Thermal degradation of PVC-PET plastic mixtures

Plastic materials play a significant role in the world today due to their countless applications. They are used to produce valuable products such as protective packaging, clothing, insulation materials, medical devices, and key components for different applications. However, with the fast increase in plastic consumption, there is also an inevitable increase in plastic waste that causes significant environmental pollution due to its low degradability in nature. The most widespread treatment trend remains landfilling or incineration, although, especially for the former, attempts have been made to limit its use over the years. In fact, neither of these routes is completely accepted from an environmental point of view by the current international legislation. Moreover, this kind of waste is difficult to be treated or mechanically recycled, mostly due to its complex nature and composition that strongly affects the degree to which this waste can be effectively recycled. On the contrary, chemical treatment processes, such as pyrolysis or gasification, are promising alternatives for waste valorization. In particular, plastic mixtures pyrolysis makes it possible to treat different types of plastics together, exploiting their properties to decompose at different temperatures. Therefore, in order to minimize polymer waste, nowadays, there is a greater interest in better assessing the chemical phenomena governing plastic mixtures thermal degradation. Among these polymers, polyvinyl chloride (PVC) and polyethylene terephthalate (PET) play a significant role during the pyrolysis of mixed plastic waste since they are found in significant quantities. For this reason, modeling the thermal degradation of these two polymers mixture is of extreme importance and leads to quite a few challenges due to the existence of chemical interactions between them. Furthermore, the presence of PVC in the mixture makes the selection of reaction conditions more complex due to the large chlorine content within its molecular structure, becoming a source of an important release of HCl. This work aims to study and understand an existing detailed kinetic model describing the thermal degradation of neat PVC and PET, followed by the study of the thermal degradation of PVC-PET plastic mixtures, with special emphasis on the chemical interactions occurring between these two polymers. The planned work includes various simulations and comparisons with experimental data at different operating conditions and sensitivity analysis of the model itself to the main parameters affecting the thermal process. The collected experimental results are compared with the results obtained from the existing model in order to highlight the strengths and weaknesses of the model, comparing both the thermogravimetric curves and the distribution of the products. The results showed the reliability of the model in the operating conditions investigated. However, further studies will be necessary to obtain more precise predictions, especially regarding the distribution of the products. The work carried out represents a starting point for future activity to obtain a clearer and more reliable kinetic scheme of the current PVC and PET neat polymers model and PVC-PET mixtures. This model, combined with the previously developed kinetic schemes of other plastic polymers, can be used to simulate real plastic mixtures collected in municipal solid waste, i.e. plasmix, and for the design of pyrolysis plants.

Le materie plastiche rivestono un ruolo significativo nel mondo di oggi date le loro innumerevoli applicazioni. Sono utilizzate, infatti, per la produzione di prodotti come imballaggi protettivi, indumenti, materiali isolanti, dispositivi medici e componenti chiave per svariate applicazioni. Tuttavia, il rapido aumento del consumo di plastica porta anche ad un inevitabile aumento della produzione di rifiuti plastici che, a causa della bassa degradabilità in natura, provoca un considerevole inquinamento ambientale. La tendenza più diffusa per trattare questi rifiuti plastici rimane quella del deposito in discarica o dell’incenerimento, anche se, soprattutto per la prima, si è cercato di limitarne l’uso nel corso degli anni. Infatti, nessuno dei due sistemi risulta completamente accettabile da un punto di vista ambientale dalle attuali politiche internazionali. Inoltre, questo tipo di rifiuti risulta difficile da trattare o riciclare meccanicamente, soprattutto a causa della sua complessa natura e composizione che ne influenzano l’effettivo grado di riciclo. Al contrario, processi di trattamento chimico, come la pirolisi o la gassificazione, risultano essere una promettente alternativa per una valorizzazione del rifiuto. In particolare, la pirolisi di miscele plastiche è in grado di trattare diversi tipi di plastiche insieme, sfruttando le proprietà delle stesse di decomporsi a temperature differenti. Pertanto, al fine di ridurre l’accumulo di rifiuti plastici, esiste sempre più un maggiore interesse a comprendere meglio i fenomeni chimici responsabili della degradazione termica delle miscele plastiche. Tra questi polimeri, il polivinilcloruro (PVC) e il polietilentereftalato (PET) svolgono un ruolo importante durante la pirolisi di rifiuti plastici poiché presenti in quantità significanti. Per questa ragione, la modellazione del degrado termico di questi due polimeri e della loro miscela è di estrema importanza e porta a non poche difficoltà a causa dell'esistenza di interazioni chimiche che si verificano tra di loro durante il processo. Inoltre, la presenza di PVC nella miscela rende più complessa la scelta delle condizioni di reazione a causa dell’elevato contenuto di cloro all'interno della propria struttura molecolare, diventando fonte di un significativo rilascio di HCl. L'obiettivo di questo lavoro è focalizzato sullo studio di un modello cinetico dettagliato già esistente che descrive la degradazione termica del PVC e PET puri, seguito dallo studio della degradazione termica di miscele plastiche PVC-PET, con particolare enfasi sulle interazioni chimiche che avvengono tra questi due polimeri. Il lavoro previsto comprende diverse simulazioni e confronti con dati sperimentali in differenti condizioni operative, oltre ad un'analisi di sensibilità del modello stesso in funzione dei principali parametri che possono influenzare il processo termico. I risultati sperimentali raccolti sono confrontati con i risultati ottenuti dal modello esistente al fine di evidenziare i punti di forza e di debolezza del modello, confrontando sia le curve termogravimetriche che la distribuzione dei prodotti. I risultati hanno mostrato l'affidabilità del modello nelle condizioni operative indagate, anche se ulteriori studi sono necessari al fine di sviluppare un modello con migliori capacità predittive, soprattutto per quanto riguarda la distribuzione dei prodotti. Il lavoro svolto rappresenta un punto di partenza per una futura attività finalizzata ad ottenere uno schema cinetico più chiaro e affidabile dell'attuale modello per il PVC, PET e della loro miscela. Questo modello, unito agli schemi cinetici precedentemente sviluppati di altri polimeri plastici, potrà essere utilizzato per la simulazione di vere e proprie miscele plastiche raccolte nei rifiuti solidi urbani, ovvero plasmix, e per il design di impianti di pirolisi.