El plástico es uno de los materiales más duraderos jamás fabricados por el ser humano. Esa durabilidad lo ha hecho indispensable en medicina, envasado de alimentos y transporte. Pero también creó uno de los problemas ambientales clave que enfrentamos.
Cada año se producen en todo el mundo cientos de millones de toneladas de plástico. Gran parte termina en vertederos, incineradoras o el medio ambiente natural, donde puede persistir durante siglos.
Los métodos que tenemos para deshacernos de la contaminación plástica tienen sus inconvenientes. Los vertederos significan que los productos químicos y los microplásticos pueden filtrarse al medio ambiente.
La combustión libera humos y toxinas nocivos. El reciclaje mecánico a menudo reduce los plásticos a valores más bajos, mientras que el reciclaje químico suele requerir altas temperaturas, altas presiones y grandes cantidades de energía.
Colegas y yo publicamos recientemente una investigación que explora una posibilidad muy diferente: usar luz solar y catalizadores a base de hierro para convertir desechos plásticos comunes directamente en ácido acético, un componente clave del vinagre y un importante químico industrial.
En lugar de tratar el plástico únicamente como residuo, nuestra investigación muestra que puede transformarse en algo útil en condiciones suaves.
Aprendiendo de los hongos que pudren la madera
Los investigadores se preguntaron si el material sintético podría imitar la capacidad del hongo de la pudrición blanca para descomponer la lignina. (Unsplash+/Annie Spratt)
La inspiración para nuestra investigación provino de la naturaleza. El hongo de la pudrición blanca (Phanerochaete chrysosporium) es conocido por su capacidad para descomponer la lignina, uno de los polímeros más duros que se encuentran en la madera. Para ello, utiliza enzimas que crean especies químicas altamente reactivas capaces de descomponer estructuras complejas de carbono.
Nos preguntamos si un material sintético podría imitar esta estrategia.
El catalizador que diseñamos es nitruro de carbono dopado con hierro, un semiconductor que absorbe la luz visible. Luego anclamos átomos de hierro individuales, creando lo que los científicos llaman un catalizador de un solo átomo.
En lugar de formar nanopartículas, cada átomo de hierro está aislado e incrustado en la estructura de nitruro de carbono. Esta precisión atómica es crucial. Cada átomo de hierro actúa como un sitio activo en una enzima natural, maximizando la eficiencia y manteniendo la estabilidad.
Una reacción de dos pasos impulsada por la luz.
El sistema funciona mediante una cascada de reacciones luminosas.
Bajo la luz solar y en presencia de peróxido de hidrógeno, los sitios de hierro activan el peróxido para generar radicales hidroxilo altamente reactivos. Un radical es un átomo, molécula o ion que tiene al menos un electrón desapareado. Esto los hace muy reactivos químicamente.
Estos radicales atacan las largas cadenas de carbono que componen los plásticos, como el polietileno (utilizado en bolsas de plástico), el polipropileno (envases de alimentos), el PET (botellas de bebidas) e incluso el PVC (tuberías y embalajes).
Los polímeros se oxidan progresivamente y se descomponen en moléculas más pequeñas, formando finalmente dióxido de carbono (CO₂).
En lugar de dejar escapar este CO₂, el mismo catalizador hace otro trabajo: utiliza la luz solar para reducir el CO₂ a ácido acético. En otras palabras, el carbono de los residuos plásticos primero se oxida y luego se vuelve a ensamblar en una molécula nueva y valiosa.
Básicamente, este enfoque descompone el plástico y convierte el carbono resultante en un producto químico en un solo sistema. Esto lo distingue de la mayoría de las tecnologías de reciclaje existentes.
¿Por qué ácido acético?
Wei Wei, estudiante de doctorado de la Universidad de Waterloo, que dirigió la investigación, trabaja en un laboratorio de reciclaje de plástico. (Universidad de Waterloo)
El ácido acético es mejor conocido como el componente ácido del vinagre, pero también es una importante materia prima industrial. Se utiliza para la producción de adhesivos, recubrimientos, disolventes, fibras sintéticas y productos farmacéuticos.
La demanda mundial es de millones de toneladas cada año, lo que representa un mercado multimillonario.
Actualmente, la mayor parte del ácido acético se produce mediante un proceso que consume mucha energía llamado carbonilación de metanol, en el que el metanol reacciona con el monóxido de carbono a altas temperaturas.
Convertir el plástico de desecho en ácido acético ofrece una posible laguna: en lugar de extraer carbono nuevo, reutilizamos el carbono ya presente en los materiales desechados.
En nuestros experimentos, el sistema produjo ácido acético a una velocidad comparable a otros métodos de conversión de plástico basados en luz informados. Cuando mejoramos el uso de la luz dentro del reactor, la tasa de producción aumentó significativamente.
Es importante destacar que la reacción se llevó a cabo a temperatura ambiente y presión atmosférica normal. Esto contrasta con muchos métodos de reciclaje químico que requieren calentar el plástico a varios cientos de grados Celsius.
Manipulación de plástico en el mundo real
Los estudios de laboratorio a menudo se centran en tipos de plástico puros y únicos. Pero los verdaderos flujos de desechos están mezclados y contaminados. Por eso probamos individualmente diferentes plásticos y mezclas habituales.
Nuestro catalizador pudo convertir varios materiales plásticos de gran tamaño. Curiosamente, el PVC mostró un comportamiento especialmente bueno. Creemos que el cloro liberado durante su descomposición puede generar radicales reactivos adicionales, acelerando la degradación.
Los átomos de hierro permanecieron atómicamente dispersos después de un uso repetido, lo que indica una buena estabilidad. Esto es importante porque la degradación del catalizador o la lixiviación de metales pueden comprometer tanto el rendimiento como la seguridad ambiental.
El sistema depende de la adición de peróxido de hidrógeno, que se consume durante la reacción. Si bien el peróxido de hidrógeno se descompone en agua y oxígeno y se considera relativamente benigno, el trabajo futuro deberá abordar cómo se puede suministrar de manera sostenible a gran escala.
Del concepto a la práctica
Convertir los desechos plásticos en productos químicos útiles los transforma no solo en una carga ambiental sino también en una fuente de carbono. (Foto AP/Francisco Seco)
La ampliación de cualquier proceso químico nuevo presenta desafíos. La penetración de la luz, el diseño del reactor y la variabilidad de las materias primas plásticas de desecho afectan la eficiencia. Los aditivos de los plásticos comerciales, como estabilizadores, pigmentos y plastificantes, también pueden afectar los resultados de la reacción.
Para investigar la viabilidad, realizamos una evaluación tecnoeconómica preliminar. Esta es una forma de analizar los beneficios económicos potenciales de un proceso o producto industrial.
Aunque se necesita una mayor optimización, nuestro análisis sugiere que combinar la limpieza de desechos con la producción de una sustancia química valiosa podría ayudar a compensar los costos, especialmente cuando se consideran los beneficios ambientales.
En términos más generales, este trabajo ilustra el poder de los catalizadores de un solo átomo y el diseño bioinspirado. Al imitar la forma en que las enzimas controlan la reactividad en centros metálicos precisos, podemos lograr transformaciones químicas complejas en condiciones suaves utilizando la luz solar como fuente de energía.
Repensar el ciclo de vida de los plásticos
El problema de la contaminación plástica no se resolverá con una sola tecnología. Reducir el uso innecesario de plásticos, mejorar el diseño de productos y fortalecer los sistemas de reciclaje son esenciales.
Convertir los desechos plásticos en productos químicos útiles ofrece una estrategia complementaria. Reestructura el plástico no sólo como una carga ambiental, sino también como una fuente de carbono.
Si podemos aprovechar la luz solar para impulsar estas transformaciones de manera eficiente y a escala, los envases desechados de ayer podrían convertirse en la materia prima industrial del mañana.
El desafío ahora es traducir el progreso de nuestro laboratorio en sistemas robustos y escalables. Si tiene éxito, marcaría un paso hacia una economía más circular, una en la que los residuos no sean el final de la historia, sino el comienzo de una nueva.
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