Publication
Plastics dissolution and recovery with sustainable solvents
| datacite.subject.fos | Engenharia e Tecnologia::Engenharia Química | |
| datacite.subject.sdg | 11:Cidades e Comunidades Sustentáveis | |
| dc.contributor.advisor | Ferreira, Olga | |
| dc.contributor.advisor | Martins, Mónia | |
| dc.contributor.advisor | Pinho, Simão | |
| dc.contributor.advisor | Pietrobelli, Juliana Martins | |
| dc.contributor.author | Holtz, Maria Eduarda Vieira | |
| dc.date.accessioned | 2025-06-11T15:05:47Z | |
| dc.date.available | 2025-06-11T15:05:47Z | |
| dc.date.issued | 2025-03-17 | |
| dc.date.submitted | 2025 | |
| dc.description | Mestrado de dupla diplomação com a Universidade Tecnológica Federal do Paraná | |
| dc.description.abstract | The plastic pollution crisis is one of the biggest environmental challenges faced today. Plastics and their waste are increasing at an alarming rate, reaching nearly 300 million tons per year, with only 10% being recycled. This leads to the rapid accumulation of plastics in the environment, creating an urgent need for more efficient and accessible recycling methods that preserve the quality of recycled polymers. Among the various processes, dissolution/precipitation, classified as a physical recycling method, emerges as a promising solution, enabling polymer recovery while maintaining its properties. However, the use of conventional volatile organic solvents remains the most common approach, driving the search for more efficient and sustainable alternatives. This study aimed to analyze the dissolution of polystyrene (PS) in terpene-based alternative solvents and their eutectic mixtures at moderate temperatures. Initially, predictive tools such as the COnductor-like Screening Model for Realistic Solvents (COSMO-RS) and the Hansen Solubility Parameters (HSP) model were used to evaluate the dissolution capacity of various solvents. Subsequently, the most promising solvents were experimentally tested to verify their effectiveness in dissolving PS. The COSMO-RS model indicated favorable dissolution of PS using methyl ethyl ketone, ethyl acetate, and p-xylene among conventional solvents, and carvone, fenchone, citronellal, and menthone among terpenes, while cyclohexane, ⍺-pinene, turpentine Pinaster, and turpentine Elliottii showed unfavorable interactions. The HSP methodology confirmed high compatibility of PS with carvone, fenchone, p-cymene, p-xylene, menthone, and limonene, moderate compatibility with β-pinene, ethyl acetate, and cyclohexane, and low compatibility with ethanol, methanol, and water. Experimental validation of solvent performance in PS dissolution at 60 °C identified pcymene and γ-terpinene as the most effective solvents. Both theoretical and experimental approaches demonstrated consistency in identifying p-cymene as a promising green solvent for PS dissolution. FTIR analysis of the recovered polymer confirmed that no significant structural alterations occurred, ensuring the integrity of the polymer after dissolution and recovery. The thermal analysis of recovered PS using TGA and DSC revealed varying degrees of thermal stability and structural alterations depending on the green solvent and processing conditions used. In general, TGA results showed that most solvents resulted in degradation onset temperatures comparable to or higher than pure PS, indicating minimal thermal destabilization. Additionally, solvent was often retained in the polymer, indicating its incomplete removal and potential impact on thermal properties. DSC analysis showed that recovered PS exhibited lower glass transition temperatures compared to pure PS. Antisolvent precipitation was identified as the preferable approach to enhance polymer recovery efficiency while minimizing solvent retention. Overall, the solvents studied showed significant potential as sustainable alternatives for plastic dissolution, contributing to more environmentally friendly recycling processes. | por |
| dc.description.abstract | A crise de poluição plástica representa um dos desafios mais urgentes do mundo atual. Os plásticos e os seus resíduos estão a aumentar a um ritmo alarmante, atingindo quase 300 milhões de toneladas por ano, com apenas 10% a serem reciclados. Isto leva à rápida acumulação de plásticos no ambiente, criando uma necessidade urgente de métodos de reciclagem mais eficientes e acessíveis, que preservem a qualidade dos polímeros reciclados. Entre os vários processos existentes, o método de dissolução/precipitação, classificado como reciclagem física, surge como uma solução promissora, permitindo a recuperação dos polímeros sem comprometer as suas propriedades. No entanto, a utilização de solventes orgânicos voláteis convencionais continua a ser a abordagem mais comum, impulsionando a procura por alternativas mais eficientes e sustentáveis. Este estudo teve como objetivo analisar a dissolução do poliestireno (PS) em solventes alternativos à base de terpenos e nas suas misturas eutéticas a temperaturas moderadas. Inicialmente, ferramentas preditivas como o modelo COnductor-like Screening Model for Realistic Solvents (COSMO-RS) e os Parâmetros de Solubilidade de Hansen (HSP) foram utilizadas para avaliar a capacidade de dissolução de vários solventes. Posteriormente, os solventes mais promissores foram testados experimentalmente para verificar a sua eficácia na dissolução do PS. O modelo COSMO-RS indicou a dissolução favorável do PS utilizando a metiletilcetona, o acetato de etilo e o p-xileno entre os solventes convencionais, e a carvona, a fenchona, o citronelal e a mentona entre os terpenos, enquanto o ciclo-hexano, o ⍺-pineno, a terebintina Pinaster e a terebintina Elliottii apresentaram interações desfavoráveis. A metodologia HSP confirmou uma elevada compatibilidade do PS com a carvona, a fenchona, o p-cimeno, o p-xileno, a mentona e o limoneno, compatibilidade moderada com o β-pineno, o acetato de etilo e o ciclo-hexano, e baixa compatibilidade com o etanol, o metanol e a água. A validação experimental do desempenho dos solventes na dissolução do PS a 60 °C identificou o p-cimeno e o γ-terpineno como os solventes mais eficazes. Tanto as abordagens teóricas como as experimentais demonstraram consistência na identificação deste solvente como um solvente verde promissor para a dissolução do PS. A análise FTIR do polímero recuperado confirmou que não ocorreram alterações estruturais significativas, garantindo a integridade do polímero após a dissolução e recuperação. A análise térmica do PS recuperado, através de TGA e DSC, revelou diferentes graus de estabilidade térmica e alterações estruturais, dependendo do solvente verde e das condições de processamento utilizadas. Geralmente, os resultados de TGA mostraram que a maioria dos solventes resultou em temperaturas de degradação comparáveis ou superiores às do PS puro, indicando uma desestabilização térmica mínima. Além disso, o solvente ficou muitas vezes retido no polímero, indicando a sua remoção incompleta e o possível impacto nas propriedades térmicas. A análise DSC demonstrou que o PS recuperado apresenta temperaturas de transição vítrea menores em comparação com o PS puro. A precipitação por anti-solvente foi identificada como uma abordagem preferível para melhorar a eficiência da recuperação do polímero, minimizando ao mesmo tempo a retenção de solvente. Em geral, os solventes estudados demonstraram um potencial significativo como alternativas sustentáveis para a dissolução de plásticos, contribuindo para processos de reciclagem mais ecológicos. | por |
| dc.identifier.tid | 203946782 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10198/34576 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | |
| dc.subject | Plastic pollution | |
| dc.subject | Physical recycling | |
| dc.subject | Green solvents | |
| dc.subject | Dissolution/precipitation | |
| dc.subject | Polystyrene | |
| dc.subject | COSMO-RS | |
| dc.subject | Hansen solubility parameters | |
| dc.title | Plastics dissolution and recovery with sustainable solvents | |
| dc.type | master thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| thesis.degree.name | Engenharia Química |