RECICLAJE MECÁNICO DE RESIDUOS PLÁSTICOS DE INVERNADEROS Francisco Cadena 1*, Nathali Carranza 1, Andrea Cazar 1, Mª José Fernández-Ber Fernández-Berridi ridi 2, Lourdes Irusta2, Francisco Quiroz 1, Ana Terán 1 1) Centro de Investigaciones Aplicadas a Polímeros, Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria, Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador. Correo electrónico:
[email protected] [email protected] 2) Departamento de Ciencia y Tecnología de Polímeros, Facultad de Química, Universidad del País Vasco (UPV/EHU), Campus de Gipuzkoa, España .
RESUMEN Este trabajo presenta el reciclaje mecánico como una opción de reaprovechamiento de los residuos de plásticos de invernaderos. En el mismo se describen todas las etapas necesarias para este tipo de reciclaje, así como las propiedades mecánicas de un producto obtenido mediante extrusión y su comparación con las de un material de referencia. Las etapas previas al reciclado consistieron en la reducción del tamaño del material a unos 3 mm de longitud, con la ayuda de un molino de cuchillas, lavado de dichos trozos utilizando simplemente agua como agente de limpieza y secado de los mismos, realizado en dos etapas (una mecánica y otra mediante lecho fluidizado), lográndose una humedad promedio inferior a 0,5%. Tras 24 meses de exposición (vida útil) el material presentó síntomas de haberse oxidado y de haber sufrido migración de las cargas minerales hacia la superficie del mismo. La extrusión del material se realizó con un perfil de temperaturas de 100 °C en la zona de alimentación, 135 °C en la de compresión, 150 °C en la de dosificación y 160 °C en la boquilla con una velocidad de husillos de 30 rpm. Palabras claves: Reciclaje mecánico, plásticos de invernadero, LDPE
ABSTRACT This work describes the mechanical recycling of the greenho uses plastic wastes as an option for its reuse. The steps required for this type of recycling are described, as well as the mechanical properties of the product obtained by extrusion in comparison with those of a reference material. Prior to recycling the material was submitted to the following steps: reduction of its size to small pieces of about 3 mm length with the help of a mill, washing with water and drying, which was carried out in two stages (one mechanically and one by fluidized bed), achieving an average humidity of less than 0.5%. After 24 months of exposure (lifetime) the material was oxidized and it was observed signs of mineral fillers migration to its surface. The extrusion of the material was performed using a temperature profile of 100 °C at the feeding zone, 135 °C in compression, 150 °C in the dosing and 160 °C at the nozzle with a screw speed of 30 rpm. Key words: Mechanical recycling, greenhouse plastics, LDPE.
1. INTRODUCCIÓN Los materiales plásticos han adquirido una importancia significativa en el desarrollo de la agricultura a través de la implementación de invernaderos, sistemas de riego y suelos artificiales. Los invernaderos crean un microclima específico para proteger los cultivos con el fin de mejorar la productividad o modificar ciertas características de los productos cultivados. La producción mundial de los plásticos ha tenido un crecimiento del 9% por año, alcanzándose la cifra de 230
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millones de toneladas en el año 2009 [1]. Se estima que entre un 2 y un 4% de los plásticos que se consumen en Europa, se destinan a la agricultura y horticultura [2]. Para Ecuador, la exportación de flores representa un rubro muy importante para su economía, puesto que en el año 2010 ha sobrepasado los 500 millones de dólares, lo que constituye el tercer producto de exportación agrícola tras el banano y el camarón [3]. Se considera que unas 4.700 Ha de cultivo bajo invernadero están dedicadas a la producción de fl ores, ubicándose la principal zona productora en la provincia de Pichincha, lugar donde se ha centrado el presente trabajo [4]. Las cubiertas plásticas de polietileno (que son las de uso corriente en Iberoamérica) tienen una vida útil aproximada de dos años. Su exposición al medioambiente y la presencia de agroquímicos las degradan, por lo que deben ser reemplazadas, generándose una considerable cantidad de residuos plásticos. Para la zona de la Provincia de Pichincha estos residuos alcanzan, aproximadamente, 500 Toneladas al mes, Expoflores [5]. Por lo tanto, es necesario buscar alternativas de solución y aprovechamiento para el
manejo de estos residuos. Para este tipo de residuo, el reciclado mecánico es la opción tecnológica más sencilla y con menor coste, por lo cual, para los países iberoamericanos resulta de gran interés. En la literatura científica se han publicado una diversidad de artículos sobre esta temática; varios de ellos han propuesto mejorar las propiedades del residuo que, como se ha referido anteriormente, se encuentra degradado [6-10]. Otros trabajos dan cuenta del interés de llegar a obtener productos con valor agregado tecnológico que es un objetivo fundamental a ser cumplido en este tipo de reciclaje para que sea sostenible. Se ha planteado volver a fabricar nuevas cubiertas de invernadero [11,12], diversos tipos de materiales compuestos [13,14], y mezclas con bitumen [15,16] . Si bien el reciclado mecánico de cubiertas de invernadero es posible, la presencia de agroquímicos en las mismas puede hacer inviable este método de reciclado por la contaminación que imparten dichos productos. Estudios previos realizados en Ecuador para cuantificar el contenido de agroquímicos llevaron a las autoridades a permitir su reprocesamiento [17]. La problemática de los residuos es compleja y no se circunscribe a los aspectos tecnológicos, sino que involucra aspectos de gestión, económicos, culturales y legales. A nivel europeo (básicamente en España, Italia, Francia y Grecia, países en los que existen cultivos protegidos bajo invernadero) el proyecto Labelagriwasteda cuenta de las dificultades y posibilidades del reciclaje de estos residuos plásticos [18]. En Iberoamérica donde, lamentablemente, las legislaciones suelen ser insuficientes y deficitarias en ejecución y control, el problema es aún mayor. En el texto “ Manual de Reciclaje de Plásticos de Invernaderos” [19] se han esbozado unas propuestas sobre la gestión de estos residuos.
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2. PARTE EXPERIMENTAL 2.1. Materiales. Para la ejecución del presente trabajo se emplearon residuos plásticos de cubiertas de invernadero provenientes de seis fincas de uno de los grupos florícolas más importantes, ubicado en el Distrito Metropolitano de Quito. Los residuos se entregaron contaminados con tierra (debido al arrastre del material desde el invernadero desmontado hasta el sitio de entrega) y en varias ocasiones con grapas, clavos, trozos de madera, elementos metálicos y cintas adhesivas (PVC).
2.2. Metodología 2.2.1. Etapas de procesamiento del reciclaje. Como se ha dicho anteriormente, el residuo plástico tiene una serie de características que requiere su acondicionamiento a través de una serie de etapas previas a su procesamiento, tal como se muestra en la Figura 1. Selección material Agua
Agua Prelavado Agua
Agua Tratamiento
Lavado
Secado Agua a recirculación o descarga
Procesamiento
Figura 1. Etapas del proceso de reciclaje mecánico.
En la primera etapa todos los elementos ajenos al plástico del invernadero, antes mencionados, son retirados manualmente del mismo. Debido a la cantidad de suciedad con la cual se recibe esta materia prima, se hace necesario realizar un prelavado, donde se elimina parte de la misma. Posteriormente, el plástico se reduce de tamaño en un molino de cuchillas marca Shini, modelo SG-2336E, para que, de esta manera, pueda ser lavado y con ello obtener una materia prima lo más limpia posible para que no afecte ni al equipo de procesamiento ni a la calidad del producto final. La etapa de secado es una condición necesaria para que el material pueda ser posteriormente procesado por extrusión. En el caso del polietileno, la cantidad máxima es de un 1% de humedad.
3
La extrusión se realizó en un reómetro marca Haake de doble husillo contra-rotante, empleándose dos tipos de boquilla: una para cinta de 25 mm de ancho y 0,8 mm de espesor y otra de perfil circular de 3,6 mm de diámetro.
2.2.2. Caracterización. Las películas de polietileno, tras haberlas empleado como cubiertas de invernadero, fueron analizadas mediante espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier (FTIR) en un equipo marca Perkin Elmer (modelo Spectrum One) en modo transmisión (resolución -1
de 4 cm y 16 barridos) y reflectancia total atenuada (ATR) empleando un cristal de selenuro de -1
cinc (resolución de 4 cm y 46 barridos).
Los ensayos de tracción se realizaron bajo la norma ASTM D 882 mediante una
máquina de ensayos universales marca Instron con una velocidad de deformación constante de 500 mm/min.
La determinación del índice de fluidez se realizó según la norma ASTM D 1238 a
una temperatura de 190 ºC con una carga de 5 kg, usando un plastómetro de extrusión marca Ceast (modelo 6942).
Para la medida de la turbidez de las aguas se empleó un turbidímetro marca Hach
21000 P.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Identificación del material de partida. En la Figura 2 se presenta el espectro de infrarrojo, en modo transmisión, de una de las muestras analizadas. El análisis de sus bandas evidencia que la muestra corresponde a polietileno de baja densidad (LDPE). Adicionalmente, se puede observar una banda de baja intensidad centrada a 1.714 cm
-1
que puede asignarse a la
presencia de grupos carbonilo, como consecuencia de un proceso de degradación. Además, la banda -1
próxima a 1.100 cm es indicativa de que la muestra contiene sílice. En la Figura 3 se muestran los espectros infrarrojos obtenidos mediante la técnica de ATR, de las dos caras de la muestra anterior, en los que se puede observar que la banda del grupo carbonilo es más intensa en una de las caras (espectro en negro), lo que permite deducir que se trata de la cara expuesta a la intemperie y, por lo tanto, más degradada. Además, la banda centrada a -1
1.100 cm , que se había asignado a la presencia de sílice en el espectro infrarrojo de la Figura 2, se convierte en la banda dominante del espectro. Este hecho evidencia que la carga mineral ha experimentado un proceso de migración hacia la superficie de la lámina de polietileno.
4
:
100.0 95 90 2019.00
85
3604.23
2327.58
1714.27
471.77
80 75 70
1303.03
65 2663.10
1080.97
60 55 1377.30
50 %T 45 40 35 30 25 20 15 1462.00
10
729.30
2906.99
5
720.26
0.0 4000.0
3600
3200
2800
2400
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
450.
cm-1
Figura 2. Espectro infrarrojo, en modo transmisión, de una de las muestras del residuo plástico.
:
100.1 95 90 85 80 75
1710.00
70 65 60 55 %T
50 45 40 35 30 25 20 15 10 3.2 4000.0
3600
3200
2800
2400
2000
1800 cm-1
1600
1400
1200
1000
800
6 50.0
Cara expuesta a la intemperie Cara posterior Figura 3. Espectros infrarrojos, obtenidos por ATR, de las dos caras de la muestra.
El material de partida es, por tanto, polietileno de baja densidad que ha estado expuesto a la intemperie durante, aproximadamente, 24 meses y que muestra señales de tener un cierto nivel de degradación.
3.2. Determinación del agente de lavado. Las primeras pruebas estuvieron dirigidas a decidir sobre el tipo de agente de lavado. Se realizaron ensayos, a nivel de laboratorio, utilizando como potenciales agentes de lavado, agua, soluciones de sulfato sódico lauril éter, denominado comercialmente “texapón” (con porcentajes en peso de: 0,0005; 0,0025; 0,005; 0,125 y 0,25) y soluciones de sosa cáustica (porcentajes en peso de: 0,5; 1,0 y 1,5). La evaluación se realizó
5
considerando básicamente la turbidez de la solución resultante y el aspecto final de la muestra plástica (en el caso del texapón además, el aspecto de la espuma formada). Analizando individualmente cada tipo de agente de lavado, los mejores resultados se obtuvieron utilizando disoluciones de 0,0025% para el detergente texapón y 0,5% para la sosa cáustica. A continuación, se prepararon disoluciones con estos porcentajes y se determinó la evolución de la turbidez de éstas con el tiempo, en comparación con los resultados obtenidos con agua como agente de limpieza (Figura 4). Como puede observarse no existen diferencias significativas entre los tres agentes de limpieza, por lo que, a la luz de los resultados obtenidos y en función de optimización de costos, así como de tratamiento posterior de las aguas residuales, se seleccionó el agua como agente de lavado.
Figura 4. Valores de turbidez de las aguas de lavado de los tres sistemas, agua, sosa (0, 5%) y texapón (0,0025%).
3.3. Prelavado. Cantidades sucesivas de los residuos plásticos, cortados en cuadrados de 1x1 m, se introdujeron en un recipiente conteniendo 30 galones de agua y se determinó la evolución de la turbidez del agua en función de la masa de residuo. Como se puede apreciar en la Figura 5, a partir de 21 kg de plástico (peso acumulado) la turbidez alcanza un “ plateau” de aproximadamente 3.000 NTU, que puede considerarse el valor límite para poder continuar con esta etapa. Esta etapa asegura, además, que ningún objeto sólido como piedras o elementos metálicos estropeen los equipos de procesamiento empleados con posterioridad.
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Figura 5. Turbidez del agua de prelavado en función de la cantidad de plástico procesado.
3.4. Lavado. Previamente al lavado, el material debe ser de nuevo reducido en tamaño y para ello se probó con dos equipos de uso frecuente en los procesos de reciclado de plásticos: un triturador de doble eje y un molino de cuchillas. En este último caso, la distribución de tamaños de hojuela dio como resultado una distribución tal que el 80% de este material tenía un tamaño inferior o igual a 3 mm; por el contrario, el equipo de doble eje produjo un material con una distribución mucho más ancha, dado que sólo el 55% tenía un tamaño inferior a 3 mm. Comparando los valores de la densidad aparente, el material procesado en el molino de cuchillas tenía un valor de 208 3
kg/m , un valor casi diez veces mayor al obtenido con el plástico picado en el triturador de doble eje. Este dato junto con la distribución más estrecha del tamaño de la hojuela obtenida y su densidad relativa más alta facilitan el proceso de extrusión y por lo tanto determinan que el molino de cuchillas es el método más adecuado.
Figura 6. Valores de turbidez en función del tiempo en el proceso de lavado.
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El plástico así cortado se lavó en un tanque cilíndrico de 40 gal de capacidad empleando un agitador mecánico de 6 paletas accionado por un motor de velocidad única. La Figura 6 muestra los valores de turbidez en función del tiempo, y en la misma se aprecia un aumento notorio de este valor a los 5 minutos para alcanzar un valor asintótico tras 20 minutos de tratamiento. Por ello se seleccionó este tiempo como el más adecuado.
3.5. Secado. Con el objetivo de optimizar el gasto de energía requerida para secar el material plástico, éste se esparció en zarandas de tal manera que el agua pudiera escurrir fácilmente por gravedad. Este proceso se realizó bajo sombra a una temperatura de 20 ºC y 60% de HR, comprobándose que al cabo de 10 minutos la humedad del plástico había disminuido del 66 al 38% en peso. Pero, para que el polietileno pueda ser extruido es necesario no sobrepasar un valor del 1% de humedad, lo que obligó a utilizar un secador de lecho fluido. Este equipo consta de un ventilador con una salida de 4 pulgadas conectado a un tubo cónico en cuyo interior está instalada una resistencia eléctrica que permitió calentar el aire desde temperatura ambiente hasta 40 °C, cuando éste pasaba a través del cono hacia el secador. La cámara de secado consiste en un cilindro en cuya parte inferior se encuentra una malla metálica a manera de distribuidor del aire y en la parte superior una malla plástica para permitir la salida del aire y evitar el escape de la materia. Con un tiempo de secado de 9 minutos se alcanzó una humedad promedio del 0,48% y se obtuvo una productividad de 10 kg/h.
3.6. Extrusión. El perfil de temperatura apropiado para obtener un material extruido sin defectos resultó ser el siguiente: 100 °C en la zona de alimentación, 120 °C en la de compresión, 130 °C en la de dosificación y 140 °C en la boquilla. La velocidad de los husillos que permitió la mayor productividad, sin afectar la calidad del producto, fue de 40 rpm. Las dimensiones medias para los gránulos obtenidos al final del proceso fueron 2,94 mm de diámetro y 3,05 mm de largo 3
con una densidad aparente de 533 kg/m , valores que se encuentran dentro de los reportados en la bibliografía [26]. La granza así obtenida, se suele comercializar como un producto semiterminado. Sin embargo, en este trabajo ésta fue procesada de nuevo para darle la forma de una cinta o “zuncho” pensando en una aplicación tal como el embalaje de pequeñas cajas de flores. Para ello, se empleó el mismo extrusor Haake con la boquilla correspondiente, y se fijó el siguiente perfil de temperaturas: 100 °C en la zona de alimentación, 135 °C en la de compresión, 150 °C en la de dosificación y 160 °C en la boquilla, con una velocidad de husillos de 30 rpm. Se tomaron muestras de las cintas obtenidas y se determinaron sus propiedades mecánicas, comparándolas con las de una cinta que se usa en algunas florícolas en el embalaje de pequeñas cajas de flores, que por razones de confidencialidad, la denominaremos “comercial”. En la Tabla 1 se resumen los resultados de las propiedades mecánicas. Como se puede apreciar, los valores de los
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tres parámetros analizados entre los dos materiales difieren poco, lo cual implica que, para esta aplicación, es posible el uso del material reciclado. El material reciclado presenta un valor del módulo algo superior al de la muestra de referencia, debido posiblemente a procesos de reticulación del material y que han sido reportados en varios trabajos. Los valores de la deformación a la ruptura, inferiores a los valores de la muestra de referencia, dan cuenta de los procesos de degradación que sufre el material, tanto durante el tiempo que permanece expuesto, como en su reprocesamiento, los cuales provocan que el material se vuelva más frágil. Estos procesos degradativos permiten explicar también los valores más altos en las desviaciones de los valores obtenidos para el producto reciclado.
Tabla 1. Propiedades mecánicas de la cinta extruida a partir de la granza reciclada y de la cinta “comercial”.
Plástico
Propiedad
Reciclado
Comercial
Promedio
Desviación estándar
Módulo de elasticidad (Mpa)
172
26,6
Deformación a la ruptura (%)
561
26,4
Esfuerzo a la ruptura (Mpa)
14,5
0,5
Módulo de elasticidad (Mpa)
130
5,3
Deformación a la ruptura (%)
667
3,8
Esfuerzo a la ruptura (Mpa)
14
0,9
4. CONCLUSIONES Mediante la técnica de espectroscopia infrarroja (FTIR) se ha evidenciado la existencia de degradación del plástico de invernadero, debido a la formación de grupos carbonilo en su estructura y la migración de las cargas minerales. Si bien se parte de un material que se encuentra contaminado resulta factible acondicionarlo para posibilitar su reprocesado por extrusión. Los resultados de las propiedades mecánicas permiten aseverar que, a pesar de que el material plástico se encuentra degradado, todavía puede ser aprovechable en la fabricación de ciertos objetos útiles en la misma actividad agroindustrial.
Agradecimientos.
F. Quiroz y F. Cadena agradecen a las empresas Expoflores, Plásticos
9
Tortuga, Fondo Ambiental, Municipio de Quito.
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