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Articulo de referencia

Carbonización del plástico

El comportamiento de la materia orgánica en respuesta al calor y la carbonización. La carbonización de plásticos es una tecnología que transforma los residuos plásticos en valio...

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El comportamiento de la materia orgánica en respuesta al calor y la carbonización.

La carbonización de plásticos es una tecnología que transforma los residuos plásticos en valiosos materiales de carbono mediante descomposición térmica en un entorno con bajo contenido de oxígeno . El proceso puede incluir calentamiento , presurización y tratamiento químico, generando residuos de carbono y subproductos gaseosos .

Descripción general

Proceso de carbonización

Generalmente, el proceso de carbonización se describe en tres etapas superpuestas a medida que aumenta la temperatura . [ 1 ] Los límites entre las etapas están definidos por la temperatura, pero los valores exactos de estas temperaturas dependen de las características de las materias primas y otras condiciones que van más allá de la temperatura. Los mecanismos detallados de estas reacciones de carbonización se estudiaron en la década de 1960. [ 2 ]

Carbonización en condiciones de presión

Las condiciones de presión son esenciales en la carbonización de plásticos. [ 3 ] Cuando la carbonización de polietileno de baja densidad se lleva a cabo a presión atmosférica , se obtiene poco material carbonizado, pero la carbonización directa a presión en un sistema cerrado produce un residuo con un rendimiento de carbono del 45 %. [ 4 ]

Carbonización directa a presión

Cuando el material de carbonización se calienta en un recipiente sellado resistente a la presión, como un autoclave , la presión interna aumenta gradualmente a medida que se liberan moléculas de gas debido a la descomposición térmica del material. El material se calienta y carboniza mientras se mantiene la condición de presión. En un estudio, a altas presiones de 300 bar (30 MPa) o más (sin un catalizador ), la mezcla de plástico con componentes de hidrocarburos y componentes funcionales en la proporción adecuada condujo a la formación de finas partículas esféricas de residuo de carbono. Aquí, el componente de hidrocarburo es un plástico de hidrocarburo que consta solo de carbono e hidrógeno, [ 5 ] y el componente funcional es un plástico que contiene heteroátomos que incluye átomos distintos del carbono ( heteroátomos : oxígeno, nitrógeno, cloro, etc.). Por ejemplo, cuando se agregó un 50 % en peso de PET (componente funcional) al polietileno (componente de hidrocarburo), fue efectivo para formar partículas esféricas de carbono. [ 6 ] Ejemplos de plásticos de hidrocarburos, como el polietileno [ 7 ] [ 8 ] y el poliestireno , [ 9 ] [ 10 ] también se han carbonizado bajo presión sin catalizador.

Para los plásticos que contienen heteroátomos, generalmente se utilizan condiciones libres de oxígeno. Se introducen gases inertes como nitrógeno o argón en un horno tubular para la carbonización. Al variar la temperatura, se pueden controlar las características del material carbonizado resultante, como la forma del carbono, la composición y los grupos funcionales químicos de la superficie . Por ejemplo, el material carbonizado obtenido a temperaturas cercanas a los 500  °C conserva un número relativamente alto de grupos superficiales, lo que lo hace potencialmente adecuado como adsorbente de contaminantes. [ 11 ] En cambio, a temperaturas superiores a los 700  °C, los grupos funcionales que contienen oxígeno del material carbonizado disminuyen y su porosidad y conductividad mejoran. [ 12 ]

Carbonización hidrotermal

La carbonización hidrotermal (HTC) es un tipo de carbonización a presión en la que el calentamiento se realiza con agua y la presión se aplica con vapor. La tecnología hidrotermal se refiere a técnicas que aplican reacciones físicas y químicas que involucran agua o soluciones acuosas a alta temperatura y alta presión, y generalmente se clasifica en los siguientes tres tipos según el rango de temperatura de operación: [ 13 ]

  • La carbonización hidrotermal (HTC) se lleva a cabo normalmente a presiones relativamente bajas o medias, de 180 a 250  °C y de 10 a 40 bares. Suele tardar varias horas en completarse, y el producto principal que se forma son los productos carbonizados.
  • La licuefacción hidrotermal (LHT) se suele realizar a altas presiones de 250–500  °C y 50–200 bar o más. El proceso dura desde unos minutos hasta varias horas, y cuando se utiliza biomasa como materia prima, el bioaceite líquido es el producto principal.
  • La gasificación hidrotermal (HTG) se realiza normalmente a altas presiones de 500–800  °C y 50–200 bar o más. Se completa en tan solo unos minutos, siendo el gas sintético ( syngas ) el producto principal.

La carbonización hidrotermal se divide a su vez en carbonización a baja temperatura y a alta temperatura según la temperatura de operación, con 250  °C como límite. En la carbonización hidrotermal a baja temperatura, se produce material carbonizado con átomos de hidrógeno remanentes (hidrocar) [ 14 ] . A medida que aumenta la temperatura de reacción en la carbonización hidrotermal a alta temperatura, se generan productos como grafito , carbón activado y nanotubos de carbono , que son materiales carbonizados de alta pureza. [ 12 ] [ 15 ] La carbonización hidrotermal a baja temperatura se puede utilizar para el tratamiento de deshidrocloración del cloruro de polivinilo (PVC), que es importante para la posterior formación de estructuras aromáticas en los productos carbonizados. [ 16 ]

La carbonización hidrotermal se puede aplicar a plásticos y también a residuos urbanos, incluidos alimentos y papel. [ 17 ] [ 18 ]

Mejora de la eficiencia de la carbonización mediante el pretratamiento.

Para obtener productos carbonizados de calidad a partir de plásticos, es esencial la formación de estructuras reticuladas de alto orden entre las cadenas de polímeros plásticos en los productos intermedios durante el calentamiento. De lo contrario, las cadenas de carbono-carbono de los polímeros se romperán de forma independiente, lo que dará lugar a la formación y volatilización de hidrocarburos de bajo peso molecular (como propileno , metano y benceno ), y solo se obtendrá una pequeña cantidad de residuo de carbono. Esto es particularmente notable en los plásticos de hidrocarburos [ 5 ] compuestos únicamente de carbono e hidrógeno, como el polietileno , el polipropileno y el poliestireno, que presentan rendimientos de residuo de carbonización muy bajos a menos que se modifiquen.

Los métodos de oxidación y modificación química incluyen calentar las cadenas poliméricas en una atmósfera de oxígeno utilizando un catalizador durante la etapa de precarbonización, lo que oxida algunos (pero no todos) los átomos de carbono en las cadenas poliméricas o utilizar ácido sulfúrico para introducir grupos de ácido sulfónico . [ 12 ]

Catalizadores y aditivos para la carbonización

Cuando los plásticos se descomponen térmicamente en presencia de un catalizador, la eficiencia de la reacción mejora, lo que permite la carbonización a temperaturas más bajas y la producción de nanomateriales de carbono de alta pureza . Los catalizadores suelen desempeñar una doble función: inicialmente promueven la descomposición del polímero y posteriormente catalizan la formación de materiales de carbono. [ 19 ]

Los catalizadores comunes incluyen zeolitas y óxidos metálicos (como óxido de hierro , óxido de níquel , óxido de titanio , etc.). Por ejemplo, las zeolitas proporcionan un entorno de reacción ácido que promueve la ruptura de los enlaces de los polímeros plásticos y la aromatización. Los catalizadores de metales de transición, como el níquel y el hierro, promueven las reacciones de deshidrogenación e inducen el crecimiento de nanotubos de carbono (CNT) y grafeno . Se ha informado que el uso de un catalizador binario, como hierro/alúmina, genera eficientemente CNT a partir de la descomposición térmica del polietileno. [ 20 ] El óxido de calcio se puede utilizar como aditivo en los tratamientos de carbonización del cloruro de polivinilo (PVC) para absorber y recuperar el gas cloruro de hidrógeno nocivo del PVC en forma de cloruro de calcio . [ 21 ]

Calentamiento por microondas

El calentamiento por microondas, comúnmente conocido por los hornos microondas domésticos , también puede aplicarse a la descomposición térmica y carbonización de materiales orgánicos, contribuyendo a la utilización eficaz de los residuos plásticos y reduciendo el impacto ambiental. El calentamiento por microondas de plásticos para la carbonización [ 22 ] [ 23 ] es un proceso que logra una descomposición y carbonización eficientes mediante calentamiento selectivo ( calentamiento dieléctrico ) utilizando ondas electromagnéticas, con la base teórica en la absorción de energía de microondas y las propiedades dieléctricas del material, de forma similar a como funciona un horno microondas. Las frecuencias de microondas comúnmente utilizadas son 915  MHz y 2450  MHz (las mismas que en los hornos microondas domésticos). [ 24 ]

Los plásticos en sí mismos generalmente no absorben bien las microondas, pero los aditivos (como los óxidos metálicos) pueden mejorar la absorción, lo que permite aumentos rápidos de temperatura. Por ejemplo, al usar un catalizador económico a base de hierro como sensor de microondas, los plásticos molidos disponibles comercialmente pueden descomponerse en solo 30 a 90 segundos, obteniéndose un alto rendimiento de gas hidrógeno (55,6 milimoles o 0,112 gramos por gramo) y residuos de carbono de nanotubos de carbono multicapa. [ 25 ]

Calentamiento Joule instantáneo

Desarrollado en 2020, el calentamiento Joule instantáneo es un método de carbonización rápido y eficiente que puede convertir fuentes de carbono, como carbón, coque de petróleo , biocarbón, negro de humo , residuos alimentarios, neumáticos de caucho y residuos plásticos mixtos, en grafeno de calidad a escala de gramos, sometiéndolas a calentamiento Joule (temperatura > 2427  °C) durante un breve período (aproximadamente 100 milisegundos). Este proceso no requiere hornos de alta temperatura, disolventes ni gases reactivos. Cuando se utilizan materias primas ricas en carbono, como negro de humo, carbón sin humo o coque calcinado (aunque no plástico), el rendimiento de grafeno oscila entre el 80 % y el 90 %, con una pureza de carbono superior al 99 % sin necesidad de purificación adicional. La energía eléctrica utilizada durante este proceso es tan baja como aproximadamente 7,2 kilojulios por gramo. [ 26 ]

Como desarrollo de esta tecnología, en 2023 también se desarrolló un método para recuperar los átomos de hidrógeno generados como subproductos durante la conversión de plásticos en grafeno, capturándolos como hidrógeno gaseoso. A diferencia de los métodos convencionales de producción de hidrógeno , como el reformado de metano con vapor , este procedimiento no produce dióxido de carbono ni monóxido de carbono. Puede generar hidrógeno gaseoso con una pureza de hasta el 94 % con un alto rendimiento másico. Incluso vendiendo el producto de grafeno a tan solo el 5 % del precio de mercado de 2023, se puede recuperar el coste de producción del hidrógeno gaseoso, y un análisis del ciclo de vida muestra que las emisiones de dióxido de carbono se reducen entre un 39 % y un 84 % en comparación con otros métodos de producción de hidrógeno. [ 27 ]

Gasificación

Aunque no se trata de una forma de carbonización, la descomposición térmica del plástico puede generar sustancias gaseosas que pueden utilizarse como método de recuperación de energía. La recuperación de hidrógeno gaseoso, [ 27 ] como se menciona en la sección de Calentamiento Joule Instantáneo, es un ejemplo de ello. Si bien no involucra plásticos, la gasificación hidrotérmica de biomasa es adecuada para la producción de hidrógeno, con un rendimiento máximo de 45 gramos por kilogramo de biomasa. [ 28 ]

Tipos de plásticos y comportamiento de carbonización

Las moléculas orgánicas compuestas únicamente de carbono e hidrógeno suelen ser menos reactivas y, al no formar estructuras reticuladas entre las cadenas poliméricas, tienden a descomponerse en compuestos de bajo peso molecular durante la carbonización. En cambio, cuando se sustituyen heteroátomos como el oxígeno en las cadenas poliméricas, los enlaces entre los átomos de carbono y estos heteroátomos pueden servir de base para la formación de estructuras reticuladas. Estas estructuras reticuladas desempeñan un papel fundamental al evitar que las cadenas poliméricas se descompongan en moléculas pequeñas durante la descomposición térmica, lo que da lugar a residuos de carbonización. [ 12 ]

plásticos de hidrocarburos

Para plásticos de hidrocarburos como el polietileno y el poliestireno, [ 5 ] como se mencionó anteriormente, la descomposición térmica directa produce la fragmentación y vaporización de hidrocarburos de bajo peso molecular, obteniéndose poco residuo de carbonización. [ 12 ]

Tratamiento con oxígeno

La carbonización de plásticos de hidrocarburos se realiza típicamente en condiciones libres de oxígeno. Sin embargo, los plásticos de hidrocarburos pueden estar parcialmente oxidados. Como resultado, las partes oxidadas de las cadenas poliméricas actúan como centros de reacción para la reticulación con regiones poliméricas adyacentes (intermolecular o intramolecular), suprimiendo así la fragmentación del polímero en hidrocarburos de bajo peso molecular y promoviendo la carbonización. Por ejemplo, cuando las láminas de polietileno se tratan primero en un horno de convección a 270  °C durante 4 horas [ 29 ] o a 330  °C durante 10 minutos, [ 30 ] se introducen muchos átomos de oxígeno en las cadenas poliméricas de polietileno y se observa la reticulación entre las cadenas poliméricas. Cuando se calientan aún más a 1200  °C, se obtienen residuos de carbono grafítico con un rendimiento de carbono del 50 % (para el  pretratamiento a 330 °C, 10 minutos). Cuando se utilizan materiales de desecho plásticos comunes como materias primas, la tasa de recuperación de residuos de carbono aumenta ligeramente. Por ejemplo, el uso de materiales como la película estirable y los guantes de polietileno da como resultado tasas de recuperación de residuos de carbono del 57 % y 51 %, respectivamente, [ 30 ] lo que sugiere que las impurezas y los aditivos que se encuentran comúnmente en los productos de polietileno reales pueden promover la carbonización.

Tratamiento químico

Los carbohidratos como la sacarosa experimentan carbonización por deshidratación cuando se tratan con ácido sulfúrico concentrado . De manera similar, incluso los hidrocarburos que no pueden experimentar carbonización por deshidratación pueden experimentar un tratamiento de "estabilización" para la carbonización mediante la sulfonación de sus cadenas poliméricas. Si bien esto puede conducir a la generación de subproductos de óxido de azufre , este proceso puede aplicarse como un tratamiento de estabilización. Esto es similar a la sulfonación de fibras de polietileno desarrollada en la década de 1970, seguida de carbonización térmica en una atmósfera inerte para producir fibras de carbono. [ 31 ] Estudios detallados sobre los mecanismos de reacción para el polietileno muestran que a temperaturas de 150–200  °C, el polímero experimenta una fase de reticulación , y el análisis de gases confirma la liberación simultánea de dióxido de azufre y moléculas de agua. Por encima de 600  °C, se libera y elimina gas hidrógeno, lo que da como resultado nanoestructuras de carbono similares al grafeno . [ 32 ] En un estudio, se trituraron y revolvieron los residuos de poliestireno desechados de cubiertos, vasos, platos y envases de lácteos desechables, y se les añadió ácido sulfúrico concentrado gota a gota a su punto de fusión de 240 °C para su estabilización. Luego, se utilizó  un proceso de calentamiento lento a 10 °C por minuto para la carbonización pirolítica , lo que dio como resultado un carbón activado capaz de eliminar metales pesados ​​como el níquel. [ 33 ] 

tereftalato de polietileno (PET)

El tereftalato de polietileno (PET) es un copolímero de éster formado a partir de ácido tereftálico y etilenglicol . Debido a su rica reactividad química, como la hidrólisis de ésteres , es un plástico que contiene heteroátomos y que se somete con mayor facilidad al reciclaje químico . El PET contiene átomos de oxígeno en forma de ésteres aromáticos, que actúan como puntos de partida para la formación de estructuras reticuladas, lo que permite la carbonización sin necesidad de un pretratamiento de "estabilización", que sí se requiere para los plásticos de hidrocarburos. [ 5 ] El PET se ha mezclado con plásticos de hidrocarburos para su carbonización, y la mezcla se carbonizó sin necesidad de un pretratamiento de estabilización. [ 6 ]

El PET es uno de los plásticos desechables más utilizados, y existen estudios sobre su carbonización y reciclaje. [ 34 ] Sin embargo, estos estudios se han centrado en el análisis estructural y funcional de los productos de carbonización y en la exploración de sus usos, en lugar de en la recuperación eficiente del carbono a partir de residuos de PET. Las tasas de recuperación de carbono reportadas son de aproximadamente el 20 % con carbonización directa a altas temperaturas, [ 35 ] de aproximadamente el 25 % con carbonización en sales fundidas , [ 36 ] y de aproximadamente el 32 % con el uso de hidróxido de potasio (un agente de hidrólisis de ésteres). [ 37 ]

cloruro de polivinilo (PVC)

El cloruro de polivinilo (PVC) y otros plásticos que contienen heteroátomos y cloro tienen un menor contenido de carbono porque los átomos de cloro son más pesados ​​(con un peso atómico de 35,5, aproximadamente tres veces mayor que el del carbono, que tiene un peso atómico de 12,0). La recuperación teórica de carbono del PVC es baja. Los átomos de cloro en el PVC liberan cloruro de hidrógeno , que puede corroer el horno de carbonización y contaminar la atmósfera si se libera al aire. Una vez eliminado el cloro, los átomos de carbono de la cadena polimérica contienen estructuras de polieno que podrían servir como puntos de partida para la reticulación, permitiendo la carbonización. Sin embargo, a temperaturas relativamente bajas de 220–230  °C, la eliminación del cloruro de hidrógeno ocurre simultáneamente, y alrededor del 15 % de los carbonos de polieno intermedios producidos durante el proceso se pierden en moléculas pequeñas volátiles como el benceno . [ 38 ] [ 39 ] Esto sugiere que la estructura de polieno no solo forma enlaces cruzados entre cadenas poliméricas, sino que también puede causar la formación y liberación de anillos de benceno dentro de la molécula. Por lo tanto, en la carbonización del PVC, es deseable eliminar el cloro antes de la carbonización mediante un pretratamiento a bajas temperaturas que impida la formación de benceno, [ 40 ] [ 41 ] y estabilizar la estructura de polieno generada mediante un tratamiento con oxígeno.

Un ejemplo de pretratamiento en dos etapas, que incluye la eliminación de cloruro de hidrógeno y un tratamiento con oxígeno, permite la producción de fibras de carbono a partir de PVC. Al tratar el PVC durante 2 horas a 260  °C en atmósfera inerte, se eliminó el cloruro de hidrógeno y el peso disminuyó un 52 %. A continuación, se elevó rápidamente la temperatura a 360–410  °C y, tras calentar durante 1–2 horas, la pérdida de peso fue de tan solo un 6 %. La pérdida de peso total del 58 % coincidió estrechamente con la cantidad teórica de cloruro de hidrógeno liberado del PVC (59 % en peso), lo que indica que el cloro se recuperó casi por completo. El residuo resultante, denominado "brea de PVC", se hilaron en fibras y se oxidaron (estabilizaron) en aire a 320  °C, lo que produjo un aumento de peso del 8 % debido a la absorción de oxígeno. Finalmente, las fibras se carbonizaron a 550  °C en atmósfera inerte, y el rendimiento de carbono de las fibras fue de aproximadamente el 80 % de la brea de PVC, recuperándose el 52 % del contenido de carbono original del PVC. [ 42 ]

Poliuretano (PU)

El poliuretano (PU) es un plástico que contiene heteroátomos con alto contenido de oxígeno y nitrógeno, lo que lo convierte en una materia prima ideal para la producción de materiales de carbono porosos. Sin embargo, a diferencia de la estructura monomérica específica del PET, PU es un término general para plásticos hechos de una variedad de monómeros que contienen estructuras de carbamato . Por lo tanto, el comportamiento térmico del PU varía según la estructura del monómero, y no existe una condición de carbonización universal que se aplique a todos los PU. El éxito de la carbonización puede variar según la estructura específica del PU crudo. El PU se sintetiza típicamente mediante la copolimerización de un diisocianato y un poliol . Por ejemplo, si el poliol contiene una estructura de etilenglicol, el PU puede perder moléculas de etilenglicol al calentarse, de manera similar al PET, lo que resulta en menores rendimientos de carbonización. Debido a estas circunstancias, la mayoría de los estudios sobre la carbonización de PU, al igual que los de PET, se centran en el análisis estructural y funcional de los productos de carbonización y en la exploración de sus usos potenciales, [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] en lugar de lograr altas tasas de recuperación de carbono.

En un estudio, el PU (con una estructura no especificada) se calentó solo y se vaporizó completamente entre 500 y 660 K (227 y 387  °C), resultando en un peso residual nulo. Sin embargo, cuando el PU se pretrató con una solución acuosa de carbonato de potasio , se perdió aproximadamente el 50 % del peso alrededor de los 640 K (367  °C). Posteriormente, el peso se mantuvo constante hasta aproximadamente los 1000 K (727  °C), logrando la estabilización. No obstante, cuando se carbonizó a 773 o 873 K (500 o 600  °C), la tasa de recuperación de la carbonización fue de aproximadamente el 12 %. [ 46 ]

Plásticos mixtos

Aunque no se trata de carbonización, la pirólisis catalítica de una mezcla de plásticos compuesta por un 40 % de polietileno, un 35 % de polipropileno, un 18 % de poliestireno, un 4 % de tereftalato de polietileno y un 3 % de cloruro de polivinilo, que simula residuos plásticos reales, dio como resultado la producción de hidrocarburos de bajo peso molecular (como tolueno, etilbenceno y estireno) derivados de cadenas poliméricas escindidas. [ 47 ]

Se ha publicado un informe sobre la producción a gran escala de nanohojas de carbono porosas mediante la carbonización de diversas mezclas de residuos plásticos, como bolsas de tela usadas, contenedores usados, láminas de espuma usadas, botellas de bebidas usadas y tuberías de alcantarillado usadas. [ 48 ] Se ha informado sobre la generación de materiales de carbono de alto rendimiento a partir de residuos plásticos derivados de residuos electrónicos , y el carbón activado generado a partir de plásticos de impresoras de desecho se muestra prometedor como material de cátodo de alta capacidad para baterías de iones de sodio . [ 49 ] Una comparación de los efectos de adsorción de arsénico del carbono de bajo costo sintetizado a partir de la carbonización de residuos de cloruro de polivinilo, tereftalato de polietileno y polietileno, encontró que el carbono mixto de polietileno y cloruro de polivinilo tenía la tasa de eliminación de arsénico más alta, que oscilaba entre el 72 % y el 99 %. [ 50 ]

Aplicaciones

El residuo de carbono que queda después del tratamiento tiene usos como materiales de carbono. Se pueden generar materiales de carbono con alta conductividad eléctrica y utilizarlos como electrodos en baterías de iones de litio y supercondensadores. [ 51 ]

Carbón activado

Se prevé que el carbón activado obtenido a partir de residuos plásticos tenga aplicaciones en la purificación del agua, la purificación del aire y la mejora del suelo, y ya se ha comercializado en productos como filtros de aire acondicionado y láminas aislantes para paredes. [ 52 ] Se han desarrollado numerosas combinaciones de métodos de carbonización y tratamientos de activación para obtener carbón activado a partir de residuos plásticos. [ 53 ] [ 54 ]

En la activación química, los poros se pueden desarrollar a temperaturas entre 400 y 700  °C, pero es necesario eliminar el agente activador. En la activación física, después de la carbonización, los productos de carbonización se tratan con vapor, dióxido de carbono o nitrógeno a altas temperaturas entre 800 y 1000  °C. [ 55 ] Aunque no se utilizan agentes activadores y, por lo tanto, no se requiere ningún tratamiento de limpieza, la activación física consume más energía y lleva más tiempo, y el carbón activado resultante tiende a tener una menor capacidad de adsorción. [ 56 ]

Materiales de electrodo

Los nanomateriales a base de carbono son los materiales de electrodo más comúnmente utilizados en capacitores electroquímicos debido a su alta porosidad, gran área superficial y alta conductividad eléctrica. Los productos de carbonización derivados de plásticos pueden utilizarse en dispositivos de almacenamiento de energía como baterías de iones de litio y supercondensadores. [ 57 ] Al utilizar residuos plásticos en la fabricación de baterías de iones de litio, se pueden reducir los costos, lo que podría ampliar su uso en el transporte público electrificado y los vehículos eléctricos. El carbón activado, los nanotubos de carbono y el grafeno pueden utilizarse como materiales de electrodo a base de carbono, y las materias primas pueden variar desde polietileno, PET, poliestireno, cloruro de polivinilo hasta plásticos mixtos. Se ha informado que no hay mucha correlación entre la capacitancia y el tipo de plástico crudo utilizado [ 58 ] Tabla 8 .

El principal objetivo de la investigación para lograr un rendimiento óptimo como materiales de electrodo es optimizar el proceso de fabricación para construir estructuras de carbono de alto rendimiento para dichos materiales, independientemente del tipo de materia prima de carbonización utilizada. Por ejemplo, un estudio examinó las propiedades electroquímicas del carbón activado producido a partir de biomasa mediante activación química y su relación con el tipo de agente activador utilizado y las condiciones de activación. Se observó que, al utilizar ácido fosfórico como agente activador químico, los átomos de fósforo se incorporaban al esqueleto de carbono del producto de carbonización. Como resultado, aumentaron los sitios activos para la adsorción de iones (es decir, la cantidad de iones adsorbidos del electrolito) y, aunque las propiedades texturales eran inferiores, aún se podía lograr un alto rendimiento a altas velocidades. [ 59 ]

fibras de carbono

Las fibras de carbono son materiales ligeros y de alta resistencia utilizados en las industrias aeroespacial y automotriz. Durante muchos años, los plásticos a base de poliacrilonitrilo (PAN) [ 60 ] [ 61 ] y los materiales a base de brea se han utilizado como materias primas para las fibras de carbono. Sin embargo, el método de producción de fibras de carbono mediante la sulfonación de fibras de polietileno (PE), seguida de carbonización térmica en una atmósfera inerte, se conoce desde la década de 1970, [ 31 ] y se ha realizado mucha investigación sobre esta tecnología. [ 62 ] A diferencia del PAN, que se hila a partir de una solución, el PE es termoplástico y sus fibras precursoras se hilan mediante fusión. Por lo tanto, no se puede carbonizar directamente por calor y es necesaria la estabilización mediante un tratamiento de sulfonación. No obstante, el costo de producción se puede reducir en un 51% en comparación con el PAN [ 63 ] [ 62 ] Figura 35 .

Los desafíos restantes para las fibras de carbono basadas en PE son la mejora del proceso de sulfonación y el aumento de las propiedades mecánicas de los productos de fibra de carbono. [ 64 ] Se ha desarrollado un "método de sulfonación hidrostática" para el primero, donde la sulfonación se realiza a una presión de 5 bar durante 2,5 horas a 130  °C, seguida de la carbonización a una velocidad de calentamiento de 5  °C por minuto durante 5 minutos a 1000  °C. Este proceso produce fibras de carbono con una resistencia a la tracción de 2,03 GPA, un módulo de Young de 143,6 GPA y una elongación a la rotura del 1,4 %. [ 65 ]

miméticos de biocarbón

Si bien, a partir de 2023, resulta difícil producir materiales carbonizados equivalentes al biocarbón natural a partir únicamente de plásticos, se están investigando métodos como la copirólisis de PET o poliestireno con rastrojo de maíz [ 66 ] , que pueden crear biocarbón artificial con propiedades similares al biocarbón mediante la carbonización con biomasa. Los residuos alimentarios, que contienen nitrógeno, podrían generar cianuros tóxicos al carbonizarse conjuntamente con plásticos contaminados, pero estudios han demostrado que la cocarbonización con cantidades adecuadas de cloruro de polivinilo desechado , por ejemplo, puede producir «biocarbón artificial» sin generar cianuros [ 67 ] .

Subproductos del gas

Durante la carbonización de plásticos, se generan inevitablemente subproductos gaseosos como metano, hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrocarburos de bajo peso molecular (etileno, propileno, benceno, etc.) junto con el producto carbonizado. Una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno ( gas de síntesis ) puede utilizarse como fuente de energía en el proceso de carbonización, con el objetivo de lograr la neutralidad de carbono. El hidrógeno puede separarse y purificarse para su uso como fuente de hidrógeno en pilas de combustible. También es posible mejorar el rendimiento de hidrógeno mediante la optimización del proceso de carbonización. [ 27 ]

Limitaciones

Mejorar las tasas de recuperación de carbono es crucial para lograr la producción a gran escala de materiales carbonizados. En particular, esto incluiría un método universal y de bajo costo para carbonizar plásticos de hidrocarburos. [ 5 ]

Dependiendo del tipo de plástico, pueden generarse componentes volátiles nocivos, aunque en menor cantidad que durante la incineración. Los plásticos que contienen cloro , como el cloruro de polivinilo , presentan un riesgo particular de contaminación por cloruro de hidrógeno al carbonizarse directamente. Por lo tanto, deben emplearse tecnologías adecuadas de pretratamiento [ 21 ] y tratamiento de gases .

Véase también

Citas

  1. ↑ Murchison, Duncan G. (1978-01-01), "31", en Karr, Clarence (ed.), Optical Properties of Carbonized Vitrinites , Academic Press, pp. 415–464 , ISBN  978-0-12-399902-3, recuperado el 4 de marzo de 2025.
  2. ↑ Blayden, Herbert Edward (1969). "El proceso de carbonización" . Journal de Chimie Physique . 66 : 15–20 . Bibcode : 1969JCP....66...15B . doi : 10.1051/jcp/196966s1015 . ISSN 0021-7689 . 
  3. ^ Inagaki, Michio; Kang, Feiyu; Toyoda, Masahiro; Konno, Hidetaka (1 de enero de 2014), "4", en Inagaki, Michio; Kang, Feiyu (eds.), Carbonización bajo presión , Butterworth-Heinemann, págs. 67–85 , ISBN  978-0-12-407789-8, consultado el 5 de marzo de 2025.
  4. ↑ Zhang, Hua; Zhou, Xiao-Li; Shao, Li-Ming; Lü, Fan; He, Pin-Jing (2019-02-18). "Esferas de carbono poroso jerárquicas de polietileno de baja densidad para supercondensadores de alto rendimiento" . ACS Sustainable Chemistry & Engineering . 7 (4): 3801– 3810. doi : 10.1021/acssuschemeng.8b04539 .
  5. 1 2 3 4 5 La literatura suele referirse a "plásticos libres de oxígeno", lo cual no es exacto, ya que los plásticos que contienen heteroátomos distintos del oxígeno, como el cloruro de polivinilo y el poliacrilonitrilo, también son químicamente libres de oxígeno. Por lo tanto, en este artículo se utiliza de forma consistente el término "plásticos de hidrocarburos".
  6. 1 2 Washiyama, M.; Sakai, M.; Inagaki, M. (1988-01-01). "Formación de esférulas de carbono por carbonización a presión: relación con la estructura molecular del precursor" . Carbon . 26 (3): 303– 307. Bibcode : 1988Carbo..26..303W . doi : 10.1016/0008-6223(88)90220-5 . ISSN 0008-6223 . 
  7. ↑ Inagaki, M.; Washiyama, M.; Sakai, M. (1988-01-01). "Producción de esférulas de carbono y su grafitización" . Carbon . 26 (2): 169– 172. Bibcode : 1988Carbo..26..169I . doi : 10.1016/0008-6223(88)90033-4 . ISSN 0008-6223 . 
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  63. ↑ C. Greb, T. Röding, presentado en el 2º Simposio de Materiales No Metálicos, Fabricación de Fibras de Carbono de Bajo Costo a Base de Polietileno, Lyon, Francia, diciembre de 2019.
  64. ↑ Marter Diniz, Flávio A.; Röding, Tim; Bouhrara, Mohamed; Gries, Thomas (2023). "Producción de fibras de carbono ultrafinas a base de polietileno a partir de un precursor de "islas en el mar" (INS)" . Fibers . 11 (9): 75. doi : 10.3390/fib11090075 .
  65. ↑ Eun, Jong Hyun; Lee, Joon Seok (2021-09-09). "Estudio sobre fibras de carbono a base de polietileno obtenidas por sulfonación bajo presión hidrostática" . Scientific Reports . 11 (1): 18028. Bibcode : 2021NatSR..1118028E . doi : 10.1038/ s41598-021-97529-4 . ISSN 2045-2322 . PMC 8429680. PMID 34504256 .   
  66. ↑ Gale, Mark; Nguyen, Peter M.; Gilliard-AbdulAziz, Kandis Leslie (2023-01-10). "Efectos sinérgicos y antagónicos de la copirólisis de plásticos y rastrojo de maíz para producir carbón vegetal y carbón activado" . ACS Omega . 8 (1): 380– 390. doi : 10.1021/acsomega.2c04815 . ISSN 2470-1343 . PMC 9835080. PMID 36643465 .   
  67. ↑ Luo, Jiewen; Wang, Qian; Lin, Litao; Zhang, Shicheng; Zhu, Xiangdong (2021-03-29). "Los plásticos de desecho complementan el biocarbón: un enfoque innovador para reducir los tóxicos (KCN/NaCN) en el biocarbón que contiene nitrógeno" . ACS Sustainable Chemistry & Engineering . 9 (12): 4617– 4624. doi : 10.1021/acssuschemeng.1c00226 . ISSN 2168-0485 . 

Lecturas adicionales

  • Peng, Yujie; Wang, Yunpu; Ke, Linyao; Dai, Leilei; Wu, Qiuhao; Cobb, Kirk; Zeng, Yuan; Zou, Rongge; Liu, Yuhuan (15 de febrero de 2022). "Una revisión sobre la pirólisis catalítica de residuos plásticos para la obtención de productos de alto valor" . Energy Conversion and Management . 254 115243. Bibcode : 2022ECM...25415243P . doi : 10.1016/j.enconman.2022.115243 . ISSN 0196-8904 . 
  • Blanchard, Rachel; H. Mekonnen, Tizazu (2024). "Valorización de residuos plásticos mediante activación química y carbonización en carbón activado para aplicaciones de materiales funcionales" . RSC Applied Polymers . 2 (4): 557– 582. doi : 10.1039/D4LP00016A .
  • Ma, Zhiming; Wang, Lei; Wang, Zijian; Cui, Huapeng; Tang, Enling; Hou, Hongbin; Xu, Guangqiang; Song, Tao; Wang, Qinggang (2024). "Avances recientes de materiales de carbono derivados de residuos plásticos para almacenamiento de energía, remediación ambiental y aplicaciones de síntesis orgánica" . ChemCatChem . 16 (23) e202401072. doi : 10.1002/cctc.202401072 . ISSN 1867-3899 . 
  • Che, Clovis Awah; Heynderickx, Philippe M. (2024-03-01). "Carbonización hidrotermal de residuos plásticos: una revisión de su potencial en aplicaciones de energía alternativa" . Fuel Communications . 18 100103. doi : 10.1016/j.jfueco.2023.100103 . hdl : 1854/LU-01HJ8BEHM8C4RN1PVNGEBH6WGR . ISSN 2666-0520 .