Resumen - CBECiMat

EFECTO DE LA COMPOSICIÓN Y GRANULOMETRÍA EN LAS PROPIEDADES
FÍSICAS Y TÉRMICAS DE COMPUESTOS TERMOPLÁSTICOS USADOS
COMO ADSORBENTES
Daniel Enrique Horna Hernández 1, Daniel Reategui Reategui ², Ruth Marlene
Campomanes Santana3
1,2,3Universidade Federal do Rio Grande do Sul –PPGE3M
1,2Universidad Nacional de Trujillo-UNT, Trujillo, Perú
1 daniel_zoid@hotmail.com, 2 leinad_reat@hotmail.com, 3ruth.santana@ufrgs.br
Resumen
El impacto ambiental originado por accidentes de derramamiento de petróleo ha
llevado a la búsqueda de nuevos materiales más baratos y ecológicamente
correctos. Por esta razón, el objetivo de esta investigación fue realizar un estudio
comparativo de la influencia da composición y granulometría de compuestos
termoplásticos de polipropileno/fibra vegetal (PELBD/FV) en la capacidad de
adsorción en óleos a través de ensayo gravimétrico y termogravimétricos. El
tamaño de partícula de la FV de la especie Itaúba fue de 150 y 500 µm. Los
compuestos de PELBD/FV con proporciones másicas de 60/40; 70/30; 80/20
fueron extrusados y picados en la forma de gránulos de 3 mm de largo. Los
resultados mostraron que la composición optima del compuesto PELBD/FV fue de
80/20 y granulometría de FV de 150 µm debido al mayor área superficial,
obteniendo una adsorción de oleo de 97%, comprobándose a través de los
ensayos termogravimétricos y morfológicos.
Horna, D.E.H. (1); Reategui, D.R. (1); Santana, R.M.C. (2)
INTRODUCCIÓN
El ser humano y su relación con los combustibles se viene dando desde tiempos
prehistóricos, pero el uso desmedido y la dependencia que tenemos hacia estos
tiene poco más de siglo, esto se dio a través de factores como: iluminación, uso de
automóviles, guerras, producción de energía, etc. (Armada et al, 2008)
En la actualidad, la oferta mundial de energía está todavía compuesta por más de
80% de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), de los cuales el 40%
corresponde a petróleo. Las fuentes de energía renovables (energía hidroeléctrica,
los paneles solares, turbinas de viento, etc.) todavía no están listos para hacerse
cargo: hasta la fecha ni siquiera se representan 3% del suministro de energía del
mundo (Zandvliet, 2011)
Es así que nuestras demanda constante hace que las empresas explotadoras de
este material tengan que buscar en zonas cada más inhóspitas dificultando la
extracción y el transporte de este; ocasionando así muchos accidentes donde se
derraman en aguas salinas o lacustres miles de litros de petróleo generando los ya
conocidos derrames petroleros. As long as the human society is still dependent on
oil resources the oil spill accidents are inevitable (Cojocaru et al, 2011)
Estos derrames petroleros también contribuyen a importantes impactos
ambientales, matando aves, delfines, genera mutaciones genéticas en los
camarones y cangrejos, entre otras cosas, e incluso pueden ser tóxicos para los
seres humanos (Aguilera et al., 2010; Alpuche, 2010; Green Peace, 2012). Las
pérdidas económicas son también importantes, afectando la pesca, el turismo y la
industria del petróleo (Karan et al, 2011; EEA, 2010; Wang et al, 2013).
La eliminación rápida y eficiente de este compuesto generaría no solo la
protección de especies animales y vegetales sino que además contribuiría a la
reactivación eficiente de las economías afectadas. Varias técnicas de limpieza se
han utilizado siempre a través de la historia en la lucha contra los derrames de
petróleo como(Al-Majed et al, 2012; Bragg et al, 1994): Adsorbentes: Como una
solución para la limpieza de derrames de petróleo esta técnica es la más rápida y
efectiva y de bajo costo reduciendo inmediatamente los impactos ambientales
(Cojocaru et al, 2011). Quema in situ de petróleo. Por medio de la quema in situ de
producto derramado, se pueden eliminar rápidamente grandes cantidades de
petróleo derramado (Carrión et al, 2008), Biorremediación. La biorremediación
utiliza microorganismos para degradar compuestos orgánicos (Torres, 2003)
Es así que en este trabajo se utilizaran gránulos de compuestos termoplásticos
conformados de residuos sólidos de polietileno (PEBD) y fibra vegetal (FV) de la
especie Itaúba para analizar sus propiedades físicas y térmicas bajo normativas
ASTM actuales
- MATERIALES Y METODOS.
2.1. Materiales.
Para elaboración de los compuestos termoplásticos fueron usado dos tipos de
materiales: PELBD (polietileno lineal de baja densidad) y residuos de madera de
la especie Itaúba (FV). Los residuos de madera pasaron por un proceso de
tamizado para separar en dos granulometrías, la primera de 150μm y la segunda
de 500 μm, respectivamente. Los residuos de PELBD fueron provenientes de
tapas de botellas de gaseosas. Los compuestos de PELBD/FV fueron procesados
en una extrusora monorosca de marca CIOLA, modelo MEP- 18, con perfil de
temperatura de 140, 170 y 190°C y velocidad de la rosca 50 rpm. Los espaguetis
extrusados de los compuestos de PELBD/FV y del PELBD virgen tienen un
diámetro medio de 2 mm fueron cortados en tamaños de 3 mm de largo.
2.2. Método.
-Análisis térmico TGA y DTG.
Los análisis térmicos de los gránulos fueron realizados de 8 grupos con muestras
de 20mg (aprox.) de peso y teniendo en cuenta las siguientes especificaciones:
Tabla N°1. Clasificación de los gránulos.
GRUPO
PELBD
Oleo SAE90
A
B
C
D
E
F
Tamaño de
partícula(μm)
Proporción
(PELBD/FV)
-
-
150
150
150
500
500
500
60/40
70/30
80/20
60/40
70/30
80/20
Estas pruebas fueron realizadas en una maquina tga Q50 marca TA Instruments
-Prueba de densidad.
Realizada bajo la norma ABTM NBR 11936: “Determinación de peso específico de
plásticos con el uso de picnómetro”, para este procedimiento se tiene en cuenta
los siguientes datos:
p = Peso del picnómetro vacío
a = Peso del picnómetro vacío más liquido (solvente)
b = Peso del picnómetro vacío mas muestra.
c = Peso del picnómetro vacío más muestra y líquido.
Fig. N°01. Picnómetro Vacío
-Concentración de vacíos.
La Concentración de vacios.se obtuvo como un paso subsecuente de la obtención
de las densidades de los compósitos bajo la norma ASTM D2734: “Void Content
of Reinforced Plastics “. Para esto solo se utilizó 2 formulas con los datos
anteriormente hallados:
T= 100 / (R / D + r / d)
V = (Td – Md) / Td
Donde:
T: Densidad Teórica.
Td: Densidad Teórica del Compósito.
R: Peso de la Resina %.
r: Peso del Refuerzo %.
Dónde:
V: Contenido de Vacío (volumen %).
Md: Densidad Medida del Compósito.
D: Densidad de la Resina.
d: Densidad del Refuerzo.
Resultados obtenidos
Propiedades físicas
-Prueba de Densidad: Según los datos de la Figura N° 02 la FV (Mezilaurus
itauba) tiene una densidad promedio de 1.284 g/cm3 y el PELBD tiene una
densidad menor (0.86 – 0.92 g/cm3) el proceso de estrución de estos dos material
da como resultado un compósito ideal para ser adsorbente al obtener un rango de
densidades de entre 0.982 – 1.0476 g/cm3 facilitando su flotabilidad y contacto
con el óleo que se pretende adsorber. Para facilitar la interpretación de datos
consideraremos que la densidad no va a variar considerablemente dependiendo
del tamaño del granulo es así que obtenemos promedios entre las medidas de 3,
5, 7 cm para graficarlos a continuación:
= PELBD
= FV
=150-60/40
=500-60/40
=150-70/30
=500-70/30
=150-80/20
=500-80/20
Figura 05. Resultados comparativos de las densidades promedios. Ejemplo: 150 –
60/40, indica que la FV tiene una granulometría de 150 µm y que el PELBD/FV
está en relación de 60/40.
-Concentración de Vacíos: En la Figura N° 03 se puede observar que el contenido
de vacíos aumenta directamente proporcional al tamaño de la carga de la FV y al
largo de los gránulos, excepto en los gránulos con 5cm de PELBD/FV: 60/40;
70/30; este resultado es explicado por una falla en el proceso de extrusión de
estos, por ende una error humano. Además se obtuvo en el procedimiento
experimental que el contenido de vacío de la fibra vegetal y de del PELBD es 0,
por tal motivo no están incluidos en la gráfica.
PELBD/FV
60/40
PELBD/FV
70/30
PELBD/FV
80/20
µm
3
5
7 (cm)
Figura 03. Resultado comparativos del contenido de vacíos de los compositos.
La diferencia entre el contenido de vacíos de un granulo a otro tienen una menor
variación mientras más aumente el % en peso del PELBD ya que una mayor
concentración de polímero hará que el material estrusado tenga un revestimiento
más uniforme, sumado a esto si la granulometría de la FV es mayor generara más
espacios vacíos en los compositos.
Propiedades Térmicas.
-Análisis térmico TGA. Los análisis termogravimétricos para las muestras con las
diferentes cargas vegetales se pueden observar en la Figura N°04 y 05 donde son
analizados los datos de gránulos con carga vegetal de granulometría de 150 y 500
µm, respectivamente, comparando con los datos del polímero virgen. Observamos
que mientras el polímero virgen tiene solo una curva y los gránulos de PELBD/FV
presentan 3, equivalentes a: Agua adsorbida, Fibra vegetal y Oleo Adsorbido y
Polímero.
Figura N°04. Análisis termogravimétricos de los compuestos de 150 µm de FV y diversas
proporciones.
En la tabla N° 02 podemos contrastar las figuras observadas anteriormente al
obtener en la segunda y tercera curva porcentajes cercanos a las proporciones de
PELBD y FV. Los porcentajes de la curva numero 1 equivalen a la adsorcion de
agua evicenciandoce un mayor porcentaje en los compositos con mayor carga
vegetal. Los residuos de los compuestos estan contenidos en los 800°C y su baja
proporcion de residuos es una evidencia de su posible viabilidad como materia
prima para el reciclaje energetico
Tabla N°02. Propiedades termicas de los compositos.
Conclusion
Los compositos varian sus caracteristicas fisicas y funcionabilidad dependiendo de
la carga vegetal que contengan,de la granulometria de esta y del largo promedio
del granulo estrusado. Tal es asi que en el caso de la densidad se obtuvo un
promedio optimo para su flotabilidad sin importar el tamaño del material utilizado.
Por otra parte la concentracion de vacios no solo esta relacionada con la
granulometria de la FV y de la carga vegetal sino tambien del tamaño de los
pellets, habiendo una mayor cantidad de concentracion de vacios para pellets de
mayor tamaño. Por ultimo en los analisis termicos se obtuvo datos importantes
que contrastaron la composicion de los granulos utilizados y de cuanta agua
pueden estos adsorver(la cual se encuentra entre el 0.8% - 2.219% de su peso)
llegando a la conclusion que los granulos con mayor carga vegetal y menor
granulometria son los mas propensos a adsorver mas agua que oleo.
Bibliografia
1. Armada, Alejandro; Barquinero, Eduardo; Capote, Elaine. 2008. "Empleo del bagazo como
material absorbente en derrames de petróleo". ICIDCA. Sobre los Derivados de la Caña de Azúcar,
Vol. XLII. pp. 96-100.
2. Hans Zandvliet 2011.
Peak Oil and the Fate of Humanity “The energy crisis has not yet overwhelmed us, but it will if we
do not act quickly”. P 1 – 25
3. Corneliu Cojocaru, Matei Macoveanu, Igor Cretescu.2011. Peat-baser sorbents for the removal of
oil spills from water surfasse: Application of artificial neural network modeling. Colloids and
Surface a: physicochemical and engineering aspects. P 675 – 684
4. EEA – European Environment Agency (2010). The European Environment State and Outlook
2010 - Marine and Coastal Environment. Copenhagen, Denmark. Disponible en
<http://www.eea.europa.eu/soer/europe/marine-and-coastal-environment>. Acceso: 08 de marzo de
2010
5. Aguilera, F., Mendez, J., Pásaro, E., Laffon, B. (2010). Review on the Effects of Exposure to
Spilled Oils on Human Health. Applied Toxicology, 30, 291–300.
6. Wang, Hou; Yuan, Xingzhong. New Generation Material for Oil Spill Cleanup. 2013.
7. Green
Peace. 2012. Impactos
ambientales
del
petróleo, disponible
en:
http://www.greenpeace.org/mexico/Global/mexico/report/2012/1/impactos_ambientales_petroleo.p
df
8. Bragg J., Prince R., James E., Atlas R. (1994). Effectiveness of bioremediation for the Exxon
Valdez oil spill. Nature, 368(31), 413-418.
9. Abdul Aziz Al-Majed, Abdulrauf R. Adebayo, M. Enamul Hossain. A NOVEL SUSTAINABLE
OIL SPILL CONTROL TECHNOLOGY. Environmental Engineering and Management Journal.
P. 333 – 353. 2012
10. Duilio Torres Rodriguez. 2003. El papel de los microorganismos en la biodegradación de
compuestos
tóxicos
Ecosistemas,
vol.
XII,
núm.
2.
P
1-5.
España
11.Francisco Andrés Carrión R., Tom Coolbaugh, Alexis Steenl.2008. Manual de Campo para
Respuesta a Derrames de Petroleo. ExxonMobil: Research and Engineering Company, EEUU.