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

Todos os anos, a humanidade produz centenas de milhões de toneladas de plástico. Embora uma parte desse material encontre o caminho para fluxos de reciclagem, uma vasta quantidade acaba em aterros sanitários ou espalhada pelo meio ambiente, onde persiste por séculos. Uma forma promissora de lidar com esse resíduo é transformá-lo novamente em combustível. Esse processo, chamado pirólise, envolve o aquecimento do plástico em um recipiente selado sem oxigênio. Sem oxigênio para queimar, o plástico não se transforma em fumaça e cinzas; em vez disso, ele se decompõe em hidrocarbonetos líquidos que podem ser usados como óleo combustível, juntamente com algum gás e resíduo sólido. Embora cientistas tenham estudado isso em pequenos ambientes laboratoriais por anos, construir uma máquina funcional que seja acessível o suficiente para regiões em desenvolvimento e testá-la com resíduos urbanos reais e sujos continua sendo um desafio significativo.

Em um estudo recente, uma equipe de pesquisadores da Nigéria e da Finlândia propôs-se a construir tal máquina e ver como ela desempenhava. Eles projetaram e construíram uma planta de escala piloto capaz de processar 35 quilogramas de plástico por vez. Todo o sistema foi construído com materiais de origem local, incluindo aço galvanizado para o pote de cozimento principal, um forno revestido com uma mistura de argila e areia para reter o calor, e um condensador feito de tubulação de aço inoxidável para resfriar os vapores de volta ao estado líquido. Os pesquisadores testaram dois tipos muito diferentes de resíduos plásticos coletados nas ruas de Owerri, Nigéria: o poliestireno, a espuma rígida usada em recipientes de alimentos, e o polietileno de baixa densidade, o plástico flexível usado em sacolas de transporte. Eles não lavaram ou limparam quimicamente o plástico; usaram-no exatamente como o encontraram, completo com rótulos, tintas e sujeira, para ver como as condições do mundo real afetariam o resultado.

Quando aqueceram o poliestireno, os resultados foram surpreendentemente eficientes. A máquina converteu 72 por cento do peso do plástico em óleo líquido, e o processo não deixou nenhum resíduo sólido para trás. Isso acontece porque o poliestireno tende a "deszipar" seus próprios componentes originais quando aquecido, transformando-se quase inteiramente em vapor que pode ser capturado como líquido. No entanto, a equipe notou que uma grande parte do material, cerca de 28 por cento, escapou como gás ou névoa fina que o condensador não conseguiu capturar. Isso sugere que o sistema de resfriamento foi sobrecarregado pela velocidade com que o poliestireno se transformou em vapor. O óleo produzido era espesso e escuro, com uma densidade superior ao diesel padrão, e tinha um ponto de fulgor de 50 graus Celsius, apenas ligeiramente abaixo do mínimo de segurança para o diesel comercial.

A experiência com as sacolas flexíveis, conhecidas como polietileno de baixa densidade, foi bastante diferente. Este plástico é muito mais difícil de decompor. Os pesquisadores tiveram que aquecê-lo por mais tempo e usar mais energia para fazê-lo se decompor. Nesta execução, a máquina produziu menos óleo em relação à quantidade de plástico inserida — apenas 56,9 por cento — e deixou para trás uma quantidade significativa de resíduo ceroso sólido pesando 800 gramas. Esse resíduo indica que nem todas as cadeias plásticas se romperam completamente. No entanto, o óleo deste plástico era mais leve e limpo em termos de teor de enxofre, embora ainda contivesse mais enxofre do que o diesel limpo. Os pesquisadores calcularam que a decomposição do polietileno exigiu cerca de 2,5 vezes mais energia térmica do que o poliestireno, refletindo a maior estabilidade térmica das cadeias longas e ramificadas das sacolas.

Um achado crítico surgiu quando os pesquisadores analisaram o teor de enxofre dos óleos. O óleo do poliestireno continha uma quantidade surpreendentemente alta de enxofre, muito mais do que o próprio plástico deveria ter. Como o polímero plástico não contém enxofre, os pesquisadores rastrearam essa contaminação até os resíduos urbanos não lavados, que incluíam adesivos de rótulos, tintas de impressão e outros materiais grudados no plástico. Isso destaca um grande obstáculo: se o plástico não for separado e limpo antes do processamento, o combustível resultante será contaminado e exigirá tratamento adicional. O óleo do polietileno também apresentou níveis elevados de enxofre, mas em um nível muito menor, provavelmente proveniente de aditivos dentro do plástico ou de resíduos misturados.

O estudo conclui que construir uma planta de baixo custo para transformar resíduos plásticos em combustível é tecnicamente viável, mesmo com materiais simples e matéria-prima não selecionada. A máquina produziu com sucesso combustível líquido que atendeu aos requisitos de viscosidade para motores diesel, o que significa que ele flui corretamente pelas linhas de combustível. No entanto, os pesquisadores identificaram áreas claras de melhoria. O condensador, que resfria os vapores, precisa ser maior ou mais eficiente para capturar os gases de movimento rápido do poliestireno. O reator propriamente dito, feito de aço galvanizado, não é adequado para uso de longo prazo em altas temperaturas, pois o revestimento de zinco pode derreter e liberar vapores; versões futuras devem utilizar aço inoxidável ou aço carbono. Além disso, os altos níveis de enxofre no óleo confirmam que a separação e a lavagem do plástico antes de entrar na máquina são essenciais para produzir um combustível de alta qualidade. O trabalho demonstra que, embora a tecnologia funcione, a qualidade do combustível final depende fortemente de quão cuidadosamente o resíduo é preparado e de quão bem a máquina é projetada para lidar com a química específica de diferentes plásticos.