Reciclar plástico, un carbono a la vez

Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab)y UC Berkeley han ideado una nueva técnica para reciclar bolsas de plástico de polietileno y envases de alimentos para convertirlos en propileno o gas propeno, un valioso material inicial para plásticos comerciales y productos químicos básicos.

Reciclar plástico de polietileno para convertirlo en plásticos nuevos y reciclables podría ayudar a reducir las emisiones de carbono relacionadas con la contaminación plástica y los vertederos.

"El mundo produce más de 200 mil millones de libras de polietileno", dijo el científico John Hartwig, autor principal del estudio de Science que informa sobre la nueva técnica. “Dependemos de los polietilenos. Tienen grandes beneficios para una amplia gama de aplicaciones, desde tuberías y materiales de construcción hasta conservación de alimentos. Las formas de desecho de estos plásticos podrían ser una fuente de carbono, pero estos materiales son muy difíciles de reciclar. Nuestro trabajo aborda este problema ofreciendo una nueva estrategia para reciclar polietilenos para fabricar productos químicos que normalmente obtenemos de fuentes fósiles”.

Hartwig es científico de la facultad de la División de Ciencias Químicas del Laboratorio de Berkeley y profesor de química en UC Berkeley. También es líder del programa de catálisis y transformaciones químicas en Berkeley Lab.

El polietileno es una cadena polimérica de moléculas o monómeros que comprende dos átomos de carbono y cuatro átomos de hidrógeno: C2H4. Durante muchos años, los investigadores han querido encontrar una manera de reciclar químicamente el polietileno recuperando los monómeros para fabricar nuevos polímeros de polietileno como alternativa a una técnica de reciclaje llamada pirólisis, que escinde las cadenas de polietileno a temperaturas muy altas para formar una mezcla de cadenas. . El problema con la pirólisis es que es difícil separar los productos con una longitud de cadena específica que se desea para un propósito específico (como lubricantes o precursores de combustibles) de los productos que son demasiado cortos o demasiado largos para usarse.

Entonces, para reciclar químicamente el polietileno, es necesario romper sus enlaces químicos. El polietileno se mantiene unido mediante enlaces carbono-carbono inusualmente no reactivos que son muy difíciles de romper, pero, según Hartwig, "hemos encontrado una manera de utilizar una serie de catalizadores para escindir muy selectivamente esos enlaces en el polietileno para producir propileno, una materia prima". químico."

En un experimento clave, Hartwig y su equipo disolvieron muestras de polietileno de alta densidad (HDPE) (el plástico de las tapas de los contenedores, jarras de leche y botellas de champú) con gas etileno y un catalizador en un disolvente en un recipiente presurizado. Estas condiciones, predijeron los investigadores, forzarían el hidrógeno de algunas de las unidades monoméricas, y tal pérdida de hidrógeno, razonaron, permitiría a su vez una serie de reacciones entre el polímero deshidrogenado y el etileno en presencia de catalizadores adicionales para producir propileno.

Para sorpresa de los investigadores, aunque se eliminó el hidrógeno de sólo el 1,9% de las unidades monoméricas, el 87% de los átomos de carbono en una cadena polimérica de HDPE reaccionaron con etileno y se convirtieron en propileno en tan solo 18 horas. Esto significa que uno de cada dos monómeros en una cadena de 1.000 unidades monoméricas se convirtió en gas propileno; en otras palabras, "no quedó ningún polímero", dijo Hartwig. "Me sorprendió mucho que funcionara tan bien".

Los experimentos en la Fundición Molecular del Laboratorio Berkeley confirmaron que los cambios en el peso molecular del material durante las reacciones ocurrían según lo diseñado.

Hartwig dijo que aunque la técnica aún no está lista para su implementación a escala industrial, sus hallazgos tienen implicaciones importantes para el reciclaje del plástico de polietileno y convertirlo en materias primas de carbono para nuevos plásticos, lubricantes industriales, combustibles para aviones y materias primas químicas.

En experimentos futuros, él y su equipo planean mejorar la viabilidad comercial de la técnica con catalizadores reciclables. También les gustaría utilizar este trabajo para sentar las bases para el diseño de nuevos tipos de plástico químicamente reciclable.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias del DOE.

Molecular Foundry es una instalación para usuarios de nanociencia de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en Berkeley Lab.

La tecnología (Caso UC 2022-099) está disponible para licencia a través de la Oficina de Licencias de Tecnología de UC Berkeley.

Más:

“El proceso convierte bolsas de polietileno y plásticos en bloques de construcción de polímeros”, comunicado de prensa de UC Berkeley, 29 de septiembre de 2022

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