Reciclagem de espumas semi-rígidas de poliestireno pela dissolução em terrenos e secagem em secador de tambor

Abstract

As espumas semi-rígidas de poliestireno (PS) são chamadas popularmente no Brasil de Isopor® (nome da marca registrada da Knauf Isopor Ltda) e compreendem materiais de baixa densidade e de crescente consumo, sobretudo por suas propriedades de resistência a choques mecânicos e isolamento térmico e acústico. Neste trabalho foram realizados experimentos de reciclagem de espumas de poliestireno por dissolução em dois solventes provenientes de fontes renováveis, d-limoneno e p-cimeno. A reciclagem por dissolução em solventes propicia a redução do volume de poliestireno expansível (EPS) para em torno de 4% do seu volume inicial, e possibilita a filtração da solução polimérica para a retirada de impurezas. A viscosidade das soluções foi medida tanto em soluções diluídas quanto em médias concentrações. A separação entre o solvente e o polímero foi realizada por evaporação em um secador de tambor único, em diferentes condições de operação. Foi verificado que amostras com concentração em torno de 30% (em massa), e valores de concentração inferiores a este, resultam em soluções que não aderem adequadamente à superfície do tambor. Foram avaliadas na secagem amostras solubilizadas em concentrações de 33,3% a 37,5% (em massa), com temperaturas de secagem entre 90 °C e 116 °C e velocidade de rotação do tambor entre 0,47 e 0,57 rpm. Para cada um dos ensaios foi avaliada a eficiência energética, e a viabilidade econômica foi estimada para duas situações distintas. O fator de maior importância econômica na reciclagem pela dissolução em solventes orgânicos é a recuperação do solvente, devido ao custo superior do solvente em relação ao polímero reciclado. Entre os solventes analisados, o d-limoneno apresenta uma melhor relação de custo/benefício, devido a disponibilidade e ao custo do solvente no Brasil. A concentração máxima de interesse na reciclagem por dissolução foi considerada como 41,2% (em massa), ou 0,7 gPS/gterpeno. Nesta concentração, a solução polimérica se encontra extremamente viscosa (viscosidade aparente superior a 15 Pa.s, a 25 °C), e a dissolução acontece em velocidades muito baixas. O teor de solvente residual das amostras secas no secador de tambor variou de 8,4% a 16,6% (em massa), e um percentual de 0,97 ± 0,17% (em massa) foi encontrado em amostras submetidas à estufa de convecção forçada por 130 °C até a estabilização da massa. Para a análise de eficiência energética, o melhor valor obtido foi de 12,4 MJ/kg, para as amostras sob temperatura de secagem de 95 °C, velocidade de rotação do tambor de 0,57 rpm e concentração da solução inicial de 37,5% (em massa). O menor custo de produção encontrado foi de R$ 1,39/kg de PS, para a mesma condição de operação. Entre as situações analisadas, somente mostrou-se viável a que considerou uma etapa subsequente para retirada do teor de solvente residual até o mínimo possível, com prazo de retorno de investimento, calculado pelo método do payback simples, de 38 meses.<br>

Abstract : Polystyrene semi-rigid foams are internationally known as Styrofoam® (trademark of Dow Chemical Company), and as Isopor® (trademark of Isopor Knauf Ltd.) in Brazil. They are materials of low density and increasing consumption, especially due to their properties of resistance to mechanical impact and insulation (thermal and acoustic). The recycling of post-consumer polystyrene (PS) foam is considered unattractive, mainly due to high cost of transportation and high contamination of collected materials. In this study tests were performed to recycle polystyrene foam by dissolution into two solvents from renewable resources, d-limonene and p-cymene. The recycling by dissolution into these terpenes promotes the reduction to about 4% of the initial volume of expandable polystyrene (EPS), and allows the polymer solution filtration for the impurities removal. The solutions viscosity was measured both in dilute solutions and in higher concentrations. The separation between the solvent and polymer was accomplished by evaporation in a single drum dryer at different operating conditions. It was found that samples with a concentration around 30% (by mass), and values below this concentration, results in solutions that do not adhere suitably to the drum surface. Samples were evaluated on drum drying in concentrations of 33.3% to 37.5% (by weight), using drying temperatures between 90 °C and 116 °C and rotation speed of the drum between 0.47 and 0.57 rpm. For each test was evaluated the energy efficiency, and economic viability was estimated for two different situations. The most important economic factor in recycling by dissolution into terpenes process is the solvent recovery, due to higher cost of solvent compared with the recycled polymer. Among the tested solvents, d-limonene has a better cost/benefit relationship, due to availability and cost of this terpene in Brazil. The maximum concentration of interest in recycling by dissolution was considered 41.2% (by weight) or 0.7 gPS/gterpene. At this concentration the polymer solution is highly viscous (viscosity exceeds 15 Pa.s at 25 °C), and dissolution occurs at very low speeds. The residual solvent content of the dried samples ranged from 8.4% to 16.6% (by weight) and a percentage of 0.97 ± 0.17% (by mass) was found in samples submitted to forced convection oven at 130 °C until mass stabilization. For energy efficiency analysis, the best value obtained was 12.4 MJ/kg for the samples under drying temperature of 95 °C, drum rotation speed of 0.57 rpm and concentration of the initial solution of 37.5% (by mass). The lower production cost was found to be about US$ 0.70/kg, for the same operating condition. Among the analyzed cases, only the situation that consider a subsequent step to remove the residual solvent content to a minimum possible proved to be feasible. In this case, the simple payback is about 38 months.