Básicamente, un nuevo proceso químico puede vaporizar los plásticos que dominan los flujos de desechos actuales y convertirlos en componentes básicos de hidrocarburos 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, el componente de la mayoría de las bolsas de plástico de un solo uso; y polipropileno, un material plástico rígido, desde platos aptos para microondas hasta equipaje. Reduce eficientemente este tipo de mezcla plástica.
El proceso, si se amplía, podría ayudar a lograr una economía circular para muchos plásticos desechados, al convertir los desechos plásticos en monómeros utilizados para fabricar polímeros, reduciendo los combustibles fósiles utilizados para fabricar nuevos 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 el volumen del plástico de poliéster es muy bajo en comparación con el plástico de polietileno y polipropileno, que se llama poliolefina.
“Hay mucho polietileno y polipropileno en nuestras cosas cotidianas, desde bolsas de almuerzo hasta botellas de jabón para lavar ropa y jarras de leche; la mayor parte de lo que nos rodea está hecho de estas poliolefinas”, dijo John Hartwig, profesor de química de UC Berkeley que Lideró la investigación. “Lo que podemos hacer ahora, en principio, es tomar esos materiales y devolverlos a los monómeros iniciales que hemos creado mediante reacciones químicas que rompen los enlaces carbono-carbono normalmente estables. Al hacer esto, estamos más cerca que nadie. “Alguna vez he utilizado polietileno y polipropileno para dar el mismo tipo de redondez que se obtiene con los poliésteres en las botellas de agua”.
Hartwig, el estudiante de posgrado Richard J. “RJ” Konak, el ingeniero químico Alexis Bell, profesor de la Escuela de Graduados de UC Berkeley, y sus colegas publicarán detalles del proceso catalítico en el número xx de la revista. ciencia.
Una economía circular para los plásticos
Los plásticos de polietileno y polipropileno constituyen aproximadamente dos tercios de los residuos plásticos posconsumo en todo el mundo. Alrededor del 80% termina en vertederos, incinerados o arrojados a las calles, a menudo como microplásticos en arroyos 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 polimerizados para crear 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 llamado propano, que puede reutilizarse para fabricar plástico de polipropileno. Este proceso químico emplea tres catalizadores de metales pesados personalizados diferentes: uno para agregar un doble enlace carbono-carbono al polímero de polietileno y otros dos para romper la cadena en este doble enlace y escindir repetidamente un átomo de carbono y formar propileno con etileno. (DO3h6) moléculas hasta que el polímero desaparece. Pero los catalizadores se disuelven en reacciones líquidas y tienen una vida corta, lo que dificulta recuperarlos en su forma activa.
En el nuevo proceso, los costosos catalizadores metálicos solubles se reemplazan por sólidos más baratos 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 grandes volúmenes de material.
Konak 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, Conk descubrió que escindía o escindía eficientemente una variedad de cadenas de polímeros de poliolefina, dejando uno de los dos fragmentos con un doble enlace carbono-carbono reactivo al final. Un segundo catalizador, el óxido de sílice y tungsteno, añade átomos de carbono al final de la cadena al gas etileno, que fluye continuamente a través de la cámara de reacción para formar una molécula de propileno. Un proceso posterior 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 combinación 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 más eficaz que el catalizador de sodio para romper las cadenas de polipropileno.
“No se puede conseguir nada más barato que el sodio”, afirmó Hartwig. “Y el tungsteno es un metal abundante en la tierra que se utiliza a gran escala en la industria química, a diferencia de nuestros catalizadores metálicos de rutenio que eran más sensibles y más caros. Esta combinación de sílice sobre alúmina y óxido de tungsteno sobre sodio es como tomar dos tipos diferentes de suciedad y combinarlos en un todo escinde la cadena polimérica con un mayor rendimiento de propano a partir de etileno y una combinación de propano e isobutileno a partir de polipropileno que lo que hicimos con esos catalizadores más 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 un doble enlace carbono-carbono rompible en el polímero, que era una característica del proceso anterior de los investigadores para fabricar polietileno. Este tipo de doble enlace es el talón de Aquiles de los polímeros, del mismo modo que los enlaces reactivos carbono-oxígeno del poliéster o del PET hacen que los plásticos sean más fáciles 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 el polímero de poliolefina como un collar de perlas”, dice Hartwig. “Los cierres en los extremos evitan que se caigan. Pero si cortas el hilo por el medio, ahora puedes quitar una perla a la vez”.
Los dos catalizadores juntos convirtieron una mezcla casi igual de polietileno y polipropileno en propileno e isobutileno (ambos gases a temperatura ambiente) con aproximadamente un 90% de eficiencia. Para el polietileno o el polipropileno, el rendimiento fue aún mayor.
Konak añadió aditivos plásticos y diferentes tipos de plástico a la cámara de reacción para ver cómo los contaminantes afectaban la reacción catalítica. Pequeñas cantidades de estas impurezas apenas afectan el rendimiento de la conversión, pero pequeñas cantidades de PET y cloruro de polivinilo (PVC) reducen significativamente el rendimiento. Puede que esto no sea 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 serán un problema durante décadas.
“Se podría argumentar que deberíamos deshacernos de todo el polietileno y el polipropileno y simplemente utilizar nuevos materiales circulares. Pero el mundo no va a hacer eso en décadas. Las poliolefinas son baratas y tienen buenas propiedades, por eso todo el mundo las usa”, Hartwig dijo. “La gente dice que sería muy importante si pudiéramos encontrar una manera de reunirlos, 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 Brune de UC Berkeley y Ji Yang del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. Shi, Hartwig y Bell también están afiliados a Berkeley Lab. El trabajo fue financiado por el Departamento de Energía (DE-AC02-05CH11231).