Tratamiento y valorización material de residuos textiles. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos

i Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Ambiental Tratamiento y valorización material de residuos textiles. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos. Autora: Carmen María Ganfornina Sánchez Tutora: Rosario Villegas Sánchez Dpto. Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 iii Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Ambiental Tratamiento y valorización material de residuos textiles. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos. Autora: Carmen María Ganfornina Sánchez Tutor: Rosario Villegas Sánchez Dpto. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 v “Las mentiras son muy difíciles de matar, pero una mentira que atribuye a un hombre lo que en realidad era el trabajo de una mujer tiene más vidas que un gato” “El camino del progreso no es ni rápido ni fácil” Maria Salomea Skłodowska-Curie. vii Agradecimientos Este Trabajo de Fin de Máster representa el broche final de mi época como estudiante de ingeniería química e ingeniería ambiental, una etapa que recordaré con mucho cariño por todo lo que ha supuesto en mi vida y por todas las personas que he conocido y han formado parte de ella. A mi familia y amigos, que nunca han dudado de lo que soy capaz de conseguir con esfuerzo y sacrificio aunque yo sí lo hiciese, y que han formado parte de este camino incluso desde la distancia. Gracias a mi tutora del TFM Rosario Villegas, quien aceptó con ilusión el tema que le propuse y confió en mí desde el inicio para llevar a cabo este trabajo, por apoyarme y asesorarme en cualquier duda que tuviese. . ix Resumen El sector textil es el segundo sector más contaminante de la industria, siendo responsable de un 10% de las emisiones de CO2 mundiales, además de generar grandes cantidades de aguas residuales durante el proceso de producción textil. Asimismo, se presenta una gran problemática respecto a los residuos textiles, dado que la inmensa mayoría termina en vertederos sin aprovechar su potencial de valorización. Se entiende por residuos textiles cualquier material textil o producto fabricado con textiles (tales como prendas de ropa) que ha dejado de considerarse apta para su función original. En el presente proyecto se describen el sector textil español, la clasificación de residuos textiles y los impactos medioambientales asociados a ellos, así como un contexto normativo tanto europeo como español. Por otra parte, se presentan los diferentes tratamientos existentes para residuos textiles, centrándose sobre todo en reutilización y reciclado, además de las diversas tecnologías de valorización material y energética que se les puede aplicar. De todas las posibles técnicas de valorizar, se ha seleccionado la obtención de carbón activo a partir de residuos textiles para diseñar un diagrama de procesos a partir de ella, indicando los equipos principales, así como un balance de materia inicial y un breve análisis económico. El residuo textil empleado como materia prima de este proceso es la tela denim. xvii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1. Definición de los Objetivos de Desarrollo Sostenible descritos en la Agenda 2030 [1]. 1 Figura 2-1. Producción mundial de fibras químicas y textiles en millones de toneladas métricas 1975 – 2022 [15]. 8 Figura 2-2. Residuos textiles pre-consumo. 9 Figura 2-3. Residuo textil post-consumo. 9 Figura 2-4. El impacto medioambiental de los productos textiles en 2020 [17]. 10 Figura 2-5. Gestión actual de residuos textiles en España [14]. 11 Figura 3-1. Jerarquía de residuos. 13 Figura 3-2. Trapos de limpieza industrial a partir del reciclaje de diferentes prendas de ropa o textiles [24]. 14 Figura 3-3. Alfombra no tejida para protección en actividades de pintura. 15 Figura 3-4. Proceso de reciclado mecánico en ciclo abierto y cerrado [23]. 15 Figura 4-1. Posibles campos de valorización de los residuos textiles [26]. 19 Figura 5-1. Estructura porosa del carbón activo. 29 Figura 5-2. Carbón activo granulado (CAG). 31 Figura 5-3. Carbón activo en polvo (CAP). 31 Figura 5-4. Esquema del proceso de carbonización [34]. 32 Figura 6-1. Diagrama de bloques del proceso de obtención de fibra a partir de residuos textiles [43]. 36 Figura 6-2. Diagrama de bloques del proceso de obtención de carbón activo por activación química de dos agentes activantes diferentes [43]. 36 Figura 6-3. Residuo textil denim cortado. 36 Figura 6-4. Diagrama de flujo de procesos (PFD) de la producción de carbón activo (elaboración propia). 38 Figura 6-5. Microscopia SEM del residuo textil denim (a) y del carbón activo generado (b) [41]. 39 Figura 6-6. Curvas de análisis termogravimétrico del precursor (tela denim) y del agente activante [41]. 40 Figura 6-7. Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier del carbón activo y del residuo de tejido denim [41]. 41 Figura 6-8. Etapa de pretratamiento del precursor de carbón activo. 42 Figura 6-9. Etapa de activación química y pirólisis lenta. 44 Figura 6-10. Etapa de post tratamiento del carbón activo generado. 44 1 1 ALCANCE Y OBJETIVOS urante los últimos años los residuos textiles se han convertido en uno de los mayores problemas medioambientales al que se enfrenta la sociedad, dado que su heterogeneidad y gran generación hace que su gestión, tratamiento y posible valorización se convierta en un gran reto. El objetivo de este proyecto es describir y concienciar de la actual problemática ambiental del sector textil y los residuos que se generan en el mismo, además de estudiar los distintos tratamientos empleados para la gestión de dichos residuos y las diferentes posibilidades de valorización que presentan. El alcance de este proyecto comprende los siguientes puntos: • Una descripción del sector textil español y europeo, así como la creciente problemática ambiental que deriva de los productos textiles. • Un estudio de los diferentes tratamientos que se realizan para la correcta gestión de los residuos textiles. • Un análisis de las distintas rutas de valorización posibles tanto materiales como energéticas. En concreto se ha seleccionado la valorización material para la obtención de carbón activo a partir de desechos de tejidos. • De este proceso elegido se realizará un diseño preliminar donde se elaborará un diagrama de flujo de procesos junto con un balance de materia para determinar los caudales que componen la planta además de un análisis económico preliminar. Asimismo, este proyecto busca alinearse en la medida de lo posible con los Objetivos de Desarrollo Sostenibles (ODS) establecidos por la Unión Europea dentro del propósito de la Agenda 2030 (Figura 1-1). A continuación, se listan los ODS de aplicación en el presente trabajo [1]. Figura 1-1. Definición de los Objetivos de Desarrollo Sostenible descritos en la Agenda 2030 [1]. • ODS 6: Garantizar la disponibilidad de agua y su gestión sostenible y el saneamiento para todos. La fabricación de productos textiles origina grandes cantidades de aguas residuales, puesto que durante las diferentes etapas de producción se emplea agua en abundancia. Además, el tratamiento de los efluentes líquidos generados suele ser complejo, pues estas corrientes contienen compuestos no D Alcance y Objetivos 2 biodegradables y altamente contaminantes (como pueden ser los tintes y pigmentos). Esta propuesta de valorización contribuiría a una reducción del consumo de productos textiles y un menor consumo y mejor gestión del agua en estos procesos. • ODS 9: Construir infraestructuras resilientes, promover la industrialización sostenible y fomentar la innovación. La consecución de un modelo donde prime la innovación necesita disponer de un proceso industrializado sostenible y de calidad. Desde esta perspectiva, resulta interesante a nivel económico el proyecto a realizar, pues este supondría un ahorro de recursos y materias primas en diferentes procesos. • ODS 12: Garantizar modalidades de consumo y producción sostenibles. Para alcanzar la sostenibilidad ambiental, resulta de vital importancia realizar cambios sustanciales en los patrones de producción y consumo, tal y como persigue la economía circular. De esta forma, utilizar productos catalogados como residuos hace que se busquen alternativas a la deposición en vertedero y desarrollen nuevas vías que acaben con su condición actual de residuo. • ODS 13: Adoptar medidas urgentes para combatir el cambio climático y sus efectos. El sector textil es el segundo sector más contaminante mundialmente, siendo responsable del 10 % de las emisiones de CO2 totales [2]. Por tanto, mejorar la gestión de los residuos generados y aprovechar la mayor parte posible mediante procesos de transformación en productos de mayor valor implica un beneficio no solo ambiental sino además económico, en línea con la Estrategia Española de Economía Circular (EEEC). • ODS 14: Conservar y utilizar sosteniblemente los océanos, los mares y los recursos marinos. Los tintes y químicos empleados en los productos textiles son responsables de contaminación marítima debido a los microplásticos que se liberan. Con esta valorización, se conseguiría reducir la fracción de residuos textiles que acaban en los mares y con eso, la polución asociada a ellos. • ODS 15: Gestionar sosteniblemente los bosques, luchar contra la desertificación, detener e invertir la degradación de las tierras, detener la pérdida de biodiversidad. La industria textil es uno de los responsables de la tala indiscriminada de bosques (que a menudo están formados por árboles antiguos y con una gran biodiversidad) con el objetivo de obtener celulosa para poder fabricar diferentes tejidos. Por ende, el surgimiento de nuevos proyectos en los que se aprovechen los residuos textiles como materia prima de otros procesos contribuiría a luchar en contra de este problema medioambiental. 3 2 INTRODUCCIÓN revio a la descripción de los posibles tratamientos y valorizaciones de los residuos textiles se realiza una introducción del sector textil español donde se describen los desechos e impactos medioambientales que se generan, así como el marco normativo europeo y nacional vinculado a ellos. 2.1 Productos y fibras textiles Se conoce como productos textiles todos aquellos que, en bruto, semielaborados, elaborados, semimanufacturados, manufacturados, semiconfeccionados o confeccionados, estén compuesto, exclusivamente por fibras textiles, cualquiera que sea el proceso seguido para su mezcla y obtención. Asimismo, se consideran productos textiles los que se listan a continuación [3]: - Productos cuyo peso esté constituido al menos en un 80% por fibras textiles. - Recubrimientos de muebles, paraguas y parasoles y las partes textiles de los revestimientos de suelos, paredes, colchones y artículos de camping, así como los forros de abrigo para calzado y guantería que contengan como mínimo un 80% de su peso de materia textil. - Productos textiles incorporados a otros productos, cuando se especifique la composición de estos. Nótese que la composición del textil es un importante factor a tener en cuenta, puesto que esta influirá en las características finales del producto (tales como elasticidad, impermeabilidad, durabilidad) y en su tratamiento como residuo (dependiendo, por ejemplo, de su biodegradabilidad) [4]. Las fibras textiles se pueden clasificar en diferentes categorías. Según su origen, se distinguen fibras naturales o sintéticas, y a su vez, las fibras naturales se pueden diferenciar entre animales o vegetales [4, 5]. • Fibras naturales. Aquellas que tienen como origen la naturaleza. Además de las fibras animales o vegetales, hay fibras minerales, como es el caso del amianto. o Fibras vegetales. Obtenidas de vellosidades de semillas, tallos u hojas de la planta. Ejemplos: algodón, lino. o Fibras animales. Obtenidas de pelo y secreciones de diferentes animales. Ejemplo: seda, lana. • Fibras sintéticas. Aquellas que se producen a partir de derivados del petróleo, a partir de procesos de polimerización. Se consigue producir fibras muy versátiles, las cuales cuentan con características específicas (impermeabilidad, transpirabilidad, termorregulación). Ejemplos: nylon, poliéster, etc. 2.2 Contexto normativo Para conocer cómo proceder correctamente con la gestión de los residuos textiles es de gran importancia tener en cuenta la normativa de aplicación referente a ellos. Por tanto, a continuación, se describe dicha normativa, así como los objetivos marcados en cada caso. 2.2.1 Normativa europea 2.2.1.1 Directiva (UE) 2018/851, de 30 de mayo de 2018 sobre residuos. La Directiva UE 2018/851 surge como una modificación a la anterior Directiva sobre residuos (Directiva P Introducción 4 2008/98/CE). En este documento se recogen las siguientes consideraciones respecto a los residuos textiles [6]: • En primer lugar, los textiles entran dentro de la categoría de materiales por los cuales “deben conferirse competencias de ejecución a la Comisión a fin de establecer criterios detallados para aplicar el fin de la condición de residuo”, junto con los áridos, papel y neumáticos. • En el artículo 3, se incluye la definición de “Residuos Municipales” en los que se engloban los residuos textiles: 3) El artículo 3 se modifica como sigue: a) se insertan los puntos siguientes: 2 ter. “residuos municipales”: a) los residuos mezclados y los residuos recogidos de forma separada de origen doméstico, incluidos papel y cartón, vidrio, metales, plásticos, biorresiduos, madera, textiles, envases, residuos de aparatos eléctricos y electrónicos, residuos de pilas y acumuladores, y residuos voluminosos, incluidos los colchones y los muebles, • Posteriormente, en el artículo 9 correspondiente a la prevención de residuos se menciona expresamente el flujo de residuos textiles: «Los Estados miembros adoptarán medidas para prevenir la generación de residuos. Como mínimo, estas medidas: (…) d) fomentarán la reutilización de los productos y la implantación de sistemas que promuevan actividades de reparación y reutilización, en particular respecto a los aparatos eléctricos y electrónicos, textiles y muebles, así como envases y materiales y productos de construcción.» • Por último, se vuelve a mencionar a los textiles en la modificación del artículo 11 relativo a la preparación para la reutilización y el reciclado: «1. Los Estados miembros adoptarán medidas para promover las actividades de preparación para la reutilización, en particular fomentando el establecimiento de redes de preparación para la reutilización y de reparación y el apoyo a tales redes, facilitando, cuando ello sea compatible con la correcta gestión de los residuos, su acceso a residuos mantenidos en sistemas o instalaciones de recogida que puedan ser preparados para la reutilización pero que no estén destinados a ser preparados para la reutilización por esos sistemas o instalaciones, así como promoviendo la utilización de instrumentos económicos, criterios de adjudicación, objetivos cuantitativos u otras medidas. Siempre que se cumpla lo dispuesto en el artículo 10, apartados 2 y 3, los Estados miembros adoptarán medidas para promover el reciclado de alta calidad y, a tal efecto, establecerán la recogida separada de residuos. Siempre que se cumpla lo dispuesto en el artículo 10, apartados 2 y 3, los Estados miembros establecerán una recogida separada, al menos, para el papel, los metales, el plástico y el vidrio, y, a más tardar el 1 de enero de 2025, para los textiles.» Con esta modificación, los residuos textiles pasan a ser considerados como residuos municipales mientras que previamente eran solo mencionados respecto al fin de su condición de residuo. De esta forma, se les concede especial atención tanto en la prevención como en la preparación para la reutilización. Por otra parte, en el punto 29, se urge a los Estados miembros a facilitar la prolongación de la vida útil de los productos de consumo y a promover las redes de reutilización y reparación dirigidas por las entidades de la Tratamiento y valorización material de residuos textiles. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos. 5 Economía Social. 2.2.1.2 Plan de Acción para la Economía Circular. En diciembre de 2019, la Unión Europea creó el Pacto Verde Europeo, donde se establece una hoja de ruta para tratar de alcanzar una economía circular climáticamente neutra mediante el desarrollo sostenible en los países de la UE. Dentro de este Pacto se enmarca un nuevo Plan de Acción para la Economía Circular, aprobado en marzo de 2020, en el que se establecen claves para conseguir el objetivo propuesto [7]. Dicho Plan de Acción promueve la implantación de nuevos modelos de negocio que estimulen la clasificación, reutilización y el reciclado de productos textiles. Además, pretende concienciar acerca de la necesidad de realizar desde un principio un diseño ecológico que alargue la vida de los productos textiles [7]. 2.2.2 Normativa estatal 2.2.2.1 Ley 22/2011, de 28 de julio de residuos y suelos contaminados La Ley 22/2011, de 28 de julio, de residuos y suelos contaminados incorpora los correspondientes objetivos fijados en el artículo 11 de la Directiva 2008/98/CE. Esta Directiva ha sido revisada por la Directiva (UE) 2018/851 en lo que respecta a los objetivos de preparación para la reutilización y reciclado de residuos municipales, así como en la incorporación de la obligatoriedad de la recogida separada de residuos textiles y, por lo tanto, su transposición a nivel español está en proceso de tramitación a través del Borrador de anteproyecto de ley de residuos y suelos contaminados (publicado el 02-06-2020). El anteproyecto de ley incluye los residuos textiles dentro de los residuos municipales y dispone como aspectos clave en este ámbito [8]: • Medidas de prevención incluyendo la fracción textil: «Artículo 17. Objetivos de la prevención de residuos. 3. A partir de 2021, queda prohibida la destrucción de excedentes no vendidos de productos no perecederos tales como textiles, juguetes, aparatos eléctricos, entre otros, salvo que dichos productos deban destruirse conforme a otra normativa.» «Artículo 18. Medidas de prevención. d) Fomentar la reutilización de los productos y la implantación de sistemas que promuevan actividades de reparación y reutilización y en particular para los aparatos eléctricos y electrónicos, textiles y muebles, envases y materiales y productos de construcción.» • Implantación obligatoria de la recogida separada del textil antes del 31 de diciembre de 2024: «Artículo 25. Recogida separada de residuos para su valorización. 1. […] Se prohíbe la incineración, con y sin valorización energética, y el depósito en vertedero de los residuos recogidos de forma separada para su preparación para la reutilización y para su reciclado, de conformidad con el artículo 24, a excepción de los residuos generados en las operaciones de preparación para la reutilización y de reciclado de estos residuos recogidos de forma separada, que podrán destinarse a incineración o depósito en vertedero, si estos destinos ofrecen el mejor resultado medioambiental, de conformidad con el artículo 8. 2. Para facilitar el reciclado de alta calidad, de conformidad con el artículo 24.3, las entidades locales deberán establecer la recogida separada de, al menos, las siguientes fracciones de residuos de competencia local: c) los residuos textiles antes del 31 de diciembre de 2024.» Introducción 6 • Definición de objetivos de preparación para la reutilización, reciclaje y valorización que incluyen la fracción textil: «Artículo 26. Objetivos de preparación para la reutilización, reciclado y valorización. a) Para 2020, la cantidad de residuos domésticos y comerciales destinados a la preparación para la reutilización y el reciclado para las fracciones de papel, metales, vidrio, plástico, biorresiduos u otras fracciones reciclables deberá alcanzar, en conjunto, como mínimo el 50% en peso; al menos un 2% corresponderá a la preparación para la reutilización, fundamentalmente de residuos textiles, residuos de aparatos eléctricos y electrónicos, muebles y otros residuos susceptibles de ser preparados para su reutilización. c) Para 2025, se aumentará la preparación para la reutilización y el reciclado de residuos municipales hasta un mínimo del 55% en peso; al menos un 5% corresponderá a la preparación para la reutilización, fundamentalmente de residuos textiles, residuos de aparatos eléctricos y electrónicos, muebles y otros residuos susceptibles de ser preparados para su reutilización. d) Para 2030, se aumentará la preparación para la reutilización y el reciclado de residuos municipales hasta un mínimo del 60% en peso; al menos un 10% corresponderá a la preparación para la reutilización, fundamentalmente de residuos textiles, residuos de aparatos eléctricos y electrónicos, muebles y otros residuos susceptibles de ser preparados para su reutilización. e) Para 2035, se aumentará la preparación para la reutilización y el reciclado de residuos municipales hasta un mínimo del 65% en peso; al menos un 15% corresponderá a la preparación para la reutilización, fundamentalmente de residuos textiles, residuos de aparatos eléctricos y electrónicos, muebles y otros residuos susceptibles de ser preparados para su reutilización.» • Implementación de la responsabilidad ampliada del productor en el sector textil: «Disposición final cuarta. Residuos textiles y plásticos de uso agrario. Reglamentariamente, en el plazo máximo de 5 años desde la entrada en vigor de esta ley, se desarrollarán regímenes de responsabilidad ampliada del productor para los textiles y los plásticos de uso agrario no envases en aplicación de los artículos 37 y 38. En el Anexo VI del anteproyecto de Ley, como ejemplo de medida de prevención de residuos se cita «La promoción de la reutilización de productos o preparación para la reutilización de productos desechados, especialmente mediante medidas educativas, económicas, logísticas o de otro tipo, como el apoyo a los centros y redes autorizados de recogida y reutilización, así como la promoción de su creación, especialmente en las regiones con elevada densidad de población o donde no existieran tales centros y redes. Se prestará especial atención a la promoción de las entidades de la economía social para la gestión de los centros.» 2.2.2.2 Plan Estatal Marco de Gestión de Residuos (PEMAR) 2023-2035 El Plan Estatal Marco de Gestión de Residuos es la herramienta para orientar la futura política de residuos en España que impulse las medidas necesarias para mejorar las deficiencias detectadas y promueva las actuaciones que proporcionan un mejor resultado ambiental y que garantice el cumplimiento con los objetivos legales. En cuanto a la reutilización y el reciclado, se establecen los siguientes objetivos [9]: - “Alcanzar a la mayor brevedad el objetivo del 50% de preparación para la reutilización y reciclado de los residuos domésticos y similares, vigente desde 2020.” - “Alcanzar el 55% de preparación para la reutilización y el reciclado en 2025, el 60% en 2030 y el 65% en 2035. De ellos, el 5%, 10% y 15%, respectivamente, corresponderá a la preparación para la reutilización, fundamentalmente de residuos textiles, RAEE, muebles y otros residuos susceptibles de Tratamiento y valorización material de residuos textiles. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos. 7 ser preparados para su reutilización.” En concreto, los residuos textiles reciben especial atención en este PEMAR, pues se especifica que se debe promover y reforzar la red de recogida, bien municipal o mediante acuerdos con las entidades de economía social y con otras entidades autorizadas, siendo obligatoria a partir de 2025. Según se recoge en el PEMAR 2016-2022, en el año 2012, 983.384 toneladas de residuos textiles fueron a parar a la fracción resto. 2.3 Sector textil El sector textil es aquel referido a la producción de hilos, textiles y telas, que además incluye otras actividades sobre productos textiles, como su destinación a filtrado industrial o su aplicación final como vestimenta [10]. Por otra parte, la industria de la ropa es aquella que se refiere a la producción especifica de la indumentaria y la industria de la moda puede incluir accesorios más allá de la ropa, como zapatos o joyería. Históricamente, el sector textil ha tenido gran importancia en la industria y la economía española. En 2022, este alcanzó los 6.651 millones de euros, suponiendo un 10% de crecimiento con respecto al año anterior y representa un 2,7% del PIB. En cuanto a importaciones y exportaciones ambas han experimentado un aumento [11]: • Lo más importado ha sido el textil (27,7%), seguido del tejido (24,2%) y el tejido de uso técnico, como los artículos sanitarios, (18,9%). Entre los principales proveedores se encuentran Marruecos, luego Francia, Italia y Portugal. • Lo más exportado ha sido el tejido (34,1%) y el textil de uso técnico (24,1%), siendo los principales compradores China, Turquía, Italia y Pakistán. En cuanto a producción de prendas textiles, en 2019 se alcanzó un máximo histórico en su producción, llegando a 111 millones de toneladas, y las ventas internacionales se elevaron hasta los 25.911 millones de euros. Los compradores de moda pasaron de 10,6 millones en 2020 a cerca de 13,2 millones en 2021, experimentando el mayor crecimiento en el número de compradores de ropa, calzado, accesorios y textiles para el hogar registrado en los últimos años en el país ibérico [12, 13]. Esta tendencia a generar mayores volúmenes de producción se puede apreciar en el siguiente gráfico (Figura 2-1) y se espera que para 2030 continue de este modo. A nivel mundial, se estima que en 2030 el consumo de prendas se incremente un 63% respecto al consumo de 2015 [14]. Tratamientos de residuos textiles 14 en tiendas de segunda mano nacionales mientras que entre un 30 – 40 % son prendas de segunda calidad que se distribuyen en países en vías de desarrollo [12]. 3.2 Reciclado de los residuos textiles Si, por el contrario, el residuo textil (prenda) no es adecuada para reutilizarse, se le aplica un proceso de reciclado (que puede ser mecánico o químico). Este tiene como objetivo extraer las fibras textiles del residuo para poder emplearlas en otras aplicaciones y así se consigue evitar la emisión de 3,2 kg de CO2 a la atmósfera por cada kg de residuo textil reciclado [14]. No obstante, sigue quedando una fracción, en torno al 10% (conocida como basura textil), que se destina a vertedero o incineración al no poder reciclarse [14]. 3.2.1 Reciclado mecánico Actualmente es el tipo de reciclado más usado y uno de los métodos más sencillos. En el proceso de reciclado mecánico se eliminan los impropios y se separan los componentes que forman la prenda mediante la trituración y el desfibrado de los tejidos que constituyen las prendas de vestir, dando como resultado fibras cortas que pueden combinar con fibras vírgenes para volver a obtener hilados [14, 21]. Por otro lado, los residuos textiles que se reciclan mecánicamente suelen ser los pre-consumo, puesto que los residuos post-consumo, al estar compuestos de una amplia variedad de fibras cada prenda, disponen de pocas opciones de que este tratamiento mecánico sea eficaz. Por ejemplo, si se le aplica un proceso de trituración a estos residuos se obtendrían como resultado fibras cortas de menor calidad y resistencia que las fibras de algodón virgen [23]. Las fibras resultantes del reciclado mecánico se pueden transformar en una amplia gama de productos. Pueden ser empleadas como materia prima para productos de relleno, telas no tejidas y fibras de desecho para hilos reciclados [23]. A continuación, se listan algunos de los productos que se pueden obtener: • Trapos de limpieza industrial (Figura 3-2). • Acolchados y rellenos para automóviles. • Aislamiento acústico y térmico. • Alfombras no tejidas (Figura 3-3) que pueden ser usadas para protección en tareas de pintura, obras, etc. Figura 3-2. Trapos de limpieza industrial a partir del reciclaje de diferentes prendas de ropa o textiles [24]. Tratamiento y valorización material de residuos textiles. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos. 15 Figura 3-3. Alfombra no tejida para protección en actividades de pintura. Además, dentro de los procesos de reciclado mecánico se puede distinguir entre ciclo cerrado y abierto, como se muestra en la Figura 3-4. El ciclo cerrado hace referencia a métodos de reciclado donde el material obtenido es idéntico al residuo textil a reciclar, de forma que estos residuos vuelven a entrar en la cadena de producción. Por ejemplo, en el caso del reciclado de fibras de lana, aplicando técnicas tradicionales se pueden fabricar hilos que a su vez pueden dar lugar a productos con un valor muy alto [23]. Por el contrario, el ciclo abierto hace referencia a procesos a través de los cuales los residuos textiles se transforman en fibras, que pueden ser empleadas como materia prima para obtención de nuevos materiales. Los materiales no tejidos suelen producirse de estas fibras mediante el granulado, el cardado o el tendido al aire de bandas, que luego se unen mecánica, térmica o químicamente [23]. Figura 3-4. Proceso de reciclado mecánico en ciclo abierto y cerrado [23]. 3.2.2 Reciclaje químico El reciclado químico toma este nombre al tratarse de métodos de reciclaje donde se involucra sustancias químicas para degradar el residuo textil, produciendo moléculas de polímeros de menor tamaño (consigue reducir los textiles a sus componentes básicos para que puedan volver a hilarse en nuevas fibras, hilaturas y textiles [14]). Tratamientos de residuos textiles 16 Se suele aplicar para residuos post-consumo (dado que contienen una mezcla de fibras) y en casos donde el reciclado mecánico no resulte eficaz. Por ejemplo, se lleva a cabo cuando los residuos a reciclar son de baja calidad, y aplicarles un proceso de reciclado mecánico para conseguir fabricar productos de alto valor resulta complejo [25]. Dentro de este reciclaje se engloban diversos tratamientos, desde disolución de celulosa para obtener fibra de viscosa u otros productos hasta la despolimerización de poliéster a un monómero polimerizable para luego realizar una hilatura o producir piezas rígidas de poliéster y el uso de técnicas de biorrefinería para obtener diversos productos químicos (como alcoholes) [25]. En la Tabla 3-1 se recogen algunos procesos de reciclado químico. Tabla 3-1. Procesos de reciclado químico a escala industrial [23]. Empresa Material para reciclar Método de reciclaje Ambercycle Textil Tratamiento enzimático BlockTexx Algodón y poliéster (PET) Tecnología de separación de fibras FENC Infinited Fiber poliéster (PET) y textil Hidrólisis Celulosa y poliéster (PET) Extracción alcalina Ioncell Algodón y poliéster (PET) Disolución polimérica con líquido iónico como disolvente Lenzing Algodón de pre-consumo y prendas post-consumo Ciclos cerrados y recuperación química Tyton BioSciences Pulpa de algodón, poliéster (PET) y mezclas de polialgodón Tratamiento con agua subcrítica Worn Again Technologies Algodón y poliéster (PET) Disolución polimérica y separación del disolvente La tecnología que está más avanzada es el reciclado del poliéster, mientras que otras se encuentran en fase de desarrollo, como puede ser el reciclado de fibras de lana, ya que los procesos químicos necesarios para separar las distintas partes presentan mayor complejidad (suelen usar solventes peligrosos y los tintes deben ser retirados [23]). Además, llevan asociado un mayor coste por los disolventes y productos químicos que se utilizan y un posible impacto medioambiental [14, 25]. Otro ejemplo de reciclado químico muy conocido es la conversión de fibras de algodón a viscosa mediante un proceso de despolimerización, donde se obtiene una pulpa que es posteriormente transformada en viscosa [23]. No obstante, este reciclado tiene un gran potencial puesto que es capaz de tratar parte de los residuos textiles que el reciclado mecánico no consigue procesar. Tratamiento y valorización material de residuos textiles. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos. 17 3.3 Depósito en vertederos Como fin de etapa del ciclo de vida de un producto textil y como último tratamiento posible se tiene el depósito en vertederos. Años atrás, antes de que se estableciesen leyes referentes al tratamiento y cuando no se tenía tan presente el concepto de economía circular, era la opción que más se empleaba para la gestión de estos residuos. Sin embargo, esta opción sólo presenta inconvenientes, dado que no consigue recuperar nada del residuo y además tiene asociada una serie de problemas medioambientales y de salud humana. Además, gracias a la economía circular y las leyes actuales referidas a la gestión y el tratamiento de estos residuos, se está reduciendo la fracción que termina en vertederos. Tratamientos de residuos textiles 18 19 4 VALORIZACIÓN DE RESIDUOS TEXTILES demás de los tratamientos previamente descritos, se puede realizar múltiples valorizaciones de residuos textiles, tanto materiales como energéticas, obteniendo productos que se pueden aplicar en diversos sectores. Cabe destacar que al igual que en el tratamiento de residuos textiles, la valorización de las aguas residuales generadas durante el proceso de producción de las prendas queda fuera del alcance de este proyecto, aunque estas presentan un gran potencial. Las técnicas de valorización se pueden aplicar tanto a residuos pre-consumo como a post-consumo. Los residuos pre-consumo pueden ser recuperados de forma sencilla, dando lugar a fibras de alta calidad que pueden ser utilizadas en aplicaciones de automovilística y de aislamiento térmico y acústico (como telas no tejidas) entre otras. En la Figura 4-1, se muestran algunos campos en los que se puede aplicar esta valorización. Por otro lado, como la valorización de los residuos post-consumo suele ser más compleja las tecnologías que se presentan en los próximos apartados se centrarán en este tipo de residuos. Figura 4-1. Posibles campos de valorización de los residuos textiles [26]. 4.1 Valorización material Se entiende por valorización material a la obtención de nuevos productos a partir de residuos, en este caso residuos textiles. Se tiene una amplia variedad de procesos que tienen aplicación en numerosos sectores de la industria. A continuación, se describen algunas valorizaciones materiales de residuos textiles y a modo resumen se listan algunos ejemplos de aplicación en la Tabla 4-1. A Valorización de residuos textiles 20 Tabla 4-1. Industrias que emplean residuos textiles como alimentación y sus aplicaciones [2]. Industria Aplicación Textil Residuos de hilatura, hilos mezclados o hilos 100% de desecho para la hilatura al proceso DREF o de hilatura a rotores (paños de limpieza, mantas y artículos de menaje), edredones de desecho de géneros de punto acrílicos. Construcción Telas de aislamiento acústico y térmico, productos filtrantes, sustratos de revestimiento no tejidos y aislamiento acústico de pisadas. Utilización de fragmentos textiles como relleno en redes aislantes y como componente esencial del hormigón textil en la construcción de carreteras. No tejidos Para la industria automovilística: bandas aislantes para aislamiento acústico y térmico, piezas prensadas para suelos, revestimientos laterales y de asientos, maletero, fieltros de fondo para moquetas, telas de punto no tejidas Muebles Fundas y telas de colchón, telas inferiores para asientos de muebles, material de tapicería, material de guata. Trapos de limpieza. Tejido entramado. Alfombras Fieltros de fondo para moquetas. Agricultura Redes de cobertura o redes para transportar semillas. Papel Fieltros de la máquina de papel. Fieltros en brutos para cubiertas bituminosas. 4.1.1 Productos no tejidos. Un ejemplo sencillo de valorización material de residuos textiles post-consumo sería convertirlos en textiles no tejidos. Esta conversión se realiza en varias etapas: primero, se produce el corte y la trituración del residuo textil (en una máquina trituradora textil, “textile shredder”), luego se le aplica un proceso de punción para fortalecer la estructura y, por último, un proceso de cardado de fibras trituradas limpias y clasificadas [26]. Como resultado de esta valorización, se pueden fabricar productos de un solo uso, tales como toallitas higiénicas, compresas y pañales [26]. Además, al estar compuestos de fibras densas y porosas, los productos no tejidos son ideales para aplicaciones de aislamiento térmico y acústico. Para producir este tipo de estructura se comienza con la transformación de las fibras sueltas en diferentes redes con distinta densidad de área. Cuando se forma la red, se debe realizar una conexión entre las fibras, para así incrementar la resistencia y la estabilidad del material. Se dispone de tres tipos de procesos de unión: químico (empleando agentes químicos), térmico (“airlaid”) y mecánico (perforación con aguja) [2]. Los productos obtenidos presentan unas propiedades térmicas, acústicas y mecánicas adecuadas para ser aplicadas en automoción, construcción o agricultura como aislantes térmicos y acústicos (los cuales presentan conductividades térmicas comparables con los aislantes convencionales). Para estas aplicaciones se puede Tratamiento y valorización material de residuos textiles. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos. 21 partir de fibras de poliéster, lino, algodón reciclado, tela acrílica, lana [2, 26]. Otro posible residuo del que producir materiales no tejidos es el orillo. El orillo es el remate natural de un tejido de punto. Aplicando agentes químicos a orillos de poliéster o algodón, se consiguen fabricar diversos productos no tejidos cuyas propiedades térmicas y acústicas son idénticas a la de los materiales convencionales y, por tanto, adecuadas para producir materiales aislantes [26]. Los productos no tejidos tienen aplicaciones como geotextil dentro de la agricultura. Por ejemplo, a partir de prendas de punto de poliacrilonitrilo y poliéster, se pueden fabricar materiales que reemplacen los plásticos para invernaderos, cuyo grosor puede combinar la retención de la humedad del suelo con buenas propiedades de calentamiento del suelo [2]. 4.1.2 Materiales compuestos (Composites) Los composites reforzados con fibras naturales han ido ganando interés debido a que presentan mejores características en cuanto a peso y durabilidad frente a su bajo coste. Como posible residuo a valorizar se tiene el cáñamo, lino o yute y los productos pueden utilizarse como material de embalaje [26]. Los residuos textiles pueden producir composites aplicándose calor y presión. Para ello, se pueden aplicar varias mezclas y capas de fibras, empleando polímeros como agente aglutinante (“binder”). Se tienen diferentes procesos [2]: • Moldeo por compresión. Técnica muy simple para procesar materiales composite poliméricos. Consiste en prensar/comprimir una carga de material deformable entre dos mitades de un molde calentado y su posterior transformación en una pieza moldeada, una vez enfriada. Su atractivo reside en la simpleza de su automatización y que consigue producir geometrías muy complejas sin generar residuos. • Proceso de infusión al vacío. Se trata de una técnica que utiliza presiones a vacío para introducir resinas en un laminado. Se somete el residuo a vacío para poder emplear la fuerza de este para retirar aire del material de refuerzo, haciendo que la resina pueda infiltrarse mejor. Primero, el molde se recubre con gel y el material se coloca bajo el molde y se cubre con una película antiadherente perforada. Se aplica vacío para compactar el material, sin aplicar resina. Este método es ventajoso porque las propiedades mecánicas de los compuestos son superiores. • Termorreformado. Emplea calor y presión para transformar un molde plano en una forma tridimensional deseada. El proceso consiste en calentar una lámina (monomaterial, coextrusión o laminado) de grosor uniforme, que se estira sobre un molde para darle una forma rígida o semirrígida. La desventaja de este método es el desperdicio de material, que debe recortarse una vez moldeado el artículo. Una posible aplicación de los composites sería como aislante térmico y acústico. Un estudio realizó ensayos con una estructura 50% residuo de fibra de lana y 50% fibras de poliéster reciclado, obteniendo como resultado un 70% más de absorbancia y mejor resistencia a la humedad [26]. A continuación, se listan en la Tabla 4-2 posibles aplicaciones de composites obtenidos por valorización material. Valorización de residuos textiles 22 Tabla 4-2. Posibles valorizaciones y aplicaciones de composites obtenidos de residuos textiles [27]. Material para reciclar Método de reciclaje Condiciones producto Aplicaciones Fibra de cuero Prensado en caliente 150 °C Composites Aditivos de refuerzo Partículas de algodón Mezcla Extrusión 160 – 190 °C Composites Refuerzo de plástico Seda, algodón, fibra Extrusión de doble husillo 85 – 190 °C Composites Refuerzo de fibra Residuo de tejido de polipropileno Moldeo por compresión 185°C Composites Materiales para suelos y paredes Residuo de tejido de algodón Catálisis Catalizador: HSO4 Composites de celulosa Recubrimiento de láminas y aglutinantes Residuo de tejido de algodón Mezcla fundida 210°C Composites de poliuretano termoplástico Relleno funcional Fibra de cuero Prensado en caliente 70 – 80 °C Composites flexible Sustitutos del cuero Camisa de algodón Extrusión de masa fundida 170 °C Algodón nanofibrilado Agente de refuerzo Poliéster Poliuretano Tecnología de termoformado 190 °C Composite para construcción Paneles de aislamiento térmico 4.1.3 Materiales de embalaje A través de procesos de valorización se puede producir películas (film) para embalaje. A continuación, se listan algunos posibles residuos textiles a valorizar, así como el método que se les aplica [26]: - Residuos textiles lignocelulósicos: mediante un método de moldeado usando un líquido iónico. - Residuos de yute: se trocean en pequeñas piezas, luego en fibras que se disuelven en un solvente líquido iónico y finalmente se obtiene una película mediante el método casting usando un líquido iónico. - Residuo de algodón: se producen nanocristales a través de una hidrolisis ácida y el método de oxidación en 3 etapas. Además, se obtiene films de nanocomposite que presentan las propiedades idóneas para aplicaciones de empaquetado de comida. Otra forma de valorizar residuos textiles puede ser como papel de embalar a partir de residuos de algodón o telas viejas [26]. Tratamiento y valorización material de residuos textiles. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos. 23 4.1.4 Materiales de construcción Varios investigadores han estudiado la posibilidad de incluir una fracción de residuos textiles (concretamente las fibras textiles) en materiales de construcción. Un ejemplo de aplicación sería como composites reforzados con estas fibras moldeadas por compresión para obtener paneles de recubrimiento de paredes. A estos productos se le realizaron los ensayos correspondientes para probar la compatibilidad de los residuos como mezclas de composites. Entre ellos se destacan los siguientes [26]: • Resistencia al fuego. • Resistencia mecánica. • Dureza superficial. • Características microestructurales. Como posibles mezclas se pueden emplear fibras como algodón, acrílico, nylon, poliéster, lana, elastano y polipropileno [26]. Otra aplicación sería aditivar una fracción de fibras de residuo textil a matrices de cemento para obtener bloques que puedan emplearse en la construcción. Un estudio aditivó residuos de algodón y papel al cemento, dando como resultado bloques cuya resistencia a la compresión es mayor que la que presentan los bloques de arcilla [2]. Además, aplicando un proceso de triturado a fibras acrílicas se puede producir un aislante térmico para construcción. 4.1.5 Obtención de carbón activo El carbón activo es un adsorbente ampliamente utilizado dentro de la industria química para el tratamiento de efluentes líquidos y gaseosos puesto que elimina compuestos indeseados de dichas corrientes. Se ha conseguido valorizar diversos residuos textiles para producir carbón activo, entre los que se destacan los residuos de tela denim, fibras acrílicas, lino, cáñamo, algodón y poliéster [27]. Esta aplicación resulta de interés dado que con este producto se podría tratar las aguas residuales generadas en la propia producción de la prenda, favoreciendo el modelo de economía circular. En la Tabla 4-3 se recogen algunas de las tecnologías aplicadas para producir carbón activo a partir de diferentes residuos textiles. Carbón activo 30 5.2 Propiedades Las principales propiedades que hacen de este compuesto un producto tan valorado en distintos sectores de la industria son la elevada capacidad de eliminación de ciertas sustancias mediante adsorción y la baja selectividad de retención [33]. No obstante, otras propiedades importantes a tener en cuenta son el carácter hidrófobo de la molécula y su naturaleza anfótera. • Elevada capacidad de eliminación [33]: posee elevada superficie específica gracias a su gran concentración de microporos y además la presencia de mesoporos y macroporos hace que se puedan retener partículas de mayor tamaño, favoreciendo el acceso y la rápida difusión por la superficie interna del sólido. • Baja selectividad de retención [33]: debido a las fuerzas implicadas en el proceso de adsorción, el carbón activo retiene preferentemente a moléculas apolares y de alto volumen molecular. • Carácter hidrófobo: se tiene carácter hidrófobo cuando un compuesto muestra repulsión por el agua. Esta característica resulta de interés para aplicaciones de eliminación de compuestos tóxicos en tratamiento de aguas, puesto que al ser hidrófobo el agua no tiene atracción por el carbón activo mientras que el contaminante sí. • Naturaleza anfótera: un compuesto anfótero es aquel que puede actuar tanto de ácido como de base y dependiendo de la concentración de los grupos funcionales presentes en él, se decantará por un carácter u otro. Si el carbón activo tiene una carga neta negativa, siendo por tanto un ácido, los cationes serán más afines a adsorberse mientras que si la carga neta es positiva, se comportará como base y los compuesto más propensos a adsorberse serán los aniones. Asimismo, en la Tabla 5-1 se recogen los valores de algunos parámetros de interés del carbón activo. Tabla 5-1. Características de interés del carbón activo [34]. Propiedad Valor Unidades Área superficial 500 – 1200 m2/g Contenido de cenizas totales 3 – 15 % b.s. Densidad aparente 0,26 – 0,65 g/cm3 Dureza [35] 90 – 98 % (ASTM 3802) Número de yodo 500 – 1200 mg/g de carbón Radio medio de poro 0,7 – 500,0 mm Tamaño efectivo de partícula 0,4 – 3,3 mm Volumen total de poro [36] >0,2 ml/g Otras características a tener en cuenta para obtener resultados favorables son la resistencia a la abrasión, la resistencia térmica y el diámetro de los poros. Cuando se tiene altas resistencias térmicas y a la abrasión junto con poros de tamaño pequeño, se consigue incrementar su superficie específica y en consecuencia su capacidad de adsorción [37]. Tratamiento y valorización material de residuos textiles. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos. 31 5.3 Tipos de carbón activo El carbón activo obtenido, independientemente del precursor y del método de activación utilizado, se puede clasificar en dos tipos: carbón activo granulado (CAG) o carbón activo en polvo (CAP). La principal diferencia entre ellos es el tamaño de partículas. • Carbón activo granulado (CAG) [32]. Se tiene un producto compuesto por formas irregulares carbón activo (Figura 5-2) cuyo tamaño de grano típico está entre 1 y 5 mm. Su manipulación es mucho más sencilla que en el caso del CAP y son más adecuados para el tratamiento de gases y vapores. Figura 5-2. Carbón activo granulado (CAG). • Carbón activo en polvo (CAP) [32]. Presentan unos tamaños de partícula muchos menores que el tipo anterior, siendo menos de 100 µm (entre 15 y 25 µm). Se producen mediante molienda y tamizado de carbón activo, dando como resultado un polvo, como se muestra en la Figura 5-3. Gracias a su reducido tamaño tienen una elevada relación superficie/volumen haciendo que sus propiedades de adsorción se ven incrementadas respecto al CAG. No obstante, no se pueden usar en columnas de adsorción y si se emplea en tratamiento de aguas residuales son más difíciles de eliminar de las corrientes tratadas. Figura 5-3. Carbón activo en polvo (CAP). 5.4 Producción convencional La producción del carbón activo puede llevarse a cabo a partir de diferentes precursores, siendo los siguientes los más utilizados a nivel comercial: • Carbones minerales: o Antracita o Carbón bituminoso o Lignito o Turba Carbón activo 32 • Carbones vegetales: o Madera (por ejemplo pino o acacia) y residuos de madera o Cáscaras de coco o Bagazo o Huesos de fruta No obstante, aunque se tiene una gran variedad de posibles precursores para la producción de carbón activo, hay una serie de limitaciones. Por ejemplo, no son aptos los materiales carbonosos que pasen por un estado fluido o pseudo-fluido durante su carbonización, es decir, que los carbonos coquizables no son apropiados para el proceso salvo que se eliminen sus propiedades coquizantes mediante una oxidación previa, igual que tampoco resultan idóneos los residuos termoplásticos [34]. Asimismo, el precursor elegido debe cumplir con una serie de requerimientos: ser abundante o tener buena disponibilidad, tener un coste bajo, ser seguro químicamente y dar lugar a un producto con una amplia gama de posibles aplicaciones [37]. A continuación, se describen las distintas etapas que componen el proceso de obtención de carbón activo: preparación de la materia prima, carbonización y activación. 5.4.1 Preparación de la materia prima En primer lugar, la materia prima empleada debe ser pretratada para adecuarla a las siguientes etapas. Los procesos que se suelen realizar en esta etapa son [34, 38]: • Limpieza, para retirar impropios que puedan estar junto con la corriente de alimentación. • Secado, para eliminar la humedad libre y que no pueda influir en los pasos posteriores. • Molienda, tamizado o briquetización, para controlar su tamaño y forma del precursor. 5.4.2 Carbonización La carbonización del precursor es un proceso de pirólisis a altas temperaturas (en torno 400 – 500 °C) en presencia de un medio inerte (como puede ser el nitrógeno) con el objetivo de eliminar los compuestos orgánicos volátiles, para lograr así un carbonizado (“char”) compuesto prácticamente de carbono puro con pequeñas cantidades de nitrógeno e hidrógeno [39]. Figura 5-4. Esquema del proceso de carbonización [34]. Tratamiento y valorización material de residuos textiles. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos. 33 La molécula inicial se fracciona, debido a la rotura de los enlaces menos estables, produciendo radicales muy inestables que conducen a un carbonizado y compuestos volátiles. En la Figura 5-4 se muestra un esquema del proceso de carbonización. 5.4.3 Activación del carbón activo Se trata de un proceso oxidativo donde se destruye la estructura del carbono mediante la oxidación del material carbonizado. Consiste en reordenar los átomos de carbono en anillos de cinco, seis o siete átomos para lograr una estructura cristalina reticular similar a la del grafito [34]. Se puede llevar a cabo de dos formas distintas: activación térmica o activación química. • Activación térmica (o activación física) [33, 37, 38]. En general, se trata de un proceso en dos etapas. Tras la etapa de carbonización se produce la activación del carbón activo en presencia de gases oxidantes atmosféricos, tales como el vapor, el dióxido de carbono o una mezcla de estos, a altas temperaturas (alcanzando los 800 – 1100 °C). Este proceso obtendrá como resultado una gran superficie específica con una estructura porosa compleja siguiendo estas reacciones: 𝐶 + 𝑂2→ 𝐶𝑂2 𝐶 + 𝐶𝑂2→ 2𝐶𝑂 𝐶 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑂2+ 2𝐻2 Como ventajas presenta un menor coste de activación y no se generan residuos químicos dado que no se utilizan. Sin embargo, cuenta con una serie de inconvenientes tales como largos tiempos de activación, baja capacidad de adsorción y un elevado consumo energético. • Activación química (u oxidación húmeda) [33, 37, 38]. A diferencia del tipo anterior, este proceso de activación se puede llevar a cabo en una sola etapa (pues la carbonización y la activación se dan de forma simultánea), pudiendo emplear un único equipo (en este caso un horno). Este método se suele aplicar para precursores que contienen un alto porcentaje de celulosa, por ejemplo, la madera y el aserrín. En la activación química, se impregna el precursor, durante un cierto tiempo, con el agente activante que se haya seleccionado y luego se somete a altas temperaturas (entre 400 – 900 °C) para que se pueda degradar la celulosa. Se tiene una amplia variedad de agentes activantes, aunque los más empleados son: el ácido fosfórico (H3PO4), el cloruro de zinc (ZnCl2), el tricloruro de hierro (FeCl3), el hidróxido de sodio (NaOH), el hidróxido de potasio (KOH) y el carbonato de potasio (K2CO3). Como ventajas las temperaturas de operación y el tiempo de activación son más bajas que en la activación térmica, haciendo que los carbones activados químicamente presenten, generalmente, una estructura de poros más abiertos, y tiene un menor consumo energético. No obstante, entre sus inconvenientes se encuentra la generación de residuos químicos debidos al agente activante. Además, se obtienen un producto con mayor número de poros, una elevada área superficial y una mejor distribución de microporos. 5.5 Aplicaciones del carbón activo El carbón activo tiene una diversa variedad de aplicaciones, destacando su uso como adsorbente en procesos de tratamiento de efluentes tanto líquidos como gaseosos, aunque la gran mayoría de este producto se emplea en aplicaciones liquidas (alrededor de un 80%). Algunos ejemplos de usos en diferentes sectores se listan a Carbón activo 34 continuación [34]: • Tratamiento de aguas: o Eliminación de tintes empleados en la confección de textiles, tales como el negro de eriocromo T y el azul de metileno. o Eliminación de metales pesados (como el Pb2+) de corrientes líquidas. o Eliminación de moléculas orgánicas, olores y bacterias para la potabilización del agua. • Metalurgia: o Recuperación de materiales valiosos disueltos, como el oro. • Sector alimenticio: o Desodorización en productos alimenticios tales como frutas envasadas. o Tratamiento de bebidas (por ejemplo, eliminación de alcoholes, fenoles, aldehídos, grasas y cafeína). • Sector químico: o Soporte de catalizador. o Recuperación de disolventes. o Producción de gases puros. • Sector energético: o Almacenamiento de energía. o En la petroquímica mediante la eliminación de compuestos de azufre o recuperación de vapores orgánicos en una refinería. 35 6 OBTENCIÓN DE CARBÓN ACTIVO A PARTIR DE RESIDUOS DE TEJIDOS continuación, se procede al desarrollo del proceso de obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos. Aunque se puede utilizar una amplia variedad de desechos textiles, se ha decidido elegir la tela denim para llevar a cabo este proceso, dado que se dispone mayor información de este residuo. Además, se elabora un diagrama de bloques y a partir de este un diagrama de flujo de procesos donde se representan los equipos principales y posteriormente se realiza un balance de materia para definir los caudales principales de la planta. Por último, se esboza un breve análisis económico para analizar a priori la rentabilidad del proyecto. 6.1 Residuo textil utilizado Para producir carbón activo se puede partir de varios residuos textiles, ya listados anteriormente en apartados previos. No obstante, este proyecto se centrará en utilizar como materia prima el tejido denim. La tela denim (también conocida como mezclilla, tejido vaquero o tela vaquera) suele estar asociada al material textil característico de los pantalones vaqueros o tejanos. Como característica visual, presenta una superficie de color azul y un interior de tela de diferentes tonalidades blancas. Para cumplir con las especificaciones requeridas en su empleo en la industria de la moda, el algodón virgen de la tela denim es mezclado con fibras sintéticas elásticas como spandex o nylon. Tras un análisis inmediato típico se obtiene que la composición del tejido denim es la siguiente: : 82,85 % de materia volátil, 7,2 % de humedad, 8,85 % de carbono fijo y 1,1 % de cenizas [40]. A pesar del bajo contenido que tiene de carbono fijo y la elevada cantidad de volátiles, este precursor ha resultado interesante para la fabricación de carbón activo a partir de fibras y por tanto, se describe en el próximo apartado su proceso de producción [41]. Para definir una alimentación al proceso, se toma como referencia los residuos de tejido denim producidos. Según un estudio de 2015 [42], en el mundo se desperdician aproximadamente 2,16 millones de toneladas métricas de vaqueros cada año, lo que se traduce en 246,58 kg/h (teniendo en cuenta los 365 días naturales del año). 6.2 Descripción del proceso Para describir en mayor detalle el proceso de obtención de carbón activo a partir de tela denim se elaboran varios diagramas de bloques: uno para la obtención de la fibra textil (Figura 6-1) y otro para la obtención de carbón activo la (Figura 6-2). Este último contempla la posibilidad de realizar la activación empleando diferentes agentes de activación: la primera opción sería con H3PO4 mientras que la segunda utiliza una solución de FeCl3/ZnCl2. A Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos 36 Figura 6-1. Diagrama de bloques del proceso de obtención de fibra a partir de residuos textiles [43]. Figura 6-2. Diagrama de bloques del proceso de obtención de carbón activo por activación química de dos agentes activantes diferentes [43]. • Preparación del precursor (residuo de tejido denim). Como ya se ha comentado, la primera etapa del proceso sería la recolección y el pretratamiento del residuo textil. Cuando se tiene todo el residuo se realiza una etapa de limpieza con agua destilada y lavado donde se eliminan impropios que puedan venir junto con los desechos, tales como cremalleras y etiquetas de las prendas de ropa. Luego se le realiza un secado en un horno a 60ºC durante 24 h y posteriormente se corta en piezas más pequeñas y homogéneas, aproximadamente de 1 cm x 1 cm como se muestra en la Figura 6-3 [43, 44]. Figura 6-3. Residuo textil denim cortado. • Activación química. El agente activante que se suele emplear para precursores celulósicos es el ZnCl2, pero tiene asociados problemas debido a su toxicidad. Una posible alternativa sería utilizar FeCl3, ya que no es un compuesto tóxico y, además, es barato, aunque, tiene como inconveniente que el carbón activo producido presenta baja porosidad. Por tanto, se plantea la posibilidad de emplear una mezcla de FeCl3 y ZnCl2 (1:1 en masa), para conseguir altas porosidades y reducir la contaminación del medioambiente por el uso de compuestos tóxicos [40]. No obstante, también se han llevado a cabo estudios donde se emplea como agente activante H3PO4 [43, 44, 46]. Estos compuestos se pueden alimentar en diferentes ratios y para este caso se elige emplear un ratio (m : v) de Tratamiento y valorización material de residuos textiles. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos. 37 1:1 (FeCl3/ZnCl2 o H3PO4 : residuo denim), ya que es uno de los que más se utilizan, junto con 2 : 1 y 3 : 1. La pureza de los compuestos involucrados es del 98% [43]. Se introducen el residuo y el agente de activación en un reactor vertical de acero inoxidable durante 24 h y a una temperatura de 60ºC, tras lo cual se obtiene un material impregnado en ácido [41, 43]. • Pirólisis lenta. Para llevar a cabo este proceso se utiliza un horno tubular en el que se hace pasar un flujo de nitrógeno de 100 ml/min, para inertizar el medio, y se tiene un ratio de calentamiento de 10 ºC/min [41, 45]. La pirólisis del material impregnado en ácido se realiza en 3 etapas [41, 43]: 1) Se calienta desde la temperatura ambiente hasta 300ºC y se mantiene a dicha temperatura durante 2h. 2) Se sigue incrementando la temperatura hasta 500ºC a la misma velocidad de calentamiento y se mantiene a dicha temperatura durante 1 h. 3) Por último, se deja enfriar el horno desde 500 a 100ºC. Si se utilizase H3PO4, se mantienen las etapas de pirólisis, dado que estas no dependen del agente activante empleado. • Post tratamiento. El sólido que queda tras el proceso de pirólisis es lo que finalmente va a usarse como carbón activo. Para poder utilizarlo, se realiza una molienda del material hasta obtener polvo y se lava con una solución de 0,1 M NaOH y agua destilada hasta alcanzar un pH en torno a 6. Por último, se seca en un horno a 100ºC durante 24 h [46]. A partir de los diagramas de bloques mostrados, se ha realizado un diagrama de flujo de procesos (PFD) para la planta de obtención de carbón activo (Figura 6-4), donde se pueden identificar las distintas etapas descritas previamente. Nótese que, aunque se realiza en un horno, se ha decidido representar el secado con un símbolo diferente, para así no crear confusión con el horno de pirólisis. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos 38 38 Figura 6-4. Diagrama de flujo de procesos (PFD) de la producción de carbón activo (elaboración propia). Tratamiento y valorización material de residuos textiles. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos. 39 6.3 Caracterización del carbón activo Una vez obtenido el carbón activo, se realiza una caracterización fisicoquímica y textural del mismo puesto que hay parámetros de significativos (forma, estructura, poros y área específica) que influyen en su potencial como adsorbente. A continuación, se describen los principales métodos de caracterización [43]: • Microscopia electrónica de barrido (SEM). Este método proporciona información morfológica de la superficie del sólido a través de una imagen de alta resolución generada por la incidencia de un haz de electrones sobre la muestra. Los detectores del equipo captan la señal emitida por los electrones y la radiación resultante, esta se amplifica y da como resultado una imagen topográfica ampliada de la muestra. La Figura 6-5 (extraída de bibliografía) muestra la microscopia SEM tanto del precursor empleado como del carbón activo que se obtiene empleando H3PO4 como agente de activación. Figura 6-5. Microscopia SEM del residuo textil denim (a) y del carbón activo generado (b) [41]. • Espectroscopia por dispersión de electrones (EDX). Esta técnica se acoplar al microscopio electrónico de barrido, añadiendo un detector de rayos X al equipo, para poder identificar la energía de los rayos X emitidos por la interacción del haz de electrones. Como resultado se obtienen unos picos que corresponden con la radiación característica de cada elemento. La intensidad y la cantidad de estos picos depende de los compuestos que estén presentes, de forma que este método puede determinar la composición química del material. • Análisis termogravimétrico (TGA). Con este método se puede obtener información física (de forma cuantitativa) y química (de forma cualitativa) mediante el continuo registro de la masa de la muestra, en función de la temperatura y el tiempo en una atmósfera controlada. Además, se puede obtener la variación en peso que sufre el material a través de una curva de análisis termogravimétrico. La Figura 6-6 muestra cómo serían las curvas de análisis termogravimétrico (sacadas de bibliografía) que se elaboran a partir del residuo de tejido denim y del agente de activación, en este caso H3PO4. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos 46 6.5 Análisis económico preliminar Por último, se realiza un breve análisis económico del proceso de obtención de carbón activo a partir de prendas denim desechadas, teniendo sólo en cuenta el coste de los reactivos, es decir, de los agentes de activación FeCl3 y ZnCl2, y los ingresos que se conseguirían con el producto (excluyendo los costes asociados a los distintos equipos y utilities de la planta). En la Tabla 6-4 se recogen los precios de los reactivos empleados por kg de carbón activo, extraídos de bibliografía [43]. Tabla 6-4. Costes de los compuestos implicados en la producción de carbón activo [43]. Producción de carbón activo activado con FeCl3/ZnCl2 Producción de carbón activo activado con H3PO4 Coste del nitrógeno ($/kg CA) 3,105 10,350 Coste agentes de activación ($/kg CA) 11,829 9,933 Conociendo el precio de los compuestos implicados en el proceso, se puede realizar un cálculo aproximado del coste total anual de estos partiendo del carbón activo obtenido, asumiendo 8000 horas de operación al año. 130,69 𝑘𝑔 𝐶𝐴 ℎ·3,105 $ 𝑘𝑔 𝐶𝐴 ·0,92 € 1 $ ·8000 ℎ 1 𝑎ñ𝑜 ·1 𝑀€ 106€= 2,99 𝑀€ 𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒 𝑁2 130,69 𝑘𝑔 𝐶𝐴 ℎ·11,829 $ 𝑘𝑔 𝐶𝐴 ·0,92 € 1 $ ·8000 ℎ 1 𝑎ñ𝑜 ·1 𝑀€ 106€=11,38 𝑀€ 𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒 𝐹𝑒𝐶𝑙3/𝑍𝑛𝐶𝑙2 Por otro lado, si se emplease como agente de activación H3PO4, los costes asociados serían los siguientes: 130,69 𝑘𝑔 𝐶𝐴 ℎ·10,350 $ 𝑘𝑔 𝐶𝐴 ·0,92 € 1 $ ·8000 ℎ 1 𝑎ñ𝑜 ·1 𝑀€ 106€= 9,96 𝑀€ 𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒 𝑁2 130,69 𝑘𝑔 𝐶𝐴 ℎ·9,933 $ 𝑘𝑔 𝐶𝐴 ·0,92 € 1 $ ·8000 ℎ 1 𝑎ñ𝑜 ·1 𝑀€ 106€= 9,55 𝑀€ 𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒 𝐻3𝑃𝑂4 Asimismo, el precio en Europa del carbón activo en el mes de octubre de 2024 fue de 2,8 $/kg [47]. Ídem a los cálculos anteriores, se puede determinar los ingresos que se obtendrían con una producción de 130,69 kg/h de carbón activo. 130,69 𝑘𝑔 𝐶𝐴 ℎ·2,8 $ 𝑘𝑔 𝐶𝐴 ·0,92 € 1 $ ·8000 ℎ 1 𝑎ñ𝑜 ·1 𝑀€ 106€= 2,69 𝑀€/𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 Como resultado, se obtiene que tanto empleando FeCl3/ZnCl2 como H3PO4 los costes asociados a los agentes de activación y nitrógeno son mayores que los ingresos por la producción del carbón activo, de forma que en primer instancia, el proyecto planteado no es rentable. Tratamiento y valorización material de residuos textiles. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos. 47 Sin embargo, se pueden plantear alternativas para intentar minimizar los costes y que así mejore la rentabilidad del proceso. Por ejemplo, en lugar de emplear como agente activo una solución de FeCl3/ZnCl2 se puede utilizar sólo uno de ellos y así reducir este coste. Por otra parte, los cálculos que se han realizado están sujetos a datos bibliográficos y por tanto, no son rigurosos. Si se llevara a cabo una simulación de este proceso se podría obtener resultados más precisos y con ellos volver a calcular los costes (ahora más exactos) de los compuestos implicados. Asimismo, para realizar este cálculo económico se debería hacer una mejor búsqueda y obtener datos de costes más fiables, puesto que los costes de los agentes de activación y del nitrógeno se extrajeron de bibliografía. Obtención de carbón activo a partir de residuos de tejidos 48 49 7 CONCLUSIONES la vista de los resultados expuestos en el presente proyecto y de acuerdo con los objetivos establecidos en el mismo, se puede concluir el trabajo realizado con las afirmaciones que se listan a continuación. • Los residuos textiles tienen un problema medioambiental asociado, puesto que se producen en grandes cantidades y no se les aplica una gestión ni un tratamiento adecuado, de forma que una mayoría notable termina en vertederos o incinerada. No obstante, en estos últimos años se han establecido leyes que ponen el foco en mitigar este impacto y por tanto, surgen procesos donde se recuperen estos residuos. • Se ha realizado un estudio de las posibles técnicas de tratamiento de desechos textiles que hay en la actualidad, llegando a la conclusión que las que más interés tienen son aquellos procesos en los que se valoriza el residuo textil y se obtiene o bien un producto con mayor valor añadido o bien energía. • De todos estos procesos, se ha elegido profundizar en la valorización material para la obtención de carbón activo, un material con gran aplicación en la industria química gracias a sus propiedades como adsorbente. Aunque se pueden emplear una amplia variedad de residuos textiles, se ha seleccionado el tejido denim como precursor utilizado. • Asimismo, para una alimentación de 2,16 millones de toneladas anuales de residuo denim, se ha realizado un balance de materia preliminar para estudiar cuánto carbón activo se puede producir a partir de esta cantidad de residuo. Como resultado, se obtiene una corriente de carbón activo de 130,70 kg/h, lo que se traduciría en 1,04 millones de toneladas anuales, asumiendo una operación de 8.000 horas al año. • Finalmente, se realiza un estudio económico preliminar para evaluar si resulta rentable grosso modo. Considerando unos costes de reactivos totales de 14,37 M€/año y unos ingresos de 2,69 M€/año se concluye que económicamente no es viable. No obstante, al emplear como precursor residuo textil sí que es interesante desde un punto de vista medioambiental, además de prescindir del coste de la materia prima. Como posible solución, se propone el uso de un solo agente de activación, ya sea FeCl3 o ZnCl2, para conseguir reducir costes de este modo. Para respaldar esta alternativa, es necesario realizar simulaciones que den lugar a resultados más precisos y con ellos poder determinar la viabilidad económica del proyecto. A 50 REFERENCIAS [1] Objetivos y Metas de Desarrollo Sostenible - Desarrollo Sostenible (no date) United Nations. Available at: https://www.un.org/sustainabledevelopment/es/objetivos-de-desarrollo-sostenible/ (Accessed: 29 October 2024). [2] Alves, D.I. et al. (2024) ‘Valorization of textile waste: Non-woven structures and Composites’, Frontiers in Environmental Science, 12. doi:10.3389/fenvs.2024.1365162. [3] Real Decreto 928/1987, de 5 de junio, relativo al etiquetado de composición de los productos textiles. Boletín Oficial del Estado, 261, de 31 de octubre de 1987. https://www.boe.es/eli/es/rd/1987/06/05/928/con [4] Moreno Traba, A.P. 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