Composite plastic materials - a circular economy approach

Maria Rita Carmo Pires Chorincas

Key information

Authors:

Maria Rita Carmo Pires Chorincas (Maria Rita Carmo Pires Chorincas)

Supervisors:

Maria Amélia Nortadas Duarte de Almeida Lemos (Maria Amélia Nortadas Duarte de Almeida Lemos); Maria do Carmo Cabral Sacadura

Published in

November 21, 2023

Abstract

A pirólise e a gaseificação foram os processos de reciclagem química investigados para o tratamento de cabos eléctricos de policloreto de vinilo (PVC). Estes métodos têm como objetivo separar o cobre do plástico, recuperando o condutor metálico e gerando produtos de valor acrescentado a partir do plástico. A degradação térmica dos cabos eléctricos foi analisada através da análise termogravimétrica (TGA) combinada com a calorimetria diferencial de varrimento (DSC). As reacções de degradação térmica foram conduzidas sob azoto e ar. Em condições oxidativas, a degradação resultou num resíduo sólido reduzido, devido à ocorrência de combustão, e gerou calor através de reacções de degradação exotérmicas, ao contrário da pirólise. Em ambos os cenários, ocorrem duas fases de degradação. A primeira fase envolve a desidrocloração, libertando uma quantidade significativa de cloreto de hidrogénio (HCl). A segunda fase envolve reacções de ciclização e aromatização das estruturas já formadas, levando à formação de hidrocarbonetos aromáticos. A degradação térmica do PVC foi descrita por um modelo cinético de primeira ordem com ajuste da curva TGA e os parâmetros cinéticos foram determinados. A pirólise do cabo foi ainda investigada num reator laboratorial. Este processo produziu maioritariamente gases, constituídos por hidrocarbonetos na gama C2-C4, e HCl. O rendimento líquido foi baixo. A desidrocloração do PVC foi investigada através de modelação molecular, determinando os parâmetros cinéticos para os caminhos reaccionais sugeridos. A pirólise e a gaseificação de 2500 kg de cabos produzidos pela empresa Efacec foram comparadas economicamente com os actuais processos adoptados pela empresa. Pyrolysis and gasification were the chemical recycling processes investigated in order to treat electrical cables, more specifically polyvinyl chloride (PVC) cables. These methods aim to separate copper from the plastic coating, recovering the metallic conductor and generating value-added products from the plastic that can be utilized as fuels or raw materials. The thermal degradation of electrical cables was analyzed employing thermogravimetric analysis (TGA) combined with differential scanning calorimetry (DSC). Thermal degradation reactions were conducted under nitrogen and air to assess the impact of inert and oxidative atmospheres. In oxidative conditions, the degradation process resulted in a reduced solid residue, due to the occurrence of combustion, and generated heat through exothermic degradation reactions, unlike pyrolysis. In both scenarios, two degradation stages occur. The initial stage involves dehydrochlorination, liberating a significant amount of hydrogen chloride (HCl). The second stage involves cyclization and aromatization reactions of structures already formed, leading to the formation of aromatic hydrocarbons and solid residue. PVC thermal degradation was described by a first-order kinetic model with TGA curve fitting and kinetic parameters were determined. Cable pyrolysis was further investigated in a bench-scale reactor. This process yielded significant volumes of gases, consisting of hydrocarbons mainly in the C2-C4 range, and HCl, while liquid yield was low. The dehydrochlorination reaction was investigated through molecular modeling, determining the kinetic parameters for suggested reactional paths. Pyrolysis and gasification of 2500 kg of cable waste produced by Efacec company were economically compared with the current processes adopted by the company.