Un nuevo proceso químico puede básicamente vaporizar los plásticos que hoy dominan el flujo de residuos y convertirlos en hidrocarburos básicos para nuevos plásticos.
El proceso catalítico, desarrollado en la Universidad de California, Berkeley, funciona igualmente bien con los dos tipos dominantes de desechos plásticos posconsumo: el polietileno, un componente de la mayoría de las bolsas de plástico de un solo uso; y polipropileno, productos de plástico duro, desde platos aptos para microondas hasta utensilios. También reduce eficazmente este tipo de compuestos plásticos.
Este proceso, si se amplía, podría ayudar a lograr una economía circular para muchos plásticos desechados, en la que los desechos plásticos se convierten en monómeros utilizados para fabricar polímeros, creando así nuevos combustibles fósiles utilizados para fabricar plásticos. Las botellas de agua de plástico transparente hechas de tetraftalato de polietileno (PET), un poliéster, fueron diseñadas para ser recicladas de esta manera en la década de 1980. Pero los plásticos de poliéster tienen un volumen menor que los plásticos de polietileno y polipropileno, conocidos como poliolefinas.
“Tenemos una gran cantidad de polietileno y polipropileno en las cosas cotidianas, desde las bolsas de almuerzo hasta las botellas de detergente para la ropa y las jarras de leche”, dijo John Hartwig, profesor de química de la Universidad de California en Berkeley. Todo lo que nos rodea está hecho de estas poliolefinas. investigación dirigida. “Lo que podemos hacer ahora, en principio, es tomar estos objetos y devolverlos a los monómeros iniciales mediante una reacción química que hemos ideado y que rompe los enlaces carbono-carbono normalmente estables. Al hacer esto, nos hemos acercado más que nadie más a darle al polietileno y al polipropileno la misma circulación que se le da al poliéster”.
Hartwig, el estudiante de posgrado Richard J. “RJ” Kank, el ingeniero químico Alexis Bell, profesor de la escuela de posgrado de UC Berkeley, y sus colegas publicarán detalles del proceso catalítico en la edición XX de la revista. Ciencia.
Una economía circular para los plásticos
Los plásticos de polietileno y polipropileno representan aproximadamente dos tercios de los residuos plásticos posconsumo en todo el mundo. Alrededor del 80% termina en vertederos, incinerados o arrojados a las carreteras, y a menudo terminan como microplásticos en ríos y océanos. El resto se recicla como plástico de bajo valor, que se convierte en materiales decorativos, macetas y tenedores.
Para reducir este desperdicio, los investigadores están buscando formas de convertir los plásticos en algo más valioso, como monómeros que se polimerizan para producir nuevos plásticos. Esto creará una economía circular de polímeros para los plásticos, reduciendo la necesidad de fabricar nuevos plásticos a partir del petróleo, que produce gases de efecto invernadero.
Hace dos años, Hartwig y su equipo de UC Berkeley idearon un proceso para descomponer las bolsas de plástico de polietileno en el monómero propileno, también conocido como propano, que luego se reutilizaba para fabricar latas de plástico de polipropileno. El proceso químico utilizó tres catalizadores de metales pesados personalizados diferentes: uno para agregar un doble enlace carbono-carbono al polímero de polietileno y otro para romper la cadena en ese doble enlace y eliminar repetidamente un átomo de carbono y etileno para formar propileno. (DO3h6moléculas hasta que el polímero desaparece. Pero los catalizadores se disolvieron en la reacción líquida y, durante un corto período de tiempo, resultó difícil restaurarlos a su forma activa.
En el nuevo proceso, los costosos catalizadores metálicos solubles se reemplazan con sólidos económicos comúnmente utilizados en la industria química para procesos de flujo continuo que reciclan el catalizador. Los procesos de flujo continuo se pueden ampliar para manejar mayores volúmenes de material.
Kanak experimentó por primera vez con estos catalizadores después de consultar a Bell, un experto en catálisis heterogénea del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular.
Al sintetizar un catalizador de sodio sobre alúmina, Connick descubrió que escindía o escindía eficazmente una variedad de cadenas de polímeros de poliolefina, lo que daba como resultado uno de los dos fragmentos con un doble enlace carbono-carbono reactivo. Un segundo catalizador, óxido de tungsteno sobre sílice, añade un átomo de carbono al final de la cadena al gas etileno, que continúa a través de la cámara de reacción para formar una molécula de propileno. El último proceso, llamado metátesis de olefinas, deja un doble enlace al que el catalizador puede acceder repetidamente hasta que toda la cadena se convierte en propileno.
La misma reacción ocurre con el polipropileno para formar una mezcla de propano y un hidrocarburo llamado isobutileno. El isobutileno se utiliza en la industria química para fabricar polímeros para productos que van desde balones de fútbol hasta cosméticos y para fabricar aditivos de gasolina de alto octanaje.
Sorprendentemente, el catalizador de tungsteno fue incluso más eficaz que el catalizador de sodio para romper las cadenas de polipropileno.
“No se puede conseguir nada más barato que el sodio”, afirma Hartwig. “Y el tungsteno es un metal rico en tierra muy utilizado en la industria química, en comparación con nuestros catalizadores de metal de rutenio, que son más sensibles y más caros”. Esta combinación de sílice sobre alúmina y óxido de tungsteno sobre sodio es como tomar dos tipos diferentes. lodos y separando toda la cadena polimérica, desde etileno hasta propano y desde polipropileno hasta una combinación de propano e isobutileno, que lo que hicimos con estos catalizadores complejos y costosos”.
Como un collar de perlas
Una ventaja clave de los nuevos catalizadores es que evitan la necesidad de eliminar el hidrógeno para formar el doble enlace carbono-carbono que se rompe en el polímero, que era una característica del proceso anterior de los investigadores para deconstruir el polietileno. Los dobles enlaces son el talón de Aquiles de estos polímeros, del mismo modo que los enlaces reactivos carbono-oxígeno del poliéster o del PET hacen que el plástico sea más fácil de reciclar. El polietileno y el polipropileno no tienen este talón de Aquiles: sus largas cadenas de enlaces de carbono simples son muy fuertes.
“Piense en los polímeros de poliolefina como un collar de cuentas”, dijo Hartwig. “Los cierres en los extremos evitan que se caigan. Pero si cortas el hilo por la mitad, ahora puedes sacar una perla a la vez”.
Juntos, los dos catalizadores convirtieron una mezcla aproximadamente equivalente de polietileno y polipropileno en propileno e isobutileno (ambos gases a temperatura ambiente) con una eficiencia de alrededor del 90 por ciento. Para el polietileno o el polipropileno solos, los rendimientos fueron incluso mayores.
Konak añadió aditivos plásticos y diferentes tipos de plástico a la cámara de reacción para ver cómo los contaminantes afectaban las reacciones catalíticas. Pequeñas cantidades de estas impurezas apenas afectaron la eficiencia de conversión, pero pequeñas cantidades de PET y cloruro de polivinilo (PVC) redujeron significativamente la eficiencia. Sin embargo, esto puede no ser un problema, ya que los métodos de reciclaje ya separan los plásticos por tipos.
Hartwig señaló que si bien muchos investigadores esperan rediseñar los plásticos desde cero para que puedan reciclarse fácilmente, los plásticos difíciles de reciclar de hoy seguirán siendo un problema durante décadas.
“Se podría argumentar que deberíamos eliminar todo el polietileno y el polipropileno y simplemente usar nuevos materiales circulares. Pero el mundo no hará eso durante décadas y décadas. Los polioles son baratos y tienen buenas propiedades, por eso todos los usan. ” dijo Hartwig. “La gente dice que si podemos encontrar una manera de hacerlos circulares, sería un gran problema, y eso es lo que hemos hecho. Uno puede empezar a imaginar una planta comercial que haría eso”.
Otros coautores del artículo son los estudiantes graduados Jules Stahler, Jack Shi, Natalie Lefton y John Byrne de UC Berkeley y Jie Yang del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Shi, Hartwig y Bell también están afiliados a Berkeley Lab. Este trabajo fue financiado por el Departamento de Energía (DE-AC02-05CH11231).
