Conversion of plastic solid wastes into carbon nanotubes: effect of operating conditions

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do ParanáAn efficient treatment of plastic waste brings remarkable environmental, social and economic benefits. Therefore, this work proposes the recovery of plastic waste by its conversion to carbon nanotubes (CNTs) by sequential pyrolysis and chemical vapor deposition (CVD). For this purpose, an alumina-supported iron material, prepared by the sol-gel method, was used as catalyst in chemical vapor deposition. This method allows to control the size of the formed carbon nanostructures. To understand the variables affecting the proportion and to maximize material yield, catalyst, flow rate and temperature at which CVD will occur were studied in this work. Three types of pure polymers were used as carbon precursors: low-density polyethylene (LDPE), high-density polyethylene (HDPE) and polypropylene (PP), as well as a mixture of them. The best conditions for the formation of CNTs was found to be 40 mL/min of nitrogen inflow and 800 °C for the polymers, with the following yields, respectively: 16.9 (LDPE), 8.5 (HDPE), 6.7 (PP) and 8.9 (MIX) %. The obtained samples were purified with 50 % H2SO4. Ash content, acidity and basicity, SBET, XRD and FT-IR, were considered for the characterization of the materials. In the ashes, the purification removed a good part of the inorganic content, as the acid-base titration it demonstrated that the CNTs had an acidic character confirmed by the FT-IR. XRD revealed that the iron phase in the catalyst produced was Fe2O3, and the determination of the ash content confirmed the XRD results by the red color of the material at the end. And by porosimetry analysis, they were shown to be materials within the range of 159-242 m2/g, with their adsorption and desorption graphs resulting in a mesoporous material, characteristic of nanotubes.Um tratamento eficiente de resíduos plásticos traz benefícios ambientais, sociais e econômicos notáveis. Portanto, neste trabalho é proposta a valorização de resíduos plásticos em sua conversão para nanotubos de carbono (CNTs). Para que o processo ocorra, é necessário um catalisador que contenha metal de transição. Então é feito um catalisador de ferro suportado em alumina, Fe2O4/Al2O3, pelo método de sol gel no qual seu rendimento foi em torno de 25% de ferro. O método para formação dos nanotubos é a deposição química em fase vapor (CVD) que permite realizar o controle do tamanho das nanoestruturas de carbono formadas, com o uso de catalisadores adequados ao processo. Tanto para o controle do tamanho quanto para maior rendimento do material são diversas variáveis, as estudadas serão: o catalisador, o caudal e a temperatura que ocorrerá o CVD. Também serão usados três tipos de polímeros: polietileno de baixa densidade (LDPE), polietileno de alta densidade (HDPE) e polipropileno (PP), e uma mistura (MIX) entre eles. No qual a melhor condição para formação dos CNTs foi 40 mL/min de nitrogênio e a 800 °C com os seguintes rendimentos: 16.9 (LDPE), 8.5 (HDPE), 6.7 (PP) and 8.9 (MIX) %, respectivamente. A maioria das amostras foram purificadas com 50 % de ácido sulfúrico. Cinzas, acidez e basicidade, SBET, DRX, e FT-IR foram os métodos de caracterização. Nas cinzas, a purificação retirou boa parte do conteúdo inorgânico, assim como pela titulação ácido-base, demostrou que os CNTs tiveram caráter ácido comprovado pelo FT-IR. O DRX mostrou ser Fe2O3 o catalisador produzido, e com as cinzas provou ser o mesmo material pela coloração avermelhada. E por análise de porosimetria demonstrou serem materiais dentro do intervalo de 159-242 m2/g, com seus gráficos de adsorção e dessorção resultando um material mesoporoso, característico de nanotubos.This work is a result of project PLASTIC_TO_FUEL&MAT, with reference POCI 01 0145-FEDER-031439 and CIMO - UIDB/00690/2020 financed through FCT/MCTES (PIDDAC)