Residuos plásticos: técnicas de tratamiento y valorización

Rafael García Muñoz Profesor Titular URJC DTQA

Universidad Rey Juan Carlos

“Residuos plá plásticos: té técnicas de tratamiento y valorizació valorización”

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Plásticos en la actualidad • Parte fundamental en el desarrollo sostenible • Forman parte del estilo de vida actual: embalajes, componentes de automóviles, teléfonos móviles, comunicaciones, materiales aislantes en la construcción, equipos médicos, juguetes, tuberías………. • Sin plásticos se incrementarían por 4 los materiales alternativos a utilizar, por un factor de 2 las emisiones de gases de efecto invernadero, los costos por un factor de 2, la energía por un factor de 1.6 y los residuos por un factor de 1,6 en volumen.

GRAN EXITO Universidad Rey Juan Carlos

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Plásticos en la actualidad • Su baja densidad les convierte en materiales ligeros. • Tienen unas excelentes propiedades aislantes, tanto térmica como eléctricas. • Pueden ser conductores de electricidad cuando se requiere. • Son resistentes a la corrosión y al ataque de diversas sustancias. • Pueden ser transparentes, útiles para equipos ópticos. • Fácilmente moldeables en variadas formas. • Se pueden reforzar con cargas inorgánicas, agentes de moldeo, retardantes de llama, plastificantes, etc. Universidad Rey Juan Carlos

Facturación: 280 billones € Empleados: 1,6 millones “Residuos plá plásticos: té técnicas de tratamiento y valorizació valorización”

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Generación de residuos plásticos por sectores en Europa Occidental (2003) Distribución 20% RSU 66%

Automóvil 5% Agricultura 2% Construcción 3%

Electricoelectrónico 4%

TOTAL CONSUMO PLÁSTICOS: 53,5 mill. ton. TOTAL RESIDUOS PLÁSTICOS: 22,0 mill. ton.

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Composición media de los RSU Paper / cardboard 25%

Glass 9% Plastics 9%

Metals 4%

Organics 35%

Others 18%

Plásticos: 9% en peso, 20% en volumen Universidad Rey Juan Carlos

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Distribución de plásticos en los RSU

PET 8,1%

Otros 9,2%

LDPE 22,7%

PVC 10,7% PP 19,6%

PS 11,9% HDPE 17,8%

PORCENTAJE DE POLIOLEFINAS + PS = 71,4 % Universidad Rey Juan Carlos

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Ciclo de vida de los plásticos en Europa (2005) Vertederos 11,6 m ton. (53%)

Exportación

Exportación

Producción Plásticos

Convertidor demanda

57,5 m ton.

47,5 m ton.

Mercado Productos

Residuos Plasticos

- 40% vida corta - 60% vida larga

Importación

22 m ton.

Importación E/E 8%

Automoción 8%

Construcción 20%

Valorización 10,4 m ton. (47%)

Otros 28% Universidad Rey Juan Carlos

Embalaje 36% “Residuos plá plásticos: té técnicas de tratamiento y valorizació valorización”

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Gestión de residuos plásticos en Europa (2005) Energy Recovery 29%

Disposal 53%

Feedstock Recycling 2%

Mechanical Recycling 16%

Total de residuos plásticos generados: 22 millones de toneladas

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Evolución en la gestión de residuos plásticos en Europa

Fuente: APME

EVOLUCION AÑOS 1996-2004 MR (+130%), ER (+130%), FR (+36%) Universidad Rey Juan Carlos

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Tendencias en la generación y acumulación en vertederos de los residuos plásticos

Residuos plásticos

Vertederos

Fuente: APME

Se ha producido un desacoplamiento entre la generación y la acumulación en vertederos Universidad Rey Juan Carlos

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Impacto ambiental de los residuos plásticos • Baja densidad RSU: 10% en peso < > 22% en volumen • Fuerte impacto visual • Presencia de una amplia variedad de aditivos • Presencia de Cl (PVC), metales pesados y sustancias tóxicas PVC: - 56 % en peso Cl - Baja estabilidad térmica: liberación de HCl a T > 200°C - Incorpora una gran variedad de aditivos y plastificantes

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Gestión integral de los residuos plásticos 1.- REDUCCIÓN EN ORIGEN 2.- REUTILIZACIÓN 3.- VERTIDO CONTROLADO 4.- INCINERACIÓN CON RECUPERACIÓN DE ENERGÍA 5.- RECICLADO MECÁNICO Y/O QUÍMICO ⇒ ELECCIÓN: Criterios Económico - Sociales

NO EXISTE SOLUCIÓN ÚNICA NI UNIVERSAL: Combinación de alternativas Universidad Rey Juan Carlos

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Reducción en origen • Bolsas de supermercado (LDPE) 23 g (1970)

6,5 g (1990); 70% reducción

• Envases de yogur (PS) 6,5 g (1970)

3,5 g (1990); 45% reducción

• Botellas de bebidas carbónicas (PET) 66 g (1970)

42 g (1990); 35% reducción

• Botella de leche (HDPE) 95 g (1970)

60 g (1990); 32% reducción

Plásticos en envases y embalajes: reducción del 28% en el peso medio en los últimos 10 años Universidad Rey Juan Carlos

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Reutilización

• El objeto usado se vuelve a utilizar como tal objeto con la misma o similar aplicación. • No confundir con el reciclado: se recupera y se vuelve a utilizar el material contenido en el objeto para fabricar otros que pueden tener aplicaciones muy diferentes. • La reutilización de objetos plásticos se aplica a aquéllos que poseen una mayor durabilidad: cajas, contenedores, etc. • En los últimos años se ha producido un aumento notable en la reutilización de objetos plásticos en el sector de alimentación y en medicina.

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Vertido controlado (53%) • Escasez paulatina de espacio para la implantación de nuevos vertederos. En plásticos: Volumen/peso = ↑↑↑ • Polución visual. • En las condiciones reinantes en los vertederos modernos, incluso los materiales considerados habitualmente como degradables, apenas se deterioran. • Los residuos plásticos depositados en vertederos, se mantienen inalterados durante décadas. • Riesgos de explosiones por acumulación de biogás. • Posible contaminación de las aguas subterráneas por los lixiviados. • Desarrollo reciente de nuevos tipos de plásticos, que se degradan por la acción de la luz y/o de microorganismos. Universidad Rey Juan Carlos

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Incineración con recuperación de energía (29%)

• Elevado poder calorífico de los plásticos: incremento de la producción de calor o energía eléctrica. HDPE/LDPE/PP: 45 GJ/t;

Carbón: 26 GJ/t

• Combustión más eficaz: menor formación de CO. • No se ha observado un incremento apreciable de los contaminantes en los gases de chimenea, siempre y cuando la planta incineradora incluya métodos de tratamiento y limpieza de los mismos.

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Incineración con recuperación de energía

• No existe unanimidad sobre la posible existencia de una relación de causa efecto entre la presencia de PVC y la formación de dioxinas. • Es necesario reajustar la capacidad de tratamiento de la planta incineradora respecto de la de diseño. • Puede afectar negativamente al reciclado. • Grado de utilización muy variable según países: Suiza: 69,3%; Irlanda: 0,5%; España: 12,7% • Construcción de nuevas incineradoras

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Rechazo

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Directiva Europea sobre residuos plásticos - Entrada en vigor en 1994 con el horizonte de 2001 - Ley de Residuos de Envases y Embalajes, España (1997) ⇒ 15 % de reciclado mínimo por materiales - Objetivos cumplidos en 2001 en la mayor parte de países (excepciones: Portugal, Grecia e Irlanda) - Previsible nuevo objetivo para 2006 – 2008: min. 22,5% • Packaging and Packaging Waste Directive (94/62/EC) Porcentajes mínimos de reciclado de plásticos: 15% (2001), 22.5% (2008) • End-of-Life Vehicles Directive (2000/53/EC) Objetivos globales de reciclado y reutilización: 80% (2006), 95% (2015) • Waste Electrical and Electronic Equipment Directive (2002/96/EC) Objetivo global de recuperación: 70-80 wt% por categoría de producto

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Reciclado de residuos plásticos NECESARIO DESARROLLAR TÉCNICAS DE RECICLADO - Productos con mercado - Precio productos reciclados competitivo Reciclado Mecánico (16%)

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Reciclado Químico (2%)

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Reciclado de plásticos

VENTAJAS • Aprovechamiento de materiales cuyo valor comercial es nulo o muy reducido • Menor consumo de materias primas, contribuyendo al ahorro y conservación de los recursos materiales

INCONVENIENTES • Necesidad de desviar materiales reciclables de la corriente de residuos • Necesidad de clasificar selectivamente los residuos

• Disminución del impacto ambiental de los • Necesidad de un mercado residuos para materiales reciclados • Reducción de depósitos en vertederos, lo • Incremento de costes para que prolonga su vida útil compensar la gestión de los residuos • Creación de infraestructura industrial y comercial en torno a los residuos

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Reciclado Mecánico de plásticos

Plastic waste

Shredder

Vibrating ring section Cone press

Stationary cone

Pin mill

Coating

Screen changer

Pelletizer

Extruder Recycled resin

Fuente: APME

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Propiedades de los plásticos reciclados Indice de fluidez de PP multiprocesado

Fuente: APME

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Propiedades de los plásticos reciclados Evolució Evolución de la deformació deformación a rotura de HIPS despué después de nueve ciclos de extrusiones

Fuente: APME

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Separación de residuos plásticos Clave de los procesos de reciclado: “PUREZA” DE LOS RESIDUOS PLÁSTICOS

Eliminación de otros residuos y separación de los materiales plásticos por polímeros

Desarrollo de métodos para la separación de plásticos: manual, flotación, disolución, espectroscópicos Universidad Rey Juan Carlos

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Códigos para la identificación de tipos de plásticos

1

2

3

4

PET

HDPE

PVC

LDPE

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5

6

7

PP

PS

Otros

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Reciclado químico de residuos plásticos • Los plásticos se transforman en productos no plásticos, lo que implica la ruptura de las cadenas poliméricas • Tipos de productos: Monómeros Materias primas químicas Productos con aplicaciones comerciales Combustibles

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Comparación entre el reciclado químico y el reciclado mecánico de residuos plásticos • Los productos obtenidos en el reciclado químico poseen propiedades similares a las de los derivados de recursos naturales, mientras que el reciclado mecánico conduce habitualmente a plásticos de menor calidad que los vírgenes. • Dentro del reciclado químico se incluyen una amplia variedad de procesos y tratamientos: versatilidad. • Con frecuencia el reciclado químico se puede aplicar a mezclas de polímeros o incluso de plásticos con otros residuos. • El reciclado químico requiere de instalaciones más complejas y de mayor coste que el reciclado mecánico: economía de escala. • Presencia de PVC: también es una limitación importante en el reciclado químico, lo que conlleva la necesidad de llevar a cabo etapas de separación del PVC o de deshidrocloración.

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Reciclado químico de plásticos Residuos Plásticos

DESPOLIMERIZACIÓN QUÍMICA

Hidrólisis Glicolisis Metanolisis

Monómeros

GASIFICACIÓN

O2 / (H2O)V T>1000ºC

CO + H2

DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA

CRAQUEO Y REFORMADO CATALÍTICO

500 - 800 ºC

350 - 550 ºC

Hidrocarburos G -L

Hidrocarburos G -L

HIDROGENACIÓN

H2 300 - 500ºC

Hidrocarburos L

PRODUCTOS DE IGUAL CALIDAD QUE LOS FABRICADOS MEDIANTE PROCEDIMIENTOS CONVENCIONALES Universidad Rey Juan Carlos

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Despolimerización química • Los plásticos se transforman en monómeros, habitualmente llevando a cabo el proceso inverso a la reacción de polimerización mediante reacción de la cadenas poliméricas con un agente químico. • Tipos en función del agente químico: - Metanolisis - Glicólisis - Hidrólisis - Amonolisis - Aminolisis • Los monómeros obtenidos se utilizan en la fabricación de nuevos polímeros con propiedades similares a los vírgenes. • La principal limitación es que prácticamente sólo se aplican a los polímeros de condensación: Poliésteres, poliamidas, poliacetales y policarbonatos • Requieren una pureza elevada del residuo plástico de partida.

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Sistema PETCORE Proceso Eastman (ECC) “Residuos plá plásticos: té técnicas de tratamiento y valorizació valorización”

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Gasificación de residuos plásticos • Los plásticos se transforman en gas de síntesis (CO + H2) por tratamiento en una atmósfera parcialmente oxidante (O2, aire, vapor de agua o mezclas). • El proceso tiene lugar a elevada temperatura (700-1600ºC) y a presión (10-60 atm). • El gas de síntesis producido se puede utilizar como combustible o como materia prima (producción de metanol, amoniaco, gasóleos…) • Se puede aplicar a mezclas de polímeros o incluso a mezclas de plásticos con otros residuos y materiales orgánicos.

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Proceso SVZ de gasificación de residuos plásticos • Oxidación parcial con vapor y oxígeno para formar CO + H2 • Se aplica a plásticos procedentes de RSU y vehículos fuera de uso • Varias plantas en Alemania para producir metanol a partir del gas de síntesis

410.000 ton/año

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Fuente: APME

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Craqueo térmico de residuos plásticos • Los plásticos se transforman por degradación térmica en una atmósfera inerte (ausencia de O2). • Se pueden utilizar mezclas de polímeros. • Es un proceso sencillo pero conduce a una distribución muy amplia de productos con un valor comercial limitado.

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Fuente: APME

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Craqueo térmico de residuos plásticos

Fuente: BP

BP: Polymer Cracking Process, Grangemouth (UK) Recicla HDPE, LDPE, PP, PS 50.000 ton/año Universidad Rey Juan Carlos

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Craqueo catalítico de residuos plásticos • El craqueo catalítico tiene lugar a menor temperatura. • La conversión catalítica conduce a una distribución más estrecha de productos. • La selectividad hacia los productos de interés se puede modificar y controlar seleccionando el catalizador más adecuado en cada caso: Olefinas, aromáticos, gasolina, gasóleo, ceras • El catalizador se puede desactivar en presencia de determinados polímeros (PVC) así como de impurezas en el residuo plástico.

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Craqueo catalítico de residuos plásticos Catalizadores • Arcillas pilareadas • Sílice-alúmina amorfa • Sólidos superácidos • Metales, habitualmente soportados en carbones activos

• Zeolitas • Sólidos mesoporosos ordenados

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Comparación de la distribución de productos en la degradación térmica y catalítica Análisis de GC de los productos procedentes del craqueo térmico del LDPE

MC ount s

RI C all py 800ldpealc 05-06 -03.s ms

C10 2. 0

C20

C15 1. 5

C30 1. 0

0. 5

C35

Análisis de GC de los productos procedentes del craqueo catálitico de LDPE, usando Al-MCM-41 como catalizador

0. 0

10

20

30

621

12 38

1855

1

40

50

2461

3070

60 minut es

2 3683 Scans

1.

Benzene

2.

Toluene

(6.62 min) (9.94 min)

3.

Ethyl benzene

(12.96 min)

4.

o, m, p- xylene

(13.18-13.3 min)

5.

Styrene

(13.91 min)

6.

Propyl benzene

(15.77 min)

7.

1 ethyl – 2 methyl benzene 1 ethyl – 3 methyl benzene

(15.9-16.5 min)

1 ethyl – 4 methyl benzene 8.

1,2,3 trimethyl benzene (16.85 min)

9.

Naphthalene

(22.01 min)

C10 1

2

4 5 3

C15

78 6

C20

9

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Craqueo catalítico de residuos plásticos Reactor de tornillo (continuo)

Reactor tipo tanque agitado (discontinuo)

5

2

1

4

3

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1

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Conclusiones • El reciclado es una pieza fundamental, pero no única, en un sistema de gestión integral de gestión de residuos plásticos. • La clave del éxito de los programas de reciclado reside en la colaboración ciudadana y el compromiso firme de las administraciones locales. • La viabilidad económica de los procesos de recuperación y reciclado de residuos plásticos depende de una gestión selectiva de los diferentes tipos de polímeros. • Es imprescindible una mejora de los sistemas automáticos de separación de residuos plásticos. • Es necesario el desarrollo de procesos alternativos de reciclado químico que puedan resultar complementarios del reciclado mecánico. • La mayor parte de los procesos de reciclado químico han estado limitados por factores económicos, aunque esta situación está cambiando con precios del petróleo del orden de 100$/barril. Universidad Rey Juan Carlos

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