Gasificación de polímeros por plasma

Los plásticos son materiales, generalmente de bajo costo, baja densidad y que tienen una gran variedad de aplicaciones. Muchos de ellos solamente se emplean por un periodo corto de tiempo como, por ejemplo, los empaques, las botellas, utensilios desechables, entre otros, y en su elaboración también se generan desechos plásticos considerado como scrap.

Una gran parte de estos materiales terminan directamente en los vertederos de basura y se ha demostrado en las últimas décadas severas afectaciones al medio ambiente,¹ por lo cual se ha tratado de usar diferentes métodos para su tratamiento.

Una opción es el reciclaje, pero presenta complicaciones de logística o de costo en los procesos de separar, limpiar, lavar e incorporar a su proceso los materiales reciclados. Por otro lado, la incineración es la quema de la basura con la finalidad de eliminarla, pero genera sustancias muy tóxicas, persistentes y bioacumulables como las dioxinas y los furanos², aunque hay estudios que afirman que las plantas mas modernas han logrado disminuir su impacto³.

La tecnología de gasificación por plasma es una alternativa atractiva, ya que los plásticos son gasificados sin producir gases nocivos para la salud y se producen materiales de interés comercial como el syngas o “gas sintético” y sólidos vitrificados (que también podrían tener interés comercial) en el caso de contener material inorgánico.

Funcionamiento del proceso de gasificación por plasma

El sistema en forma general consta de un alimentador, una cámara de gasificación conectado a un generador de plasma y un sistema de salida de gases. La cámara de gasificación puede constar de una o varias antorchas de plasma. El plasma es un estado de la materia que consiste en un gas ionizado que puede ser generado mediante el uso de radiofrecuencia o microondas y produce altas temperaturas en su interior capaz de gasificar la basura plástica⁴.

Estas temperaturas son tan altas que eliminan o ionizan los gases nocivos que puedan producirse y vitrifican ciertos materiales, tales como los metales, cerámicos o el vidrio, los cuales pueden separarse en la parte inferior del gasificador.

El material es vertido en la cámara y por lo general se usa electrodos de tipo antorcha para generar el plasma con el fin de gasificar el contenido de la cámara.

La gasificación en el reactor de plasma se lleva a cabo en presencia de aire, o bien en presencia de ciertos gases, como el nitrógeno, argón o helio. Una vez formado el gas de síntesis en la cámara es enfriado para evitar reacciones químicas no deseables y es conducido a un sistema de purificación para eliminar residuos de cenizas.

Después de purificado el gas de síntesis puede ser empleado como combustible o bien transformado por algún método químico a otros productos químicos de interés comercial.

Productos de valor comercial

El gas de síntesis o syngas está constituido principalmente de monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H₂), metano (CH₄) con trazas de nitrógeno, vapor de agua y algún otro elemento químico. El syngas se puede quemar en un generador de electricidad como una caldera, una turbina de gas o vapor, un sistema eficiente como el GICC (Gasificación Integrada en Ciclo Combinado) y convertir el proceso en una tecnología autosustentable o por lo menos reducir los costos energéticos aportando energía eléctrica a la planta.

Actualmente algunas empresas ya han desarrollado tecnologías usando este método para la producción de electricidad como es el caso de las empresas Westinghouse y Plasma Energy⁵.

El syngas puede ser comercializado para ser transformado en productos tales como diésel, gasolina y keroseno, entre otros, mediante el proceso catalítico de Fischer-Tropsch⁶, el cual fue utilizado durante la segunda guerra mundial en Alemania para la producción de combustibles líquidos a partir de fuentes de carbono, como madera forestal y residuo industriales.

Existen estudios que sugieren el uso del syngas para la obtención de metano o gas bioSNG como alternativa del gas natural a partir de un proceso de metanización. Otro producto que se puede obtener es el metanol y el etanol por ruta bioquímica⁷.

También se pueden obtener productos de valor comercial en el caso de la basura mixta o mezcla de plásticos con otros desechos, en la obtención de mayor cantidad de sólidos vitrificados del reactor de plasma, los cuales son materiales inorgánicos transformados en sólidos amorfos similares al vidrio y que se ocupan en la industria de la construcción como relleno.

Ventajas del sistema de gasificación por plasma

Los sistemas de gasificación por plasma alcanzan temperaturas mayores que el proceso por pirólisis, por lo cual sus principales ventajas son: destruir las moléculas de compuestos tóxicos y contaminantes, producir por debajo del 5% de ceniza inerte, ser amigable con el medio ambiente y el equipo puede ser de menor tamaño que el de una incineradora.

Por lo tanto, la gasificación por plasma es una buena opción para la eliminación de la basura plástica y así obtener una reducción de costo en la elaboración de productos de interés comercial. Además, es un sistema que posiblemente podría cerrar un ciclo de la economía circular en industrias que generan desechos plásticos, los cuales podrían ser devueltos a la cadena de producción en forma de energía o materia prima.

El proceso en la actualidad

El proceso de gasificación por plasma puede ser un proceso autosustentable para las empresas productoras de piezas y partes plásticas, sin embargo, esta tecnología todavía tiene retos para ser mejorada y se está trabajando en ello.

En el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), la Dra. Guadalupe Neira en colaboración con el Dr. Gustavo Soria y el Dr, Ernesto Hernández cuentan con un sistema a nivel piloto para llevar a cabo la gasificación de poliolefinas mediante plasma de antorcha, conectado a un sistema de enfriamiento y colector de gas de síntesis. El gas podría ser utilizado en una turbina de gas para la generación eléctrica y alimentar el propio sistema. Por otro lado, algunos países como Corea del Sur, Canadá, Japón, Inglaterra, E.U. y Rusia, han reportado tener plantas económicamente viables y con esperas de tener mejores resultados en los siguientes años.

La reutilización y el reciclaje son métodos populares dentro de la economía circular pero la recuperación de energía o materia prima es clave para la mejora de la calidad del medio ambiente y de la recuperación de capital.

Referencias

1. Okafor N. (2011) The disposal of municipal solid wastes in environmental microbiology of aquatic and waste systems, 1st edition. Springer Science+Business Media BV.
2. Livolsi B., Labrousse S., Baron P., Fiani E., (2006).  Dioxins emissions from French crematoria and associated health impact assessment. Organohalogen Compounds 68, 848-851.
3. Atilio S., Ernesto T., (2019). Environmental and health risks related to waste incineration. Waste Management & Research. Volume: 37 issue: 10, page(s): 976-986
4. Chen F.(1984). Introduction to plasma physics and controlled fusion, Volume 1: Plasma physics, 2nd edition. New York: Plenum Press.
5. Ken P., Osada S., Kevin L., (2010). Plasma gasification: lessons learned at ecovalley WTE facility. Proceedings of the Annual North American Waste to Energy Conference, 18th, Orlando, FL, United States, May 11-23, 2010 133-140
6. Moohyun C., Jae W., (2012). Thermal plasma gasification of municipal solid waste. Gasification for Practical ApplicationsChapter: Thermal plasma gasification of municipal solid waste (MSW)Publisher: INTECH.