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NS-62-MA-LE Aglomerado verde: ¡Dos problemas, una solución!


Categoría: Superior (Licenciatura)
Área de participación: Medio Ambiente

Equipo: Glomer´s

Miembros del equipo:
Maria Jose Soto Miranda
Cristian Alberto Cisneros Perez
Juan Carlos Salazar Monroy

Asesor: Ing. Rogelio Zarza Díaz

Escuela: Tecnológico de Estudios Superiores de Jilotepec

Resumen

La urbanización y el desarrollo económico han impulsado la deforestación y degradación de los bosques. La deforestación ha incrementado los incendios forestales y disminuido los servicios ambientales de estos ecosistemas, la recarga de acuíferos y la infiltración del agua de lluvia, aunado a esto existen plantas alóctonas invasivas (Arundo Donax) que generan una modificación completa de los ecosistemas riparios, debido al azolvamiento y taponamiento de los cuerpos de agua, que pierden su capacidad de conducción y almacenamiento, además reducen su disponibilidad.

Otro de los problemas que afecta el medio ambiente son los plásticos, los cuales son materiales de bajo costo es por ello que se han utilizado de manera exagerada, entre los plásticos más contaminantes está el poliestireno, el cual es un material de uso básico, su destino es la basura y rellenos sanitarios sin darle un segundo uso.

Una alternativa para mitigar estos dos problemas es realizar un aglomerado, dándole un segundo uso al unicel y evitando el esparcimiento de una planta alóctona (Arundo Donax) a nivel mundial según la UICN (Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza); con este aglomerado se pretende reducir el uso de madera, pues es un material que se puede moldear fácilmente según el dispositivo de compresión que se utilice, además la materia prima para la elaboración de este material está en contacto directo con el agua durante su desarrollo, es por esto que el producto final no tiende a hincharse  al contacto como la madera o el aglomerado comercial.

Pregunta de Investigación

¿Es posible reutilizar el unicel o poliestireno, que es un agente desechable altamente contaminante y el carrizo como planta alóctona e invasora en los cuerpos de agua, para obtener un aglomerado?

Planteamiento del Problema

La Asociación Nacional de Industrias del Plástico (ANIPAC) y la Asociación Nacional de la Industria Química (ANIQ), estiman que el consumo nacional del unicel en México es de 125 mil toneladas anuales, además, el poliestireno es el cuarto termoplástico de mayor tonelaje (Smith, 2004). Es uno de los plásticos más contaminantes, con un ciclo de vida muy corto por lo que es desechado rápidamente, además las propuestas para su tratamiento y reciclaje son muy pocas.

El carrizo (Arundo Donax), es considerado por la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (UICN) como una de las plantas alóctonas más peligrosas, nocivas e invasoras a nivel mundial; se reproduce mediante rizomas que pueden crecer medio metro cada año (Sanz, 2004); se considera muy agresiva ya que invade los cuerpos de agua , adaptándose sobre todo a suelos pobres, ácidos, frágiles, con altas concentraciones de sales, genera una modificación completa de los ecosistemas, debido al azolvamiento y taponamiento de los cuerpos de agua, ya que pierden su capacidad de conducción y almacenamiento.

Teniendo de antesala este contexto es imprescindible desarrollar procesos que permitan reciclar el poliestireno, debido a que el material del que está conformado tiende a no descomponerse mediante los procesos naturales en por lo menos 1000 años. De acuerdo con Gracia (2010), han encontrado que el polímero rehusado en solución tiene diferentes aplicaciones pudiendo fungir como adhesivo para la elaboración de un aglomerado, permitiendo así el aprovechamiento del carrizo que, en la región de Jilotepec, Estado de México no tiene utilidad alguna, sin embargo se encuentra presente en los cuerpos de agua con que cuenta el municipio

Antecedentes

Con base en los tonelajes de las ventas globales de ciertos termoplásticos en 1998 junto con sus listas de precios a granel en 2000, se observa que cuatro de los materiales plásticos principales (polietileno, policloruro de vinilo, polipropileno y poliestireno) se encuentran entre los más vendidos (Smith, 2004).

Los poliestirenos generalmente tienen propiedades promedio y son frágiles pero económicos. Suelen aplicarse en contenedores desechables, empaques, charolas para carnes, galletas y dulces, aislantes para espumas, electrodomésticos, componentes automovilísticos, de radio y televisión, artículos domésticos y partes para juguetes y muebles (como sustituto de madera) (Kalpakjian, 2008).

La planta de carrizo, es muy parecida a la caña común, pero se diferencia de ésta por su menor tamaño y su floración. Se identifica por ser una planta robusta, provista de tallos rígidos, gruesos y muy duros, que pueden llegar a alcanzar una altura de hasta 3 metros; sus usos son muy diversos; con los tallos secos se fabrican techos; las hojas se emplean como forraje para el ganado y con las inflorescencias una vez secas, se hacen escobas y adornos florales. Desde hace relativamente poco tiempo, se cultiva para la obtención de celulosa, materia prima que se utiliza para la fabricación de la pasta de papel.

Objetivo

Realizar mediante la disolución de los deshechos de poliestireno (unicel) y Carrizo (Arundo Donax) un aglomerado que permita sustituir el uso de madera comercial (pino).

Justificación

Se continúan haciendo muchos esfuerzos globalmente en la recolección y el reciclado de productos plásticos usados. Los termoplásticos se reciclan refundiéndolos y reformándolos como otros productos, que portan símbolos de reciclaje. (Kalpakjian, 2008). Sin embargo, el poliestireno es barato y se puede procesar fácilmente para producir modelos con formas complejas, tamaños diversos y detalles superficiales finos, además es un producto muy contaminante que no se descompone ni se integra a la naturaleza.

La distribución de Arundo Donax en México indica alrededor de 138 registros de esta planta en la distribución general en el país; es una planta a la que se le conoce como invasiva y cuyas fibras se consideran de poco valor o aplicación, esta gramínea silvestre se propaga fácilmente de manera natural y crece de 2 a 4 metros de altura.

México es uno de los países con más diversidad  de especies de madera, en los últimos seis años se ha incrementado considerablemente el uso de esta, lo que ha provocado una alta deforestación en el país, es por ello que surge la necesidad de realizar un aglomerado que permita reducir el uso de madera de pino al igual que del unicel para contribuir a solucionar la problemática ambiental que ha generado el consumo desmedido de estos elementos naturales, reducir su escases en el ambiente y así dejar una huella ecológica en la región.

Hipótesis

Si se elabora un aglomerado de Arundo Donax y Poliestireno se podrá ofrecer una alternativa de consumo de madera comercial (pino).

Método (materiales y procedimiento)

Para la elaboración del material compuesto se utilizó Arundo Donax, poliestireno  y dos tipos de soluciones químicas.

Los tallos fueron cortados en forma seccional para ser molidos con una criba de 1/8 para que se les dé una mayor finura a las fibras del carrizo (figura 1).

Se realizo la recolección de unicel

Diseño y fabricación

Se diseñó (figura 3) y fabricó un dispositivo de compresión vertical para la elaboración de probetas cilíndricas. (figura 4).

Se trata de un dispositivo de compresión que gira de la parte superior a inferior de manera vertical para que el compuesto dentro del tubo se comprima y adopte una forma cilíndrica; el material será sometido a alta temperatura junto con el dispositivo de compresión, esto va a permitir realizar las pruebas correspondientes al aglomerado. Para la elaboración de probetas cuadradas fue necesario realizar el diseño de una prensa cuadrada (figura 5 y 6)

Diseño de experimentos

Para realizar el diseño de experimentos se utilizaron resultados de 2 muestras cuyos porcentajes son de 40% y 60% respectivamente de cada sustancia química; con relación a los porcentajes obtenidos y a los materiales a utilizar se obtuvo una variable de  para la elaboración de probetas y pruebas  correspondientes

(tabla 1).

Aplicación de la metodología

Elaboración de probetas para el estudio

Teniendo en cuenta el diseño de experimentos se realizó el adhesivo, posterior a eso se realizó la mezcla manual con el carrizo de modo que las fibras quedarán totalmente cubiertas con el adhesivo, el compuesto final es vaciado en  el dispositivo de compresión, el cual es sometido a una temperatura de 150° por una hora para que seque completamente el material.

Pruebas

Se analizó la cantidad de agua que retuvo una probeta de madera, una de Arundo Donax y otra de Arundo Donax con recubrimiento del mismo pegamento utilizado para comprimir el material; con ayuda de un calibrador vernier se realizaron mediciones antes y después de estar en contacto con el agua durante un lapso de 24 horas.

Se determinó la humedad por gravimetría, según la técnica de la AOAC (Asociación de Químicos Agrícolas Oficiales, 1990).

Para realizar el proceso de secado se pesaron primero los crisoles que después contendrían cada una de las probetas.

Se dejó por un lapso de 45 minutos en el horno de secado a una temperatura constante de 100 °C y posteriormente se enfrió en un desecador y se pesó, el porcentaje de humedad se obtuvo por la diferencia de peso en el pesafiltro dividido entre la cantidad de la muestra por 100.

La segunda prueba se realizó en el agua residual donde se sumergieron las probetas para analizar si existe la disolución de los elementos del pegamento en el agua, para lo cual se consideró el punto de ebullición de la acetona (56° C) y del acetato de etilo (77° C).

Pruebas de Resistencia

Se realizó un análisis con 2 diferentes muestras de carrizo haciendo uso de la máquina universal con la que se calculó la fuerza, tensión, deformación y rotura de desplazamiento; partiendo de parámetros normales hasta llegar al punto máximo de quiebre, obteniendo de cada muestra una curva de tensión-deformación; se puede apreciar que mientras menor sea el área, mayor será el esfuerzo aplicado en las muestras, llegando así a un punto de fractura.

Módulo de elasticidad

En el módulo de elasticidad cada muestra tiene una constante de flexibilidad que depende las condiciones del sistema, es decir, cuando se libera la carga el material va a regresar a sus condiciones naturales antes de ser deformado; si se le continúa aumentando carga al material entonces se va a llegar al tiempo de fractura donde el material no aguanta más esfuerzo y se fractura.

Resistencia a la compresión del aglomerado

Ésta se mide en la máquina universal, con ella se puede saber que tan comprimido se encuentra el material o que tanto más se puede comprimir, con esto adquiere mejores propiedades.

 

 

 

Galería Método

Resultados

Apegados a las diferentes pruebas realizadas al aglomerado se obtuvieron los siguientes resultados (ANEXO 3).

Expansión

El aglomerado fue dejado dentro del recipiente con agua por 24 horas durante las cuales se pudo observar que dicho compuesto no la absorbe ni cambia sus propiedades.

Al colocar un recubrimiento a las

probetas usando el mismo pegamento para comprimir el material este adquiere una propiedad más, la cual no permite que en el compuesto se presenten grietas o cuarteaduras.

Propiedades físicas

De acuerdo a las pruebas realizadas (densidad, humedad, temperatura y tratamiento térmico), se puede observar que el aglomerado de Arundo Donax es menos denso, tiene una humedad 2.5% mayor a la madera comercial.

Se realizó un comparativo del modelo inicial y final para conocer las nuevas propiedades adquiridas; con una masa de 38 gramos cada una se puede observar como en el modelo final la densidad aumenta al aplicar una fuerza de 824.09 N con una diferencia de 701.87 N respecto al modelo inicial.

Pruebas de resistencia

Con dos diferentes pruebas de carrizo se efectuó en la máquina universal un ensayo de resistencia para cada una, con estas se pudo observar la firmeza del material en su forma natural, en cada ensayo se obtiene una gráfica que muestra el módulo de elasticidad y el momento en que el material llega a romperse por fractura.  

Resistencia a la compresión del aglomerado

La muestra de aglomerado con la que se realizó esta prueba aguanto 120 kilogramos de compresión además de los ya aplicados anteriormente, se pudo observar que el ejemplar utilizado únicamente se ensanchó de la parte superior y obtuvo una mayor dureza, de acuerdo a esto se observa que al aplicar mayor fuerza al comprimir las fibras se unen de mejor manera por lo que el compuesto adquiere mayores propiedades.

Galería Resultados

Discusión

El unicel (poliestireno) es el cuarto termoplástico de mayor tonelaje, además es uno de los plásticos más contaminantes, con un ciclo de vida corto por lo que se desecha rápidamente y las propuestas para su tratamiento y reciclaje son muy pocas, pues no hay un proceso que requiera su recolección para reprocesamiento, lo cual conlleva a que gran cantidad de este material termine en mantos acuíferos y acabe con la vida de flora y fauna.

El Arundo Donax por sus propiedades es una planta de tallo grueso y resistente, pero a su vez la capacidad de reproducción es elevada por lo cual es considerada como alóctona a nivel mundial.

El dispositivo de compresión vertical se realizó para hacer las probetas para desea manera medir la densidad, humedad y tratamiento térmico; posteriormente se realizó una prensa con un gato hidráulico de botella la cual permite formar una placa cuadrada del aglomerado con la que se pueden realizar otro tipo pruebas.

 

Conclusiones

El poliestireno es un termoplástico con un lapso de mil años para su descomposición, por ser un material de bajo costo ha sido utilizado de manera exagerada, convirtiéndose así, en uno de los principales residuos altamente contaminantes. Los compuestos derivados del poliestireno son sumamente tóxicos para personas y animales, además genera gases capaces de dañar la capa de ozono que nos protege de los rayos UV.

El Arundo Donax es una planta alóctona del mundo, por ello fue necesario reutilizarla para la elaboración de un aglomerado con el fin de sustituir la madera comercial, con el que por sus propiedades adquiere una mayor resistencia a la intemperie dándole impermeabilidad al material.

Se fabricó un dispositivo el cual permitió la fabricación del comprimido entre Arundo Donax y Poliestireno pudiendo alcanzar propiedades similares a la de la madera comercial (pino).

Se elaboró un aglomerado de Arundo Donax con Poliestireno el cual arrojo resultados iniciales similares a los de la madera comercial, señalando que aún es necesaria la realización de pruebas de fuerza, tensión, desplazamiento y deformación para conocer las propiedades finales y la factibilidad de dicho compuesto. De acuerdo a los resultados ya obtenidos el aglomerado cuenta con una densidad de 0.43 , la humedad con la que cuenta es de 11%; además tiene resistencia a la compresión de  120  en un área de 4.55  en la cual sólo se expande de la parte superior, el resto no se rompe ni se altera su forma.

Bibliografía

  • 1990. Methods of Analysis of the Association of Official Analytical Chemist. 15th edition. Washington D.C., USA

 

  • 2015. Arundo Donax. En: Invasive Species Compendium. Wallingford, UK: CAB International.
  • Gracia, (2010): citado en Mayorga, D. C. Oliver, O. L. D., Giles, N. M. Peñaloza, C. V. 2014
  • Salkind, (1999). Métodos De Investigación, 3ra Edición,
  • Kalpakjian S, Schmid R S. (2008)., Manufactura, Ingeniería Y Tecnología, Quinta Edición. Pearson.
  • Askeland D. (1998), Ciencia E Ingeniería De Los Materiales, 3ra Edición.
  • Sanz Elorza Et A., (2004)., Atlas De Plantas Alóctonas Invasoras De España

Smith, F. W. (2004).  Fundamentos De Ciencia E Ingeniería De Los Materiales. 4ta Edición. Mc Graw Hill. México.



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Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography