medida que se aumenta la relación PET/Catalizador, aumenta

la cantidad de BHET, mientras que para el catalizador 2 ocurre lo contrario.

Esto lo corroboran los resultados del análisis de varianza.

Tabla #7: Resultados ANOVA para cantidad con dos factores

En el cual se puede ver, de acuerdo con los valores de P, que tanto el efecto

individual del tipo de catalizador y la relación MEG/PET son significativas para

la cantidad de monómero que se produce, al igual que la interacción entre

estos dos factores.

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Modelo: Y = 8.475 – 0.4125X1 – 0.52375X2 – 0.12375X1X2

3.3 Tiempo

Figura #12: Interacción entre factores para el tiempo

Figura #13: Efecto de los factores sobre el tiempo De estas graficas se evidencia claramente que el catalizador 2 consume menos

tiempo que el catalizador 1, menos del 50% en promedio. También es notable

que el tiempo aumenta independientemente del tipo de catalizador, pero

muestra una relación directa tanto con la relación MEG/PET como la relación

PET/Catalizador, al aumentar estas relaciones, aumenta el tiempo.

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Del análisis de varianza también es posible ver esto. Todos los factores son

significativos para el tiempo.

Tabla #8: Resultados ANOVA para tiempo con dos factores

Modelo: Y = 210.938 + 90.312 X1 – 14.687X2 – 17.813X3

Después de analizar los resultados, se seleccionan las 10 pruebas

(combinaciones de factores realizados) que dieron los mejores resultados en

cuanto a pureza, cantidad y tiempo, de acuerdo a las interacciones entre los

factores. A continuación se muestra dicha tabla.

Tabla #9: Condiciones óptimas

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4. EVALUACIÓN ECONÓMICA Con base en la tabla #9 de condiciones optimas, se va a evaluar

económicamente este proyecto, ya que como se trata de la optimización de un

proceso, es necesario tener en cuenta los costos de la materia prima para cada

uno de los casos y los costos de servicios, ya que estos están relacionados con

el tiempo.

Adicionalmente es necesario plantear un diagrama de proceso, teniendo en cuenta cada uno de los equipos involucrados dentro de la operación. De esta

manera se puede hacer una estimación de costos mas acertada.

Figura #14: Diagrama de Bloques

Para continuar con el análisis económico de la planta, es preciso determinar el

tamaño, potencia y costos de los equipos, los cuales a su vez dependen de la

cantidad a material a producir. Por eso es necesario conocer el mercado en el

que se va a incursionar y fijar las tasas de producción del monómero.

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Actualmente en Bogotá se consumen aproximadamente 5000 toneladas de

PET al año de acuerdo con las cifras reveladas por el DANE.

Asumiendo que se va a tratar el 30% del total producido que se recicla,

entonces se tratarían 3.5 toneladas al día en la planta. Se supone además que

se vende el 60% del producto, un incremento en ventas del 2% anual, un índice

de inflación del 8%, una tasa impositiva del 38.5%.

De acuerdo con estos supuestos se evaluó el proyecto para cada una de las

alternativas contempladas dentro de las condiciones óptimas del proceso,

teniendo en cuenta los costos de materia prima de los catalizadores, las

relaciones que mayor cantidad de catalizador y de monoetilenglicol consumían

y los tiempos que tomaba cada proceso.

Utilizando un precio de venta de $1000 pesos por kilo de BHET y descontando

los flujos de caja a una tasa del 10%, se tiene que el proyecto más favorable

técnica como económicamente es la condición numero 2 de la tabla #9, que es:

emplear como catalizador acetato de magnesio con una relación MEG/PET de

10.96:1 y una relación PET/Catalizador de 10:1.

A continuación se muestra el flujo de caja para el primer año, la inversión inicial

para el proyecto, la tasa interna de retorno y el valor presente neto del

proyecto. En el Apéndice 3 se pueden encontrar todos lo datos que se tuvieron

en cuenta para la evaluación.

Tabla #10: Resultados de la evaluación económica

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CONCLUSIONES

• El catalizador que mejor resultados dio fue el acetato de magnesio, en

todos los aspectos evaluados (pureza, cantidad y tiempo).

• La pureza del producto depende fuertemente del catalizador empleado y

no tanto de los otros dos parámetros que se variaron de acuerdo con los

modelos obtenidos.

• Los efectos de las relaciones MEG/PET y PET/Catalizador con relación

a la pureza y la cantidad muestran distintas tendencias dependiendo del

catalizador empleado.

• Las condiciones óptimas para la degradación desde el punto de vista

técnico-económico son:

Tipo de catalizador: acetato de magnesio

Relación MEG/PET: 10.96:1

Relación PET/Catalizador: 10:1

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RECOMENDACIONES

• Es recomendable cuantificar el producto por otro método que determine

a que se deben las otras impurezas, por ejemplo por cromatografía.

• Cambiar las condiciones del montaje, de manera que permita cambiar

otros factores, por ejemplo: presión, temperatura.

• Hacer una exploración más profunda de los polioles que se obtienen

como subproducto de la degradación y evaluar sus propiedades y

posible explotación.

• Repolimerizar el BHET obtenido y evaluar las propiedades

comparándolas con las del material en estado virgen.

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BIBLIOGRAFIA

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