Para el experimento de este artículo el equipo utilizado es un separador electrostático EBS-U-27/20-18.056

Separación triboeléctrica de polímeros

Adrián Morales Serrano y Javier Grau Forner, investigadores en reciclado mecánico en Aimplas24/05/2021

Hoy en día, el plástico es uno de los materiales más utilizados en la actividad humana, esto se debe a las diferentes características que podemos obtener en los polímeros. El reciclaje de polímeros está adquiriendo importancia por el impacto ambiental que supone no hacerlo. Existen gran cantidad de polímeros distintos que pueden utilizarse para crear plásticos muy diferentes y con diferentes características. Uno de los problemas que existe con el reciclaje de plásticos es la necesidad de separarlos previamente. Por esta razón, cualquier método eficiente de separación de polímeros se convierte en una herramienta importante a tener en cuenta. Uno de estos métodos es la separación mediante el efecto triboeléctrico. El efecto triboeléctrico consiste en la separación de polímeros mediante la diferenciación de las cargas eléctricas que adquieren los polímeros por su colisión. Uno de los materiales obtiene carga positiva o negativa y el otro obtiene la carga opuesta o ninguna. El objetivo de este estudio es elaborar una escala de los polímeros, desde los más cargados negativamente hasta los más positivos, para facilitar la separación de los residuos plásticos.

Introducción

Para el experimento de este artículo el equipo utilizado es un separador electrostático EBS-U-27/20-18.056, que puede funcionar como separador corona-electrostático para separaciones de materiales férricos de no férricos, separador electrostático para separaciones entre polímeros y otros materiales como madera, cartón, papel, etc. O como separador tribo-eléctrico para separaciones entre polímeros.

Figura 1: Equipo separador electroestático.

La separación por corona-electrostática consiste en la separación de materiales férricos de los no férricos (polímeros u otros materiales) por la atracción de un campo electromagnético. Este tipo de separación puede realizarse en materiales que contengan plásticos y metales como pueden ser los cables o componentes electrónicos, que contienen diferentes tipos de plástico y cobre u otros metales.

Figure 2: Cable Separation.

La separación por cargas electrostáticas puede darse en mezclas de residuos compuestos por diferentes polímeros y otros materiales (madera, cartón, papel, metales no férricos, etc.) utilizando las propiedades eléctricas de éstos. En la figura 2 puede observarse un ejemplo de separación de diferentes polímeros y maderas.

Otro método que ofrece el equipo, el utilizado en este experimento para la separación entre diferentes polímeros, se basa en la diferenciación de las cargas electrostáticas que adquieren los polímeros. En este caso se utiliza el efecto triboeléctrico. Este efecto se basa en las cargas que adquieren dos o más polímeros diferentes al colisionar entre ellos, donde unos obtienen cargas positivas o negativas, y los otros polímeros obtienen la carga opuesta o ninguna. Con las partículas cargadas podemos separar los polímeros cargados positivamente de los polímeros cargados negativamente con un electrodo de alto voltaje con una polaridad asignada (Iuga et al., 2005).

El interés de las separaciones triboeléctricas se debe a que pueden separar algunos polímeros específicos con cargas eléctricas adquiridas muy diferenciadas con una eficacia de hasta el 99%. Es por este motivo que los experimentos realizados en este trabajo se han centrado en la separación entre diferentes polímeros con este efecto.

Método

En primer lugar, para iniciar el experimento, se utilizó una mezcla de polímeros, PET, PC, ABS, HDPE, LDPE, PP, PVC, PS, PLA, mezclas vírgenes y recicladas (Wu et al., 2013).

En la mezcla inicial se utilizaron dos polímeros diferentes (50% de cada uno). Utilizando una balanza con una precisión de ± 0,1. En las mezclas con tres materiales se utilizaron 75g de cada material, para no sobrecargar el equipo y facilitar el tratamiento de los resultados.

Los parámetros críticos que hay que tener en cuenta en la separación entre materiales y la eficiencia obtenida, además de un tamaño de partícula homogéneo, son los siguientes:

Tiempo de carga (t min): Es el tiempo que las partículas están colisionando entre ellas en la zona de mezcla. Aumentando este tiempo podemos aumentar la carga que obtienen las partículas.
Revoluciones del deflector (Rev Hz): Es la frecuencia de las rotaciones del deflector. Un aumento de estas revoluciones puede mejorar la separación.
Carga del electrodo (Charge kv): Es el voltaje del electrodo, puede aumentar la separación con un mayor voltaje.
Vibración (%). Es la vibración de la plataforma que alimenta al equipo, tiene efecto de carga, contribuye a la desaglomeración de las partículas e influye en la velocidad de alimentación.

Los siguientes parámetros son los utilizados en el equipo:

Tabla 1. Parámetros usados.

Resultados

Minicial: Masa total de la mezcla que se utiliza para la separación.
M1: masa que es atraída por el electrodo de alta tensión.
M2: masa repelida por el electrodo de alta tensión.
Mix: partículas no separadas.

Tabla 2. Separación de materiales

Como podemos ver en la Tabla 2, es posible conseguir separaciones superiores al 90% en mezclas cuyas cargas adquiridas difieren más. Por otro lado, se observa que en materiales cuyas cargas adquiridas son más similares, la eficiencia de separación disminuye.

Figura 5: Separación de ABS+HDPE

El siguiente experimento se realizó con una mezcla de tres polímeros diferentes:

Tabla 3.Resultados de la mezcla de tres materiales

Tabla 4. Eficiencia en la mezcla de tres materiales

Como podemos ver en las tablas anteriores la eficiencia de separación entre más de dos polímeros diferentes disminuye. No obstante, consigue recuperarse una parte importante de cada material, lo que hace plantearse nuevos estudios para aumentar la eficiencia de separación entre mezclas de flujos con más de dos materiales.

Minicial: Masa total de la mezcla que se utiliza para la separación.
M1: masa que es atraída por el electrodo de alta tensión.
M2: masa repelida por el electrodo de alta tensión.
Mix: partículas no separadas.
T (min): Tiempo de carga por colisiones en el mezclador.
Rev (Hz): Revoluciones del deflector.
Charge (kv): Voltage del electrode.
α1: Ángulo de la barrera separadora entre M1 y Mix.
α2: Ángulo de la barrera separadora entre M2 y Mix.
Vib (%): Vibración de la plataforma de alimentación.

Tabla 5. Resultados de la separación PVC, cambiando carga y parámetros

Figura 6: Separación de polímeros (PS+PVC).

En la tabla 5 vemos un ejemplo de las diferencias entre las eficiencias de separación que puede haber al modificar parámetros como el tiempo, la carga, las revoluciones, la polaridad y los ángulos. En este caso se ha tomado como ejemplo el PVC con materiales como el PS y el ABS. Este ejemplo se ha escogido dado que el PVC es un polímero con un interés especial para su recuperación.

Conclusiones

En conclusión, se puede observar la eficacia del equipo y cómo los parámetros pueden cambiar los resultados de separación y las interacciones entre diferentes materiales.

Respecto a los parámetros, como se puede ver en la tabla 5, se puede deducir que con un aumento del voltaje del electrodo y del tiempo de carga podemos ver un incremento notable en la eficiencia del proceso. Además, si ajustamos los ángulos de separación y hacemos más de una pasada por el equipo, podemos conseguir más del 90% de separación en muchas de las mezclas.

Otro parámetro que influye en los resultados es el tamaño de las partículas. A mayor tamaño de partícula, mayor carga se necesita para ser atraída por el electrodo de alto voltaje, por lo que se dificulta la separación, disminuyendo la eficiencia.

Con los resultados obtenidos puede desarrollarse una escala con los polímeros clasificados por las cargas adquiridas desde la más negativa a la más positiva. Esta escala es una herramienta útil para futuras separaciones con este equipo o métodos similares.

Figura 7: Escala final de los polímeros

Observando las tablas de resultados de los experimentos realizados puede llegarse a la conclusión de que la separación de materiales con cargas adquiridas similares puede resultar más complicada que en otros casos con cargas adquiridas más diferenciadas.

Con los experimentos realizados también se ha observado la posibilidad de separar polímeros de otros materiales como por ejemplo madera, cartón, materiales férricos etc., usando los métodos de separación por corona-electroestática y la separación electroestática.

Bibliografía

Daiku, H., Inoue, T., Tsukahara, M., Maehata, H., & Kakeda, K. (2001). Electrostatic separation technology for waste plastics - Development of a high-purity type separator for plastics. Proceedings - 2nd International Symposium on Environmentally Conscious Design and Inverse Manufacturing, 562–565. https://doi.org/10.1109/ECODIM.2001.992424

Iuga, A., Calin, L., Neamtu, V., Mihalcioiu, A., & Dascalescu, L. (2005). Tribocharging of plastics granulates in a fluidized bed device. Journal of Electrostatics, 63(6–10), 937–942. https://doi.org/10.1016/j.elstat.2005.03.064

Park, C. H., Jeon, H. S., Yu, H. S., Han, O. H., & Park, J. K. (2008). Application of electrostatic separation to the recycling of plastic wastes: Separation of PVC, PEL and ABS. Environmental Science and Technology, 42(1), 249–255. https://doi.org/10.1021/es070698h

Wu, G., Li, J., & Xu, Z. (2013). Triboelectrostatic separation for granular plastic waste recycling: A review. Waste Management, 33(3), 585–597. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2012.10.014