La nanotecnología y el reciclaje químico de plásticos.

La nanotecnología y el reciclaje químico de plásticos.
10 octubre, 2020 Andrea Bonilla Brunner
In Notas

En los últimos años, se han desarrollado sistemas catalíticos (aceleradores de reacciones químicas) a base de nanotecnología que pueden convertir plásticos como el polietileno de alta densidad (HPED) usado en artículos como botellas, envases, juguetes, etc. que termina su vida útil, en compuestos más valiosos por ejemplo los usados para fabricar combustible diesel, lubricantes (aceite de motor), ceras para detergentes, materia prima para cosméticos, entre otros. [1].

 

Se calcula que para el año 2018 la industria de los plásticos produjo aproximadamente 359 millones de toneladas métricas de plástico. [2,3]. Para ese mismo año, la tasa de reciclaje a nivel mundial estaba entre 14 y 18%, de los cuales el 24% se destinó a ser incinerado y cerca del 62% se desechó en vertederos o directamente en algún ambiente natural [4].

Reciclaje de plásticos

 

Hay diferentes tipos de reciclaje de plásticos: el mecánico, el químico (chemical upcycling), reciclaje energético (incineración, pirólisis y gasificación para aprovechamiento energético) y procesos basados en solventes (disolver plásticos para remover impurezas y reconstruirlos).

El reciclaje mecánico es el tipo de reciclaje más común y consiste en la separación de los desechos plásticos por tipo, la trituración y derretir los trozos de plástico para moldearlo en un artículo nuevo por métodos como extrusión o inyección. El reciclaje repetido de plásticos mediante procesos mecánicos se ve limitado por la pérdida de propiedades de resistencia del material durante el proceso, a diferencia del vidrio y el aluminio que recuperan 100% de sus propiedades al ser reciclados mecánicamente.

A pesar de que el reciclaje tiene una huella de gases de efecto invernadero significativamente menor que la incineración de plásticos o a su acumulación en basureros o el medio natural [4], existen otras limitantes importantes que evitan el aumento del porcentaje de plásticos reciclados a nivel mundial, entre estas dificultades encontramos:

1.Procesamiento: reciclar plásticos implica recolectar, separar y lavar los plásticos utilizados
2.Combinación de plásticos: existen aplicaciones para las que se mezclan diferentes tipos de plásticos e incluso otros materiales, lo que resulta en extremo complicado separar los polímeros para su reutilización por ejemplo los envases flexibles multicapa o los plásticos metalizados.
3.Desgaste mecánico:
-La fusión repetida degrada los plásticos, lo que limita el número de veces que se pueden reciclar. La síntesis de  muchos plásticos vírgenes es actualmente más barata que la creación de materiales reciclados de calidad.
       -Los plásticos reciclados mecánicamente no son adecuados para envasar alimentos por el desgaste del proceso de reciclaje. Un polímero reciclado mecánicamente podría usarse para fabricar una botella de detergente, pero no sería apropiado para una envase de leche.

En el caso del reciclaje químico, no se experimentan estas limitaciones, por lo que se puede utilizar en la planeación de envases multicapa y otros plásticos mixtos a partir de plásticos reciclados.

Para conocer más sobre los límites del reciclaje de plásticos, visita www.e-education.psu.edu

 

Pero…¿qué es el reciclaje químico?

 

El reciclaje químico de los plásticos consiste en una degradación de los plásticos desechados para formar “especies de bajo peso molecular”. En otras palabras, sabemos que la estructura molecular del plástico está formada por cadenas largas entrelazadas que a su vez están constituidas por unidades repetitivas cortas, por lo que mediante procesos como la pirólisis, la hidrólisis o metanólisis, estas cadenas se rompen formando especies más pequeñas.

 

Ventajas de uso de nanotecnología en el reciclaje químico

Una de las limitaciones a las que se enfrenta el reciclaje químico de polímeros es la hidrogenólisis descontrolada, la cual consiste en una serie de reacciones químicas por la cual un enlace sencillo carbono-carbono (o carbono-heteroátomo) se rompe por la presencia de hidrógeno. Esto produce hidrocarburos ligeros y de bajo peso como el metano, etano, propano y butano (Celik, 2019). Estos gases pueden ser utilizados como combustibles, pero no resuelve el problema de obtener materiales sólidos con potencial de uso a partir de residuos plásticos.

La transformación de plásticos de alta densidad o HPED, la cual requiere que los enlaces C-C se sometan a una hidrogenólisis selectiva para producir una distribución de peso molecular estrecha (especies moleculares muy similares entre ellas) y dentro de un rango específico y así obtener hidrocarburos líquidos de alta calidad con un valor económico mayor que podemos usar para fabricar combustible como el diesel, el queroseno, ceras y la nafta.

Actualmente existen soluciones a la hidrogenólisis excesiva en el proceso de reciclaje químico usando nanopartículas de platino y silicio poroso (diámetro de poros de 2.4±0.2nm) (figura 1) [1].

Para asegurar el rompimiento de las cadenas poliméricas de forma selectiva, este catalizador esta formado por nano-esferas (esferas amarillas esquematizadas en la figura 1) con poros en la superficie del silicio (capa azul) que son lo suficientemente estrechos para adsorber una sola cadena de polímero y así cortar en intervalos regulares la cadena del polímero sujeto al reciclaje.

Otros catalizadores han sido desarrollados usando nanopartículas de platino apoyadas en nanocubos de titanato de estroncio que catalizan la hidrogenólisis de HDPE de forma selectiva para producir alcanos líquidos uniformes con propiedades valiosas como lubricantes (figura 2).

La propuesta del uso de nanotecnología en catálisis selectiva para la degradación química de polímeros es una solución interesante e innovadora al gran problema mundial de desechos plásticos. Adicionalmente, por medio de esta tecnología, es posible convertir los desechos plásticos más comunes, en materias primas de alta calidad.

 

 

 

Referencias

[1] Tennakoon, A., Wu, X., Paterson, A. L., Patnaik, S., Pei, Y., LaPointe, A. M., Ammal, S. C., Hackler, R. A., Heyden, A., Slowing, I. I., Coates, G. W., Delferro, M., Peters, B., Huang, W., Sadow, A. D., & Perras, F. A. (2020). Catalytic upcycling of high-density polyethylene via a processive mechanism. Nature Catalysis, 1–9. https://doi.org/10.1038/s41929-020-00519-4

https://www.nature.com/articles/s41929-020-00519-4

[2] Celik, G., Kennedy, R. M., Hackler, R. A., Ferrandon, M., Tennakoon, A., Patnaik, S., Lapointe, A. M., Ammal, S. C., Heyden, A., Perras, F. A., Pruski, M., Scott, S. L., Poeppelmeier, K. R., Sadow, A. D., & Delferro, M. (2019). Upcycling Single-Use Polyethylene into High-Quality Liquid Products. ACS Central Science, 5(11), 1795–1803. https://doi.org/10.1021/acscentsci.9b00722

 

Otras lecturas de interés:

Jia, X., Qin, C., Friedberger, T., Guan, Z., & Huang, Z. (2016). Efficient and selective degradation of polyethylenes into liquid fuels and waxes under mild conditions. Science Advances, 2(6), 1–8. https://doi.org/10.1126/sciadv.1501591

Dufaud, V., & Basset, J. M. (1999). Catalytic hydrogenolysis at low temperature and pressure of polyethylene and polypropylene to diesels or lower alkanes by a zirconium hydride supported on silica-alumina: A step toward polyolefin degradation by the microscopic reverse of Ziegler-Natta pol. Chemtracts, 12(2), 125–129.

 

 

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