El proceso convierte las bolsas de polietileno y los plásticos en bloques de construcción de polímeros
Los catalizadores desmontan el polímero al tiempo que añaden etileno, produciendo propileno, los componentes básicos del polipropileno
Los plásticos de polietileno -en particular, la omnipresente bolsa de plástico que asola el paisaje- son notoriamente difíciles de reciclar. Son resistentes y difíciles de descomponer, y si se reciclan, se funden en un guiso de polímeros útil sobre todo para cubiertas y otros productos de poco valor.
Los químicos de la Universidad de Berkeley han desarrollado un nuevo proceso, denominado etenólisis isomerizante, para degradar los plásticos de polietileno, como la botella de leche que se ve en el fondo, y convertirlos en propileno, el componente básico de otro plástico, el polipropileno. En el gráfico, las cadenas de polietileno (largas hebras en forma de red representadas a nivel molecular por las figuras de bolas y palos) se dividen primero por un catalizador metálico (bolas verdes) en presencia de etileno (arriba a la izquierda) en una reacción conocida como "metátesis de olefinas". Como resultado de este proceso se libera una molécula de propeno. La cadena polimérica más corta que resulta (derecha) tiene un doble enlace carbono-carbono en el extremo. Un catalizador diferente (bola azul) inicia una ronda de "isomerización de olefinas", en la que el doble enlace del extremo de la cadena polimérica se desplaza un átomo de carbono hacia dentro. La cadena polimérica isomerizada está entonces lista para someterse a más ciclos de metátesis e isomerización hasta que toda ella se haya transformado en propileno.
Brandon Bloomer, UC Berkeley
Pero un nuevo proceso desarrollado en la Universidad de California, Berkeley, y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) podría cambiar todo eso. El proceso utiliza catalizadores para romper los largos polímeros de polietileno (PE) en trozos uniformes -la molécula de tres carbonos propileno- que son la materia prima para fabricar otros tipos de plástico de alto valor, como el polipropileno.
El proceso, que se encuentra en las primeras fases de desarrollo, convertiría un producto de desecho -no sólo las bolsas y envases de plástico, sino todo tipo de botellas de plástico de PE- en un producto de gran demanda. Los métodos anteriores para romper las cadenas de polietileno requerían altas temperaturas y daban lugar a mezclas de componentes de mucha menor demanda. El nuevo proceso no sólo podría reducir la necesidad de producir propileno con combustibles fósiles, a menudo llamado propeno, sino que también ayudaría a cubrir una necesidad actualmente insatisfecha de la industria del plástico de más propileno.
"En la medida en que se reciclan, muchos plásticos de polietileno se convierten en materiales de baja calidad. No se puede coger una bolsa de plástico y fabricar otra con las mismas propiedades", explica John Hartwig, titular de la cátedra Henry Rapoport de Química Orgánica de la UC Berkeley. "Pero si se puede llevar esa bolsa de polímero hasta sus monómeros, descomponerla en pequeños trozos y repolimerizarla, en lugar de extraer más carbono del suelo, se utiliza como fuente de carbono para fabricar otras cosas, por ejemplo, polipropileno. Utilizaríamos menos gas de esquisto para ese fin, o para los otros usos del propeno, y para llenar el llamado vacío de propileno".
Los plásticos de polietileno representan aproximadamente un tercio de todo el mercado mundial de plásticos, con más de 100 millones de toneladas producidas anualmente a partir de combustibles fósiles, incluido el gas natural obtenido por fracturación hidráulica, a menudo llamado gas de esquisto.
A pesar de los programas de reciclaje -los productos de PE reciclables se designan con los números de plástico 2 y 4-, sólo se recicla alrededor del 14% de todos los productos de plástico de polietileno. Debido a su estabilidad, los polímeros de polietileno son difíciles de descomponer en sus componentes, o de despolimerizar, por lo que la mayor parte del reciclaje consiste en fundirlo y moldearlo en otros productos, como muebles de jardín, o quemarlo como combustible.
Despolimerizar el polietileno y convertirlo en propileno es una forma de "upcycling", es decir, de producir productos de mayor valor a partir de residuos de valor esencialmente nulo, al tiempo que se reduce el uso de combustibles fósiles.
Hartwig y sus colegas publicarán los detalles de su nuevo proceso catalítico esta semana en la revista Science.
Dos tipos de catalizadores
Hartwig se especializa en el uso de catalizadores metálicos para insertar enlaces inusuales y reactivos en las cadenas de hidrocarburos, la mayoría de los cuales están basados en el petróleo. A continuación, se pueden añadir nuevos grupos químicos en estos enlaces reactivos para formar nuevos materiales. El hidrocarburo polietileno, que normalmente se presenta como una cadena de polímeros de unas 1.000 moléculas de etileno -cada etileno está compuesto por dos átomos de carbono y cuatro de hidrógeno- supuso un reto para su equipo por su falta de reactividad general.
Con una subvención del Departamento de Energía de EE.UU. para investigar nuevas reacciones catalíticas, Hartwig y los estudiantes de posgrado Steven Hanna y Richard J. "RJ" Conk tuvieron la idea de romper dos enlaces carbono-hidrógeno en el polietileno con un catalizador -inicialmente, un catalizador de iridio y, posteriormente, con catalizadores de platino-estaño y platino-zinc- para crear un doble enlace carbono-carbono reactivo, que serviría de talón de Aquiles. Con esta grieta en la armadura de los enlaces carbono-hidrógeno del polímero, pudieron deshacer la cadena polimérica mediante una reacción con etileno y dos catalizadores adicionales que reaccionan de forma cooperativa.
"Tomamos un hidrocarburo saturado -todos los enlaces simples de carbono-carbono- y eliminamos unas cuantas moléculas de hidrógeno del polímero para hacer dobles enlaces de carbono-carbono, que son más reactivos que los enlaces simples de carbono-carbono. Algunas personas habían estudiado ese proceso, pero nadie lo había conseguido en un polímero auténtico", dijo Hartwig. "Una vez que se consigue el doble enlace carbono-carbono, se utiliza una reacción llamada metátesis de olefinas, que fue objeto de un premio Nobel en 2005, con etileno para escindir el doble enlace carbono-carbono. Ahora, has tomado este polímero de cadena larga y lo has dividido en trozos más pequeños que contienen un doble enlace carbono-carbono al final".
La adición de un segundo catalizador, de paladio, permitió recortar repetidamente las moléculas de propileno (moléculas de tres carbonos) del extremo reactivo. El resultado: el 80% del polietileno se redujo a propileno.
"Una vez que tenemos una cadena larga con un doble enlace carbono-carbono en el extremo, nuestro catalizador toma ese doble enlace carbono-carbono y lo isomeriza, un carbono dentro. El etileno reacciona con ese producto inicial isomerizado para hacer propileno y un polímero casi idéntico, sólo que más corto, con un doble enlace al final. Y luego hace lo mismo una y otra vez. Da un paso adelante, se escinde; entra, se escinde; entra y se escinde hasta que todo el polímero se corta en trozos de tres carbonos. Desde un extremo de la cadena, simplemente mastica la cadena y escupe propilenos hasta que no queda ninguna cadena".
Las reacciones se llevaron a cabo en una solución líquida con catalizadores solubles u "homogéneos". Los investigadores están trabajando actualmente en un proceso que utiliza catalizadores no solubles, o "heterogéneos", para conseguir el mismo resultado, ya que los catalizadores sólidos pueden reutilizarse más fácilmente.
El grupo demostró que el proceso funciona con diversos plásticos de PE, como las botellas de leche translúcidas, las botellas de champú opacas, los envases de PE y las tapas de plástico negro duro que unen los paquetes de cuatro latas de aluminio. Todos se redujeron eficazmente a propileno, y sólo hubo que eliminar los agentes colorantes.
El laboratorio de Hartwig también ha utilizado recientemente una catálisis innovadora para crear un proceso que convierte las bolsas de polietileno en adhesivos, otro producto valioso. Juntos, estos nuevos procesos podrían hacer mella en las crecientes pilas de plástico que acaban en vertederos, ríos y, en última instancia, en los océanos.
"Ambos están lejos de la comercialización", dijo. "Pero es fácil ver cómo este nuevo proceso convertiría la mayor cantidad de residuos de plástico en una enorme materia prima química, con mucho más desarrollo, por supuesto".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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