Design, Construction and Performance Evaluation of a Low-Cost Pilot-Scale Semi-Batch Pyrolysis Plant for Converting Polystyrene and Low-Density Polyethylene Waste into Fuel Oil

Cada año, la humanidad produce cientos de millones de toneladas de plástico. Si bien una parte de este material llega a las corrientes de reciclaje, una gran cantidad termina en vertederos o dispersa en el medio ambiente, donde persiste durante siglos. Una forma prometedora de lidiar con estos residuos es convertirlos nuevamente en combustible. Este proceso, llamado pirólisis, consiste en calentar el plástico en un contenedor sellado sin oxígeno. Sin oxígeno para arder, el plástico no se convierte en humo y ceniza; en su lugar, se descompone en hidrocarburos líquidos que pueden usarse como combustible líquido, junto con algo de gas y residuo sólido. Aunque los científicos han estudiado esto en entornos de laboratorio a pequeña escala durante años, construir una máquina funcional que sea lo suficientemente económica para regiones en desarrollo y probarla con desechos callejeros reales y sucios sigue siendo un desafío significativo.

En un estudio reciente, un equipo de investigadores de Nigeria y Finlandia se propuso construir tal máquina y ver cómo funcionaba. Diseñaron y construyeron una planta a escala piloto capaz de procesar 35 kilogramos de plástico a la vez. Todo el sistema fue construido con materiales de origen local, incluyendo acero galvanizado para la olla de cocción principal, un horno revestido con una mezcla de arcilla y arena para retener el calor, y un condensador hecho de tubos de acero inoxidable para enfriar los vapores y devolverlos a estado líquido. Los investigadores probaron dos tipos de desechos plásticos muy diferentes recolectados de las calles de Owerri, Nigeria: poliestireno, la espuma rígida utilizada en contenedores de alimentos, y polietileno de baja densidad, el plástico flexible utilizado en bolsas de transporte. No lavaron ni limpiaron químicamente el plástico; lo usaron exactamente como lo encontraron, con etiquetas, tintas y suciedad, para ver cómo las condiciones del mundo real afectarían el resultado.

Cuando calentaron el poliestireno, los resultados fueron sorprendentemente eficientes. La máquina convirtió el 72 por ciento del peso del plástico en aceite líquido, y el proceso no dejó ningún residuo sólido. Esto sucede porque el poliestireno tiende a "descremallarse" hacia sus bloques de construcción originales al calentarse, convirtiéndose casi por completo en vapor que puede capturarse como líquido. Sin embargo, el equipo notó que una gran parte del material, aproximadamente el 28 por ciento, escapó como gas o fina niebla que el condensador no pudo atrapar. Esto sugiere que el sistema de enfriamiento se vio abrumado por la velocidad a la que el poliestireno se convirtió en vapor. El aceite producido era espeso y oscuro, con una densidad mayor que la del combustible diésel estándar, y tenía un punto de inflamación de 50 grados Celsius, ligeramente por debajo del mínimo de seguridad para el diésel comercial.

La experiencia con las bolsas flexibles, conocidas como polietileno de baja densidad, fue bastante diferente. Este plástico es mucho más difícil de descomponer. Los investigadores tuvieron que calentarlo durante más tiempo y utilizar más energía para lograr que se descompusiera. En esta ejecución, la máquina produjo menos aceite en relación con la cantidad de plástico introducido —solo el 56.9 por ciento— y dejó un residuo sólido y ceroso significativo de 800 gramos. Este residuo indica que no todas las cadenas de plástico se rompieron completamente. Sin embargo, el aceite de este plástico era más ligero y limpio en términos de contenido de azufre, aunque todavía contenía más azufre que el diésel limpio. Los investigadores calcularon que la descomposición del polietileno requirió aproximadamente 2.5 veces más energía térmica que el poliestireno, lo que refleja la mayor estabilidad térmica de las largas cadenas ramificadas de las bolsas de transporte.

Un hallazgo crítico surgió cuando los investigadores analizaron el contenido de azufre de los aceites. El aceite del poliestireno contenía una cantidad sorprendentemente alta de azufre, mucho más de la que el plástico debería tener. Dado que el polímero plástico no contiene azufre, los investigadores rastrearon esta contaminación hasta los desechos callejeros sin lavar, que incluían etiquetas adhesivas, tintas de impresión y otros materiales adheridos al plástico. Esto resalta un obstáculo importante: si el plástico no se clasifica y se limpia antes de su procesamiento, el combustible resultante estará contaminado y requerirá un tratamiento adicional. El aceite del polietileno también presentó un nivel elevado de azufre, pero a un nivel mucho menor, probablemente proveniente de aditivos dentro del plástico o de desechos mezclados.

El estudio concluye que construir una planta de bajo costo para convertir los desechos plásticos en combustible es técnicamente factible, incluso con materiales simples y materia prima no clasificada. La máquina logró producir combustible líquido que cumplió con los requisitos de viscosidad para motores diésel, lo que significa que fluye correctamente a través de las líneas de combustible. Sin embargo, los investigadores identificaron áreas claras de mejora. El condensador, que enfría los vapores, necesita ser más grande o más eficiente para capturar los gases de movimiento rápido del poliestireno. El reactor mismo, hecho de acero galvanizado, no es adecuado para el uso a largo plazo a altas temperaturas, ya que el recubrimiento de zinc puede derretirse y liberar humos; las versiones futuras deberían usar acero inoxidable o acero al carbono. Además, los altos niveles de azufre en el aceite confirman que la clasificación y el lavado del plástico antes de que entre en la máquina es esencial para producir un combustible de alta calidad. El trabajo demuestra que, si bien la tecnología funciona, la calidad del combustible final depende en gran medida de qué tan cuidadosamente se prepare el residuo y de qué tan bien se diseñe la máquina para manejar la química específica de los diferentes plásticos.