Avaluació d'alternatives industrials per a l'obtenció de nous materials que valoritzen residus queratínics

Abstract

The worldwide poultry industry generates a large amount of wastes which, accordingly to the current law, are mostly discarded. These wastes include chicken feathers, keratin structures which 109.056.179 ton were generated in 2017 around the world. Taking into account this massive production and also their chemical and physical properties, keratin fibers that come from chicken feathers (CFs) are regarded as a potentially interesting material for its valorization in various areas. This option would make CFs an ecologic alternative (implying circular economy and biodegradability) to products that are already sold nowadays. Due to the increasing demand of sustainable plastic products, the use of CFs as a reinforcement of composite materials with low density polyethylene (LDPE) and polypropylene (PP) matrixes is regarded. Specifically, this work is focused on the fabrication process optimization, enhancing the compatibility between the matrix and the reinforcement. In order to achieve this objective, two strategies are followed: first, by the chemical modification of the chicken feathers by either acetylation or silanization and, secondly, by the addition of adhesion promoters like maleated polyethylene (MAPE) and maleated polypropylene (MAPP). The tests on the physical properties of the composites show that the addition of 20 % of CFs to the thermoplastic matrix decreases the tensile strength associated to a weak interfacial adhesion as it was demonstrated by scanning electron microscopy. However, when the MAPE/MAPP is added to the mixture, a significant increase in the tensile strength was noticed. On the contrary, acetylation and silane treatments did not result in any practical improvement of the properties of the biocomposites. On the other hand, nonwoven fabrics using CFs are made for acoustic insulation purposes. It is demonstrated that it is possible to fabricate a material with 50 % CFs and 50 % wool (W), with similar acoustic properties to those of a conventional insulation material such as stone wool (SW), even behaving better for frequencies below 2200 Hz. Life cycle assessment (LCA) studies show that the environmental impacts decrease when the amount of CFs increases in those nonwoven materials containing CFs and W, except for abiotic depletion and eutrophication impact categories. However, SW only present worse environmental performance than the CFs based nonwoven fabrics for few impact categories due to the negative contribution caused by the impacts associated to the W processing. Finally, the sorption of Cu2+ using CFs is studied and the results were compared with those obtained for commercial bentonite (BNT). The study of sorption kinetics at pH 4 show that, for low concentrations of Cu2+ (0,2 mM), sorption is greater and faster for CFs (94 %) rather than for BNT (67 %). Nevertheless, at higher metal concentrations (6 mM), BNT show a higher sorption capacity (87 %) than CFs (15 %). Similar results are obtained using CFs in real industrial wastewater. The material characterization by means of infrared spectroscopy and thermogravimetry techniques, before and after its use, shows that there are no significant changes in the structure of the sorbent, which would allow their reuse.

La indústria avícola mundial genera una gran quantitat de residus que, d’acord amb les normatives vigents, es destinen a abocador en la seva major part. Entre aquests residus hi ha les plomes, estructures queratíniques de les quals s’estima que, a l’any 2017, se’n van generar 109.056.179 tones arreu del món. Aquestes xifres, no gens menyspreables, juntament amb les seves propietats químiques i físiques, fan de les fibres queratíniques procedents de les plomes (CFs) un material potencialment interessant per la seva valorització en diversos camps. D’aquesta manera, es planteja l’ús de les CFs com una alternativa més ecològica (la seva utilització implica economia circular, és un material biodegradable, etc.) a productes ja existents al mercat. Donada la demanda creixent de productes plàstics més sostenibles, es proposa l’ús de les CFs com a reforç de materials compòsits amb matrius de polietilè de baixa densitat (LPDE) i polipropilè (PP). Concretament, la present tesi doctoral estudia la optimització del procés de fabricació dels materials, millorant la compatibilitat entre la matriu i el reforç. Per aconseguir aquesta finalitat es segueixen dues estratègies: en primer lloc, la modificació química de les CFs mitjançant l’acetilació i el tractament amb silans, i posteriorment l’addició de promotors d’adhesió com són el polietilè i el polipropilè maleats (MAPE, MAPP). Els resultats de les proves de les propietats físiques dels materials compòsits mostren que l’addició d’un 20 % v/v fa decréixer la resistència a la tracció del material degut a la poca adhesió de les fibres a la matriu, fet comprovat per microscòpia electrònica. No obstant, l’addició de MAPE/MAPP genera una millora notable de les propietats del compòsit. Els tractaments químics no obtenen millores substancials. Per altra banda, es fabriquen teixits no teixits que contenen CFs pel seu ús com a absorbents acústics. Es demostra que és possible crear un material que contingui un 50 % de CFs i un 50 % de llana (W) amb unes propietats aïllants similars a les d’altres productes actualment al mercat com ara la llana de roca (SW), amb un comportament fins i tot millor per freqüències per sobre dels 2200 Hz. Quan s’estudia aquest nou producte a nivell ambiental mitjançant un anàlisi de cicle de vida (ACV), s’observa que el seu comportament és millor com més gran és la quantitat de CFs que incorpora el producte, excepte per dues categories d’impacte (esgotament abiòtic i eutrofització). No obstant, la SW només obté pitjor resultats que el teixit no teixit fabricat per poques categories d’impacte, degut a les càrregues que el processat de la W duu associat. Per últim, també s’estudia la capacitat de les plomes per sorbir Cu2+, comparant el seu comportament amb el d’un sorbent comercial com és la bentonita (BNT). Les cinètiques dutes a terme a pH 4 indiquen que, per a concentracions inicials baixes de Cu2+ (0,2 mM), la sorció és major i més ràpida per les CFs (94 %) que per la BNT (67 %), mentre que per concentracions de metall majors (6 mM), la BNT mostra major capacitat de sorció (87 %) que les CFs (15 %). Resultats similars s’obtenen al estudiar la sorció en aigües industrials residuals reals. La caracterització del material mitjançant tècniques d’espectroscòpia infraroja i termogravimetria abans i després de la sorció demostren que no es produeixen canvis significatius en l’estructura del sorbent, per la qual cosa la seva reutilització sembla una possibilitat viable.

La industria avícola mundial genera una gran cantidad de residuos que, de acuerdo con las normativas vigentes, se destinan a vertedero en su mayor parte. Entre dichos residuos se encuentran las plumas de pollo, estructuras queratínicas de las cuales se estima que, en el año 2017, se generaron 109.056.179 toneladas alrededor del mundo. La magnitud de estas cifras, junto con las propiedades químicas y físicas de las fibras queratínicas procedentes de las plumas de pollo (CFs), hacen que sean un material potencialmente interesante para su valorización en distintos ámbitos. De esta forma se plantea el uso de las CFs como una alternativa más ecológica (su utilización implica economía circular, es un material biodegradable, etc.) a productos ya existentes en el mercado. Dada la demanda creciente de productos plásticos más sostenibles, se propone el uso de las CFs como refuerzo de materiales compuestos con matriz de polietileno de baja densidad (LDPE) y polipropileno (PP). Concretamente, dicha tesis doctoral estudia la optimización del proceso de fabricación de los materiales, mejorando la compatibilidad entre la matriz y el refuerzo. Para conseguir dicha finalidad se siguen dos estrategias: en primer lugar, la modificación química de las CFs mediante la acetilación y el tratamiento con silanos, y posteriormente la adición de promotores de adhesión como el polietileno y el polipropileno maleados (MAPE, MAPP). Los resultados de las pruebas sobre las propiedades físicas de los materiales compuestos muestran que la adición de un 20 % v/v afecta negativamente el valor de la resistencia a la tracción del material debido a la poca adhesión de las fibras a la matriz, hecho que se comprueba mediante microscopia electrónica. No obstante, la adición de MAPE/MAPP genera una mejora notable de las propiedades del material. Los tratamientos químicos no obtienen mejoras sustanciales. Por otra parte, se fabrican tejidos no tejidos que contienen CFs para su uso como absorbentes acústicos. Se demuestra que es posible crear un material que contenga un 50 % de CFs y un 50 % de lana (W) con unas propiedades aislantes similares a las de otros productos actualmente en el mercado, como podría ser la lana de roca (SW), con un comportamiento incluso mejor en frecuencias superiores a 2200 Hz. Cuando se estudia este nuevo producto a nivel ambiental mediante un análisis de ciclo de vida (ACV), se observa que su comportamiento es mejor como mayor es la cantidad de CFs que incorpora el producto, a excepción de dos categorías de impacto (agotamiento abiótico y eutrofización). No obstante, la SW sólo obtiene peores resultados que el tejido no tejido fabricado en pocas categorías de impacto, debido a las cargas que el procesado de la W lleva asociado. También se estudia la capacidad de las plumas para sorber Cu2+, comparando su comportamiento con el de un sorbente comercial como es la bentonita (BNT). Las cinéticas llevadas a cabo a pH 4 indican que, para concentraciones iniciales bajas de Cu2+ (0,2 mM), la sorción es mayor y más rápida para las CFs (94 %) que para la BNT (67 %), mientras que, para concentraciones de metal mayores (6 mM), la BNT muestra mayor capacidad de sorción (87 %) que las CFs (15 %). Resultados similares se obtienen al estudiar la sorción en aguas industriales residuales reales. La caracterización del material mediante técnicas de espectroscopia infrarroja y termogravimetría antes y después de la sorción demuestran que no se producen cambios significativos en la estructura del sorbente, por la cual cosa su reutilización parece una opción viable.