Cada año, se producen más de 390 millones de toneladas métricas de plástico en todo el mundo, pero casi la mitad son variedades de un solo uso que pueden ser económicamente difíciles de reciclar.
Ahora, una investigación reciente del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico sugiere un nuevo método para reciclar estos plásticos de manera rentable, transformándolos en combustible y otros productos derivados del petróleo útiles.
El estudio, que PNNL codirigió con un equipo de la Universidad Técnica de Munich, Alemania, encontró dos procesos separados pero compatibles que ya están siendo utilizados por la industria del petróleo y que podrían aplicarse en conjunto al proceso, dadas las condiciones adecuadas.
La nueva técnica permite el reciclaje selectivo de poliolefinas, una clase de polímeros que incluyen polietileno (PE) y polipropileno (PP). Los plásticos PE incluyen bolsas de plástico para comestibles, películas adhesivas y botellas comprimibles. Los plásticos PP se usan comúnmente para tapas de botellas, recipientes de almacenamiento de alimentos y cápsulas de café de un solo servicio.
Por lo general, los enlaces moleculares que forman estos plásticos de un solo uso requieren una energía considerable en forma de calor para «romper» los enlaces altamente estables que hacen que estos plásticos sean tan persistentes en el medio ambiente. El agrietamiento rompe estos enlaces carbono-carbono, reduciendo las moléculas a compuestos más simples.
Sin embargo, en los enfoques de reciclaje existentes, las moléculas resultantes forman inmediatamente nuevos enlaces de manera descontrolada. Luego se necesita un procesamiento adicional para descomponer la molécula intermediaria. Este proceso de dos etapas requiere una cantidad considerable de tiempo, energía e infraestructura.
Ahora, con base en un estudio que fue publicado en la revista Ciencia la semana pasada, los investigadores demostraron un nuevo proceso mucho más eficiente. Utiliza lo que se conoce como un catalizador de alquilación que promueve un enlace controlado deseado a medida que se lleva a cabo el proceso de craqueo. La reacción ocurre en un solvente iónico que proporciona un ambiente altamente ácido que promueve la rápida conversión de estos plásticos.
Al combinar lo que anteriormente era un proceso de dos pasos en uno solo que es mucho más eficiente energéticamente, los investigadores pudieron transformar los desechos plásticos directamente en compuestos de petróleo, incluidos alcanos líquidos altamente ramificados, isobutano gaseoso y alcanos grandes. Los compuestos similares a la gasolina resultantes se pueden usar como combustible o como fuente para nuevos plásticos, todo sin subproductos no deseados.
“El agrietamiento solo para romper los enlaces da como resultado que se forme otro enlace de manera descontrolada, y eso es un problema en otros enfoques”, dijo Oliver Y. Gutiérrez, autor del estudio y químico del PNNL. “La fórmula secreta aquí es que cuando rompes un vínculo en nuestro sistema, inmediatamente creas otro de manera específica que te brinda el producto final que deseas. Ese es también el secreto que permite esta conversión a baja temperatura”.
El proceso también ocurre rápidamente, tomando solo tres horas para lograr la conversión completa de los plásticos.
“Este tiempo de reacción de tres horas es notable”, dijo Gutiérrez. “Debido a que para las transformaciones que otras personas han informado, las temperaturas requeridas están por encima de los 200 grados centígrados, y se necesita mucho más tiempo para tener una cantidad similar de polímero completamente completa”.
Además, debido a que el proceso opera a temperaturas mucho más bajas que los métodos anteriores, puede reducir considerablemente los costos de energía. Muchos procesos de dos etapas existentes requieren temperaturas de reacción de moderadas a altas, que normalmente oscilan entre 200 y 250 grados centígrados. Este nuevo proceso PNNL/TUM, al que los investigadores se refieren como craqueo-alquilación en tándem, se puede realizar a alrededor de 70 grados Celsius (o 158 grados Fahrenheit), muy por debajo del punto de ebullición del agua.
El nuevo proceso funciona para productos de polietileno de baja densidad, así como para productos de polipropileno, los cuales normalmente no se recolectan ni procesan en el reciclaje en la acera. Esto equivale a alrededor de la mitad de todos los plásticos producidos anualmente.
Otros plásticos, como el polietileno de alta densidad (HDDE), también podrían procesarse con esta técnica, pero requerirían una etapa de pretratamiento para darle al catalizador el acceso necesario para romper los enlaces. Sin embargo, ya existen otros métodos disponibles para reciclar estos plásticos que son comparativamente más eficientes.
Si bien convertir los desechos plásticos en combustible tiene un atractivo, existen críticos vocales del enfoque. A algunos les preocupa que cree la sensación de que los plásticos son sostenibles, a pesar de que casi siempre se fabrican a partir de combustibles fósiles. También existen preocupaciones sobre la huella de carbono del combustible, que probablemente sería menor con los métodos de PNNL en comparación con las estrategias de mayor calor. Y ProPublica informó recientemente sobre los reguladores federales que luchan por gestionar los impactos en la salud y el medio ambiente de la producción de combustibles derivados del plástico.
Cabe señalar que estos son todavía los primeros días de este proceso y es necesario seguir trabajando para comprender mejor lo que está ocurriendo a nivel molecular para que pueda optimizarse para su uso a escala industrial. Si este enfoque es escalable, podría ser un verdadero cambio de juego en términos de reciclaje/reciclado de una gran cantidad de desechos plásticos. Además, la baja temperatura del proceso tiene el beneficio adicional de ser menos peligroso y necesitaría menos infraestructura de protección.
“La inversión que tendrías que hacer probablemente sería menor porque de repente no necesitas paredes gruesas ni tanques para la seguridad”, señaló Gutiérrez. «Es más seguro trabajar con un solvente iónico que está a 70 grados centígrados que uno que está presurizado a 100 atmósferas a una temperatura mucho más alta».
El proceso también es atractivo porque podría realizarse en entornos de refinería existentes, utilizando procesos que ya se están utilizando a escala industrial. De hecho, la reacción química que proporcionan estos catalizadores es utilizada actualmente por la industria del petróleo para mejorar el octanaje de la gasolina.
«El hecho de que la industria haya implementado con éxito estos catalizadores de alquilación emergentes demuestra su naturaleza estable y robusta», dijo Johannes Lercher, autor principal del estudio, director del Instituto de Catálisis Integrada de PNNL y profesor de química en TUM. “Este estudio apunta a una nueva solución práctica para cerrar el ciclo del carbono para los desechos plásticos que está más cerca de implementarse que muchas otras propuestas”.
Al final, un trabajo como este podría hacer una contribución significativa a una futura economía circular, una que sea mucho más sostenible desde el punto de vista económico y ambiental y mucho menos derrochadora.
El artículo de estudio de investigación, «Reciclado a baja temperatura de poliolefinas en alcanos líquidos a través de alquilación de craqueo en tándem» se publicó en la revista Science el 24 de febrero de 2023 y recibió el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.
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