Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen (1): 10-22.
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 3 (1): 71-75. Enero-Marzo 2020 https://doi.org/10.37636/recit.v317175.
71
ISSN: 2594-1925
Hidrocarburos C
6
−C
10
a partir de polietileno
residual
C
6
− C
10
hydrocarbons from residual polyethylene
Manjarrez Amaya Karla Michelle
1
, Villalón López Ulises Alejandro
1
, Avalos Borja
Miguel
2
, Quintana Melgoza Juan Manuel
1
1
Universidad Autónoma de Baja California, Calzada Universidad 14418 Parque Industrial
Internacional Tijuana, Baja California, México, C.P. 22390
2
Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnología. División de Materiales Avanzados,
Camino a La Presa San José, Col. Lomas, Sección 4, San Luis Potosí, S.L.P., C.P. 78216
Autor de correspondencia: Juan Manuel Quintana Melgoza, Facultad de Ciencias Químicas e
Ingeniería, Universidad Autónoma de Baja California, Calzada Universidad 14418 Parque Industrial
Internacional Tijuana, Baja California, México, C.P. 22390. E-mail: quintana@uabc.edu.mx. ORCID:
0000-0002-3738-0612
Recibido: 15 de Septiembre del 2019 Aceptado: 30 de Noviembre del 2019 Publicado: 21 de Enero 2020
Resumen. - En este trabajo de investigación se obtienen hidrocarburos liquidos combustibles
(gasolina) con rendimiento del 90% por medio de pirólisis del polietileno de alta densidad
(PEAD) a 390 ± 5 °C sobre el catalizador α−PbO. La masa catalítica se varía en 10, 15, 20 y
40% p/p utilizando 10 g de PEAD por cada experimento. El α−PbO se sintetizó a 550 °C en
atmósfera de aire durante 1 hora. Los productos líquidos son caracterizados por espectroscopia
infrarroja con transformada de Fourier (FT-IR) y cromatografía de gases y espectrometría de
masas (GC/MS). La relación óptima experimental de PEAD/α−PbO para la conversión del
polietileno residual es 20% α−PbO. Los análisis por FT-IR y GC/MS, permiten corroborar que
los líquidos obtenidos corresponden a hidrocarburos con cadenas en un intervalo de 6 a 10
carbonos (C
6
–C
10
) y contienen un calor de combustión promedio de 10.9492 kcal/g con
potencial aplicación como combustibles alternativos.
Palabras clave: PEAD residual; pirólisis; α−PbO; hidrocarburos líquidos.
Abstract. - In this research work, combustible liquid hydrocarbons (gasoline) are obtained with
a yield of 90% by means of pyrolysis of high-density polyethylene (HDPE) at 390 ± 5 °C over
α−PbO catalyst. The catalytic mass is varied in 10, 15, 20 and 40% w/w using 10 g of HDPE
for each experiment. The α−PbO is synthesized at 550 °C in an air atmosphere for 1 hour.
Liquid products are characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and gas
chromatography and mass spectrometry (GC/MS). The experimental optimal ratio of
HDPE/α−PbO for the conversion of residual polyethylene is 20% α−PbO. The analyzes by FT-
IR and GC/MS, allow to confirm that the liquids obtained correspond to hydrocarbons with
chains in a range of 6 to 10 carbons (C
6
–C
10
) and contain an average heat of combustion of
10.9492 kcal/g with potential application as alternative fuels.
Keywords: Residual HDPE; pyrolysis; α−PbO; liquid hydrocarbons.
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ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 71-75.
1. Introducción
Los plásticos presentan un rol importante en la vida cotidiana de
las personas, incorporando avances tecnológicos y mejorando la
calidad de vida, esto se debe a su costo bajo de producción, fácil
fabricación y de ser livianos [1]. La producción mundial de
plásticos en el año 2016 alcanzó 335 millones de toneladas,
aumentado un 3.9% en comparación al año 2015. La demanda de
plásticos a nivel mundial en 2012 ha sido de 211 millones de
toneladas; el 37% corresponde a polietileno de alta densidad y
polietileno de baja densidad. En México la producción de
polietileno de alta densidad ha sido de 43 mil toneladas en 2017
[2, 3]. Solo una fracción pequeña de los productos plásticos se
recicla, una cantidad aproximada de 13 millones de toneladas al
año se vierte a océanos ocasionando daños a la biodiversidad,
economía y potencialmente a la salud humana; el resto termina
en vertederos o basureros como residuos sólidos urbanos (RSU)
[4].
México alcanzó en 2015, una generación de 53.1 millones de
toneladas de RSU, representando un aumento de 61.2% con
respecto a 2003, donde el 10.9% de la composición general de los
RSU, corresponden a productos plásticos [5, 6]. La
contaminación por plásticos hoy en día representa un problema
social y ambiental. Existen diferentes técnicas reportadas en la
literatura especializada, tales como gasificación, tratamientos
químicos, tratamientos térmicos, craqueo catalítico, entre otros
para el reciclaje, reutilización y recuperación de productos
plásticos. El enfoque principal se ha basado en aplicar
tratamientos adecuados donde podemos obtener nuevos
polímeros, fracciones líquidas de hidrocarburos y gases que
pueden ser utilizados como combustibles alternativos [7, 8]. La
pirólisis catalítica ha sido propuesta como tratamiento viable
parte del reciclaje químico (reciclaje terciario), la cual consiste en
descomposición térmica en ausencia de oxígeno y presencia de
un catalizador que mejora la conversión y la pureza de un
producto combustible que se obtiene a temperaturas
considerablemente más bajas [9]. Abbas et al. [10] llevaron a
cabo la pirólisis de PEAD en un reactor autoclave de acero
inoxidable de 750 cm
3
, con una temperatura que oscila de 470 a
495 °C y tiempos de reacción de hasta 90 minutos. La condición
de craqueo óptima para PEAD que maximizó el rendimiento de
aceite a 70% p/p (p: peso) se ha evaluado a 480°C y 20 minutos
de tiempo de reacción. Los resultados mostraron que, a mayor
temperatura y tiempos de reacción más largos, hay mayor
producción de gas y coque. Kumar et al. [11] utilizaron PEAD
“virgen” en un reactor sencillo de pirólisis, con el objetivo de
optimizar el rendimiento de productos líquidos en un rango de
temperatura de 400 a 550 °C. La composición del aceite pirolítico
se analizó por GC/MS, encontrado compuestos con cadenas de
carbonos de C
5
−C
11
, con propiedades cercanas a la mezcla de
productos de petróleo. Por otro lado, Sogancioglu et al. [12]
realizaron un estudio que ofrece un enfoque de recuperación de
plásticos, llevando a cabo pirólisis de PEAD y PEBD en un
intervalo de temperatura de 300 a 700 °C dentro de un reactor
vertical de cromo, obteniendo fracciones líquidas, gaseosas y
sólidas (conocido como char) utilizado como aditivo para la
producción de epóxidos.
La finalidad principal de este trabajo es realizar la
descomposición del polietileno de alta densidad por medio de
pirólisis catalítica, utilizando el catalizador alfa óxido de
plomo α‒PbO en un equipo sencillo tipo destilación. Las
ventajas que se presenta con respecto a los trabajos ya
reportados, son el uso de un sistema sencillo de bajo costo
para para la síntesis de hidrocarburos y la disminución del
costo energético, debido a que la temperatura del tratamiento
es más baja que las reportadas por algunos autores [10–12].
El material catalítico se identificó por difracción de rayos–X
(XRD, por sus siglas en inglés), espectroscopia por dispersión
de energía (EDS, por sus siglas en inglés) y microscopia
electrónica de barrido (SEM, por sus siglas en inglés).
Asimismo, los productos se analizaron por espectroscopia de
radiación infrarrojo con transformada de Fourier (FT-IR, por
sus siglas en inglés), cromatografía de gases y espectroscopia
de masas (GC/MS por sus siglas en inglés).
2. Metodología
2.1. Síntesis de óxido de plomo
El plomo residual proveniente de las terminales de las baterías
ácidas y el ácido nítrico HNO
3
concentrado son utilizados
para la síntesis de nitrato de plomo Pb(NO
3
)
2
, el mismo que
es un precursor del óxido de plomo. La síntesis se realizó
pesando una cantidad de 23.7225 g (0.0716 moles) de
Pb(NO
3
)
2
, y se virtió a una canoa de porcelana.
Posteriormente, la canoa y su contenido se colocó en el
interior de un tubo de cuarzo cuya longitud es de 90 cm y un
diámetro de 2.5 cm, que se encuentra a su vez dentro de un
horno eléctrico en posición horizontal marca Thermo
Scientific, modelo Lindberg/Blue M Mini-Mite Tubek
Furnaces TF55035C-1. La canoa junto con su contenido se
sometió a un tratamiento térmico de 550 °C durante una hora
en cada experimento con un flujo de aire a 60 cm
3
/min.
2.2. Actividad catalítica
Se evalúa la actividad catalítica del alfa óxido de plomo
(α−PbO) sintetizado en este trabajo. En un sistema de
destilación simple se deposita la mezcla de PEAD y α−PbO
al 20%, la reacción se lleva a cabo a 390 °C durante 1 hora
para la producción de hidrocarburos líquidos en el intervalo
de C
6
–C
10
.
2.3. Técnicas de caracterización
La técnica por XRD se utilizó para identificar la fase
cristalográfica de α−PbO, por medio de un difractómetro
marca Phillips, modelo con radiación Cu
Kα
(40 kV, 30 mA)
con λ = 0.15405 nm. Así mismo, se determinó el tamaño de
cristal con la ecuación de Scherrer [13] usando el pico (101),
por ser el de mayor intensidad. La identificación de la fase
cristalina se corroboró utilizando la base de datos JCPDS-
ICCD. La estructura morfológica y la composición elemental
de las partículas se estudiaron por SEM con un microscopio
marca JEOL modelo JSM 5300, acoplado a un detector de
EDS marca Thermo Fisher Scientific modelo Super Dry II.
Para la determinación del tamaño promedio de partícula
73
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Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 71-75.
(TPP) se escogieron 30 partículas lo más homogéneas posibles de
las micrografías SEM, de ellas se determinó el largo y ancho. La
medición se realizó con un vernier digital marca HUSKY.
2.4. Descomposición de polietileno residual
El polietileno de alta densidad se descompone por medio de un
tratamiento termo−catalítico variando el % p/p de α−PbO en 10,
15, 20 y 40. El PEAD residual proveniente de envases de leche
marca Nutrileche®, es cortado en tamaños pequeños (1 cm
2
). Se
pesa una cantidad exacta de 10 g de PEAD en balanza analítica y
se coloca en un matraz bola 24/40 de 500 mL, mezclado con el
catalizador. Cada experimento tiene un tiempo de reacción de 25
min a 390 ± 5 °C. El sistema de reacción utilizado es un equipo
sencillo de tipo destilación.
2.5. Caracterización de los productos líquidos
Los productos son analizados por FT-IR con un espectrometro
marca Perkin Elmer, modelo Spectrum GX, en modo
transmitancia realizando 3 escaneos a una resolución de 5 cm
-1
en
un intervalo de 4000−500 cm
-1
. La técnica por GC/MS se utilizó
para determinar la longitud de cadena de hidrocarburos por medio
de ionización por impacto electrónico, con un cromatografo de
gases Thermo Fisher Scientific modelo TRACE 1310 y un
detector de masas de cuádruplo sencillo Thermo Fisher Scientific
modelo ISQ LT, con un tiempo de análisis de 15 min. El poder
calorífico (ΔH) de cada producto líquido se mide por medio
calorímetro de bomba de oxigeno marca Parr Instrument
Company.
3. Resultados
La Figura 1 muestra los patrones de difracción por XRD
correspondiente al material obtenido por medio de este trabajo
α−PbO y su precursor Pb(NO
3
)
2
. Se observa una similitud en las
señales con respecto a las señales reportadas en la base de datos
cristalográficos JCPDS con el número de tarjeta 036-1462 y 005–
0561 para Pb(NO
3
)
2
y α−PbO respectivamente [14]. El material
sólido, α−PbO presenta una estructura tetragonal con un grupo
espacial P4/nmm (véase Figura 2) y los resultados obtenidos por
el método de Scherrer, indican que el tamaño de cristal es de
92.19 nm.
10 20 30 40 50 60 70 80
620
420
201
211
103
001
220
311
211
112
200
110
002
531
440
511
422
331
400
222
311
220
200
111
101
Pb(NO
3
)
2
36-1462 Pb(NO
3
)
2
-PbO 550
05-0561  -PbO
2
Intensidad (u. arb.)
Figura 1. Patrones de difracción por XRD del material sintetizado y su
precursor. Patrones de referencia reportados por la base de datos
cristalográficos JCPDS−ICCD para Pb(NO
3
)
2
y la fase α−PbO.
Figura 2. Celda unitaria de α−PbO sistema tetragonal obtenido por
la base de datos AMCSD. Donde el tamaño de iones es: O
-2
= 121
pm y Pb
+4
=79 pm [15].
El tamaño promedio de partícula (TPP) se determinó vía
micrografías por SEM. En la figura 3 se presenta se muestran
partículas en la superficie de la fase α−PbO sin forma
definida, con un TPP de 12.49 x 16.66 μm.
Figura 3. Micrografía determinada por SEM del material sintetizado
a 550 °C correspondiente a la fase α−PbO. Presenta partículas sin
forma definida (Ampl. 1500x).
El análisis de la composición elemental del material se realizó
por medio de EDS. En la Figura 4 se muestra el espectro para
α−PbO y para su precursor Pb(NO
3
)
2
. Se observan señales de
plomo (Pb) a 1.85 keV y 2.37 keV, correspondientes a las
transiciones M
ε
y M
α
respectivamente, así como la señal a
0.52 keV correspondiente a la transición K
α
de oxigeno (O) y
la señal a 0.27 keV, que corresponde a la transición K
α
de
carbono (C), esta señal corresponde a la cinta donde se monta
la muestra para el previo análisis. Los valores son
corroborados con valores reportados [16].
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Pb(NO
3
)
2
-PbO 550
Energia (keV)
Intensidad (u. arb.)
C K
O K
Pb M
Pb M
Figura 4. Espectro de EDS de Pb(NO
3
)
2
y la fase α−PbO sintetizado
a una temperatura de 550 °C.
74
ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 71-75.
La Tabla 1 muestra los datos obtenidos experimentalmente
mediante el análisis por FT-IR correspondiente a los
hidrocarburos líquidos obtenidos en la reacción de
descomposición por pirólisis catalítica del PEAD variando el
porciento del catalizador α−PbO en 0%, 10%, 15%, 20% y 40%.
Las señales fuertes (S) y medio fuertes (M) ocurren a 2921.97 cm
-
1
, 2852.81 cm
-1
, 1462.07 cm
-1
y 1378.54 cm
-1
; las mismas que son
características de los grupos metilo y metileno enlazados a las
cadenas de hidrocarburos (C
6
‒C
10
). La señal débil (W) a 3078.48
cm
-1
pertenece al enlace vinílico C-H, asimismo las señales a,
992.14 cm
-1
(S), 964.91 cm
-1
(S) y 908.26 cm
-1
(S) pertenecen a este
mismo enlace. Las señales a 1822.94 cm
-1
(W) y 1642.42 cm
-1
(M)
se asignan al doble enlace carbono-carbono. Finalmente, la señal
a 721.02 cm
-1
(S) denota la longitud de la cadena hidrocarbonada
n>4C.
En la Tabla 2 se exponen los resultados obtenidos mediante el
análisis por GC/MS de los productos líquidos generados
experimentalmente variando el porciento de masa catalítica α‒
PbO: 0.0% (P
0
), 10% (P
10
), 15% (P
15
), 20% (P
20
), 40% (P
40
), así
como para gasolina comercial 87 octanos (GC
87
) y los valores
mínimos y máximos (V
min
y V
max
, respectivamente) reportados en
la literatura [17, 18]. El análisis permite observar que la longitud
de cadena (n) de los hidrocarburos obtenidos por medio de la
descomposición de PEAD corresponde a cadenas de carbonos
que van desde C
6
hasta C
10
.
Tabla 1. Datos del análisis por FT-IR de los hidrocarburos líquidos
obtenidos en la descomposición de PEAD variando el porcentaje de
masa catalítica.
Número de
onda cm
-1
Intensidad
Enlace químico
3078.48
W
2921.97
S
2852.81
S
1822.94
1642.42
M
1462.07
S
1378.54
M
992.14
964.91
908.26
S
721.02
S
Tabla 2. Ion molecular (M
+
) del fragmento más común, longitud de
las cadenas (C
x
–C
y
) y capacidad calorífica (ΔH) de los productos
(P
0–40
) obtenidos por medio de la descomposición de PEAD y
gasolina comercial GC
87
.
Producto
Fórmula
Longitud
ΔH
kcal/g
P
0
C
9
H
17
C
6
−C
15
10.9648
P
10
C
8
H
15
C
6
−C
10
10.9398
P
15
C
8
H
15
C
6
−C
10
10.9521
P
20
C
8
H
15
C
6
−C
8
10.9626
P
40
C
8
H
15
C
6
−C
10
10.9358
GC
87
C
9
H
12
C
5
−C
11
10.4512
V
min
-
C
9
−C
12
10.3843
V
max
-
C
8
−C
18
11.1224
4. Conclusiones
En este trabajo experimental se confirmó la síntesis del
material catalizador α−PbO a la temperatura de 550 °C con un
porcentaje de rendimiento experimental 99.5%. Asimismo, se
confirmó la obtención de hidrocarburos líquidos de bajo peso
molecular en un intervalo de C
6
−C
10
a una temperatura de 390
± 5 °C con un rendimiento de 90%. La conversión catalítica
optima corresponde a la relación α−PbO/PEAD 20% del
catalizador. En esta investigación se propone una
metodología que permite la disminución de contaminación
ambiental por residuos plásticos, además los residuos
plásticos pueden ser utilizados como precursores para la
obtención eficiente de combustibles alternativos.
Agradecimientos
Los autores agradecen el financiamiento de esta investigación
con el proyecto 300/6/N/84/19, de igual manera se agradece
el apoyo brindando a Karla Michelle Manjarrez Amaya a
través de la beca de apoyo SNI ayudante de investigador nivel
III por Dr. Miguel Ávalos Borja. Agradecemos a UABC y
CNYN por proporcionar soporte de laboratorio en la síntesis
y caracterización de los materiales. Asimismo, agradecemos
a Dr. Salvador Valera Lamas y M.C. Arturo Estolano por
apoyo técnico en la medición de calorimétrica y por GC/MS.
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