Biocomposites: soluciones al final de su vida útil

Biocomposites: soluciones al final de su vida útil
Biocomposites: soluciones al final de su vida útil
31-05-2022
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El proyecto ELIOT trabaja en la revisión de las actuales tecnologías de reciclaje de PRF y bio-PRF para analizar las alternativas más viables, con el fin de seleccionar las más prometedoras que serán probadas a escala de laboratorio para su posterior demostración a escala preindustrial.

 

Los biocomposites o bio-PRF (polímeros reforzados con fibras) que utilizan fibras naturales como refuerzo y resinas procedentes de fuentes naturales se utilizan cada vez más en sectores como aviación, construcción o deporte, ya que son materiales clave para reducir el impacto ambiental gracias a su favorable combinación de propiedades mecánicas y bajo peso (lo que reduce el consumo de combustible y las emisiones de CO2 a la atmósfera).

A pesar de todas las ventajas de estos bio-PRF, el mayor reto para la industria aeronáutica en este sentido es encontrar formas tecno-económicamente viables de reciclar los compuestos de bio-PRF de las aeronaves principalmente por tres factores: a) las matrices poliméricas suelen ser resinas termoestables que tienen una estructura molecular reticulada, b) los bio-PRF, a diferencia de los PRF convencionales, no contienen fibras de carbono con un alto valor de mercado y c) estos residuos post-consumo tienen una composición heterogénea (incluyendo materiales metálicos, panales o núcleos de espuma) y es probable que estén contaminados con productos químicos (como pinturas, disolventes y residuos de aceite), todo ello supone un reto para las tecnologías de reciclaje convencionales.

Teniendo en cuenta que en el mundo se desmantelan más de 400 aviones al año y que este ritmo va en aumento, se prevé que para 2034 se desmantelen más de 15.000 aviones dando lugar a grandes cantidades de residuos de compuestos de PRF que no podrán recuperarse mediante los procesos de reciclaje convencionales utilizados para los materiales metálicos y termoplásticos. Por lo tanto, es urgente encontrar una solución eficaz para la gestión del fin de vida de estos residuos y dejar que se depositen en vertederos. En este contexto, el objetivo del proyecto ELIOT es revisar las actuales tecnologías de reciclaje de PRF y bio-PRF para analizar las alternativas más viables con el fin de seleccionar las más prometedoras que serán probadas a escala de laboratorio. Finalmente, se demostrará la viabilidad técnica a escala preindustrial de 2 métodos EoL para 2 bio-PRF objetivo, incluyendo su validación en términos de sostenibilidad del ciclo de vida. Por lo tanto, este proyecto supone una solución efectiva a la problemática antes descrita.

El proyecto ELIOT, coordinado por AIMPLAS (Centro Tecnológico del Plástico) y realizado en colaboración con el organismo de investigación holandés TNO, comenzó en julio del 2020 y terminará en febrero de 2023, recibió financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en el marco de la Iniciativa Tecnológica Conjunta Cielo Limpio con el número de acuerdo de subvención 886416.

Figura 1. Diferencias entre pirólisis, gasificación y combustión

 

Tecnologías EoL (End of Life): Estado del arte

En el marco del proyecto ELIOT, se han estudiado en profundidad las tecnologías EoL disponibles actualmente en la literatura y en la industria para los PRF y los bio-PRF, los aspectos más importantes de este estudio se resumen a continuación.

 

Vertedero

No hay recuperación de los materiales originales de bio-PRF a través de los vertederos. Únicamente parte del contenido de base biológico se transfiere a metano; los vertederos modernos capturan este gas y lo utilizan como combustible para generar energía, pero la transferencia es limitada y no es una opción sostenible.

 

Incineración

La incineración es un proceso térmico que calienta los residuos en un exceso de oxígeno (ver Figura 1). Los productos de los bio-PRF recuperados tras la incineración son gases y sólidos: algunos de los gases pueden ser utilizados como combustible para alimentar el proceso de incineración y los sólidos están compuestos de cenizas y residuos, que suelen trasladarse a vertederos (depende del proceso, la consistencia del vertido y el contenido).

 

Horno de cemento

Cada año se producen miles de millones de toneladas de cemento en hornos de cemento para la fabricación de hormigón en el sector de la construcción y las infraestructuras. Este proceso de fabricación es intensivo en energía y emite grandes cantidades de gases de efecto invernadero debido al consumo de combustibles fósiles con una alta huella de CO2, incluyendo carbón, gas y coque de petróleo. Teniendo en cuenta que el 30-40% de los costes totales de producción de cemento proceden del consumo de energía, la industria del cemento ha empezado a sustituir los combustibles fósiles vírgenes por materiales de desecho y biomasa con el fin de reducir los costes energéticos y las emisiones de gases de efecto invernadero. Actualmente el horno de cemento co-procesa diversos materiales de desecho, como neumáticos, lodos de depuradora y de papel, y otros flujos de residuos de gran volumen. Los bio-PRF son adecuados para su coprocesamiento en un horno de cemento para recuperar energía.

 

Reciclado mecánico

Con el proceso de reciclado mecánico de los PRF, se obtienen principalmente dos tipos de fracciones, una rica en fibra, que se denomina fracción gruesa, y una rica en matriz, denominada fracción fina. Estas fracciones pueden identificarse y separarse de otros materiales como espumas o adhesivos con la ayuda de elementos como los ciclones o mediante procesos de tamizado. Estas fracciones pueden utilizarse como carga en la fabricación de nuevos PRF. Para obtener un material más puro, se puede aplicar un tratamiento térmico a los materiales, consiguiendo así una mayor separación de las fibras, por un lado, y de la matriz, por otro.

 

Pirólisis (convencional, lecho fluidizado y asistida por MW)

El proceso térmico más extendido como método de reciclaje de residuos es la pirólisis, opera en ausencia de oxígeno y se producen:

1) Un residuo sólido que incluye las fibras inorgánicas y las cargas y un residuo de carbón vegetal (50% hasta 67% en peso) .

2) Productos petrolíferos líquidos (10-50 % en peso)

3) Un gas combustible (5-15 % en peso)

En la PIRÓLISIS CONVENCIONAL, los residuos de PRF son llevados a través de un horno con temperatura controlada (alrededor de 400-700 °C), ver Figura 2.

LA PIRÓLISIS EN LECHO FLUIDO es una modificación del proceso de pirólisis tradicional para conseguir un calentamiento más rápido de los materiales, consiste en hacer pasar el material de desecho de tamaño reducido a través de una corriente de aire caliente en presencia de arena de sílice que se mantiene flotando.

LA PIRÓLISIS ASISTIDA POR MICROONDAS es un proceso térmico que se perfila como una tecnología prometedora, ya que reduce el tiempo de residencia y acelera las reacciones químicas, lo que conlleva un ahorro de energía. Mediante esta variante de pirólisis, el material se calienta en su núcleo mediante microondas, de modo que la transferencia térmica es muy rápida.

Figura 2. Pirólisis convencional de residuos de composites

 

Gasificación

Esta tecnología aplica temperaturas más altas que la pirólisis (>700 ?C) en combinación con una cantidad controlada de oxígeno y/o vapor para hacer reaccionar el material sin combustión (Figura 1). Los productos finales pueden dividirse a grandes rasgos en aceite, gas y sólidos.

 

Solvólisis

El proceso de solvólisis para los bio-PRF desintegra la matriz rompiendo la cadena polimérica con la acción de temperatura, disolventes y, en algunos casos, catalizadores. El proceso de solvólisis ha cobrado un interés creciente en los últimos tiempos porque se recuperan tanto las fibras como los precursores de las resinas, pudiendo sintetizar de nuevo polímeros.

 

Disolución

Con esta tecnología se disuelve selectivamente la matriz del polímero mediante la elección del disolvente. La principal ventaja del proceso de disolución sobre la solvólisis es que la resina se recupera como polímero y las fibras también.

Figura 3. Potencial de circularidad frente al nivel TRL para las tecnologías EoL del reciclado de bioPRF

 

Degradación enzimática

Consiste en el uso de enzimas como biocatalizadores para llevar a cabo la despolimerización de los polímeros, en el caso de los materiales termoestables, este proceso despolimeriza las resinas hasta convertirlas en monómeros u oligómeros. El proceso de degradación enzimática tiene un bajo impacto en el medio ambiente debido a las bajas temperaturas del proceso, a los bajos requerimientos de energía y, además, no consume productos químicos ni disolventes.

 

Compostaje

El compostaje es un método aeróbico de descomposición de residuos sólidos orgánicos. El proceso implica la descomposición de la materia orgánica en un material similar al humus, conocido como compost, que es un buen fertilizante para las plantas. El compostaje requiere una gestión humana, condiciones aeróbicas y el desarrollo de calor biológico interno debido a la actividad de los microorganismos.

 

Conclusiones del estado del arte

En la Figura 3 se resume el TRL de cada una de las tecnologías EoL para los bio-PRF frente al potencial de circularidad que implica la calidad de los productos recuperados. Se observa que cuatro tecnologías parecen tener más potencial que las demás: estas son solvólisis, disolución, reciclado mecánico y pirólisis.

 

Resultados del análisis MCDA (multi-criteria decision analysis)

Para el proyecto ELIOT, se elaboró una herramienta de análisis de decisiones multicriterio (MCDA) que permitió a los miembros del proyecto seleccionar los cuatro métodos EoL óptimos para dos tipos de bio-PRF previamente seleccionados (composites de fibra de basalto y resina bioepoxi y otro de fibra de lino con resina bioepoxi). Esta herramienta MCDA utiliza cuatro criterios principales, acordados con las partes interesadas, como los más relevantes para catalogar cada tecnología EoL:

• Rendimiento técnico

• Rendimiento económico

• Rendimiento de los recursos

• Rendimiento medioambiental

Las puntuaciones globales del análisis MCDA se resumen en las Figura 4 y Figura 5. Por término medio, los PRF de basalto son mejores que los de base de lino, ya que en los procesos térmicos las fibras de lino se pierden debido a la incineración (parcial) y esto disminuye el rendimiento.

Figura 4. Resultados del MCDA por criterio y la puntuación global para el PRF de basalto/bioepoxi y lino/bioepoxi para cada tecnología de fin de vida. Un color más verde indica una puntuación más alta. Las puntuaciones globales con un borde naranja tienen un diez por ciento de puntuación por encima de la media

 

En el caso del compuesto a base de lino, los procesos térmicos como la pirólisis y la gasificación tienen un rendimiento menor que la recuperación de energía en el horno de cemento y en la incineradora de residuos municipales (MSWI). En el caso de las fibras de basalto, estos procesos térmicos obtienen mejores resultados ya que la fibra de basalto puede ser recuperada. El reciclaje mecánico tiene un rendimiento más o menos intermedio.

Figura 5. Resultados globales del MCDA para el PRF de basalto/bioepoxi y lino/bioepoxi para cada tecnología EoL

 

En la tabla inferior se muestran los mejores resultados de los dos tipos de fibras por separado con el fin último de seleccionar las mejores técnicas EoL.

 

Conclusiones

El objetivo inicial del proyecto ELIOT es seleccionar las 3 ó 4 mejores tecnologías de EoL para probarlas a escala de laboratorio. Basándonos en los resultados del MCDA y en la información obtenida de la revisión del proyecto se seleccionan las siguientes tecnologías de reciclado:

1. Disolución

2. Solvólisis

3. Reciclaje mecánico

4. Pirólisis convencional

En el momento en el que se escribe el presente artículo las cuatro tecnologías de reciclaje seleccionadas se están probando a nivel de laboratorio, junto con la recopilación de datos del ACV (Análisis del Ciclo de Vida), para los siguientes bio-PRF:

• Fibra de lino con matriz de bioepoxi

• Fibra de basalto con matriz de polifurfuril alcohol (PFA)

• Fibra de carbono con matriz de bioepoxi

Las pruebas de laboratorio estarán terminadas en mayo de 2022, y el siguiente paso será seleccionar las dos mejores tecnologías para ensayarlas a nivel de planta piloto junto con el análisis tecno-económico completo y el ACV.

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