¿Podría este nuevo proceso finalmente convertir las bolsas de polietileno y plástico en algo útil?

Los plásticos de polietileno (en particular, la omnipresente bolsa de plástico que arruina el paisaje) son notoriamente difíciles de reciclar. Son resistentes y difíciles de descomponer, y si se reciclan, se funden en un guiso de polímero útil principalmente para terrazas y otros productos de bajo valor.

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 propileno de tres carbonos) que son la materia prima para fabricar otros tipos de plástico de alto valor, como el polipropileno.

El proceso, ciertamente en las primeras etapas de desarrollo, convertiría un producto de desecho (no sólo bolsas y embalajes de plástico, sino todo tipo de botellas de plástico PE) en un producto importante con gran demanda. Los métodos anteriores para romper las cadenas de polietileno requerían altas temperaturas y daban lugar a mezclas de componentes con una demanda mucho menor. El nuevo proceso no sólo podría reducir la necesidad de producción de propileno a partir de combustibles fósiles, a menudo llamado propeno, sino que también podría ayudar a satisfacer una necesidad actualmente insatisfecha de la industria del plástico de obtener más propileno.

“En la medida en que se reciclan, muchos plásticos de polietileno se convierten en materiales de baja calidad. No se puede tomar una bolsa de plástico y luego hacer otra bolsa de plástico con las mismas propiedades a partir de ella”, dijo John Hartwig, catedrático Henry Rapoport de Química Orgánica de UC Berkeley. “Pero si puedes llevar esa bolsa de polímero a sus monómeros, romperla en pedazos pequeños y volver a polimerizarla, entonces, en lugar de extraer más carbono del suelo, lo usarás como fuente de carbono para hacer otras cosas, por ejemplo, polipropileno. Utilizaríamos menos gas de esquisto para ese fin, o para otros usos del propeno, y para llenar el llamado vacío de propileno”.

Los plásticos de polietileno representan alrededor de un tercio de todo el mercado de plásticos en todo el mundo, con más de 100 millones de toneladas producidas anualmente a partir de combustibles fósiles, incluido el gas natural obtenido mediante 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 alrededor del 14 por ciento de todos los productos de plástico de polietileno se reciclan. Debido a su estabilidad, los polímeros de polietileno son difíciles de descomponer en sus componentes o despolimerizarlos, por lo que la mayor parte del reciclaje implica fundirlos y moldearlos en otros productos, como muebles de jardín, o quemarlos como combustible.

Despolimerizar el polietileno y convertirlo en propileno es una forma de reciclar, es decir, producir productos de mayor valor a partir de desechos esencialmente de valor cero, 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.

Hartwig se especializa en el uso de catalizadores metálicos para insertar enlaces inusuales y reactivos en cadenas de hidrocarburos, la mayoría de las cuales están basadas en petróleo. Luego se pueden agregar nuevos grupos químicos a estos enlaces reactivos para formar nuevos materiales. El polietileno hidrocarbonado, que normalmente se presenta como una cadena polimérica de quizás 1.000 moléculas de etileno (cada etileno está compuesto por dos átomos de carbono y cuatro de hidrógeno), supuso un desafío para su equipo debido a 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 polietileno con un catalizador; inicialmente, un catalizador de iridio y, más tarde, con catalizadores de platino-estaño y platino-zinc, para crear un doble enlace carbono-carbono reactivo, que serviría como talón de Aquiles. Con esta grieta en la armadura de los enlaces carbono-hidrógeno del polímero, podrían luego desenredar la cadena del polímero mediante la reacción con etileno y dos catalizadores adicionales que reaccionan cooperativamente.

“Tomamos un hidrocarburo saturado (todos enlaces simples carbono-carbono) y eliminamos algunas moléculas de hidrógeno del polímero para formar dobles enlaces carbono-carbono, que son más reactivos que los enlaces simples carbono-carbono. Algunas personas habían observado ese proceso, pero nadie lo había logrado con un polímero verdadero”, dijo Hartwig. “Una vez que se tiene ese 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, tomaste este polímero de cadena larga y lo rompiste en pedazos más pequeños que contienen un doble enlace carbono-carbono al final”.

La adición de un segundo catalizador, hecho de paladio, permitió separar 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 al final, nuestro catalizador toma ese doble enlace carbono-carbono y lo isomeriza, un carbono más. El etileno reacciona con ese producto isomerizado inicial para producir propileno y un carbono casi idéntico. simplemente más corto, polímero con un doble enlace al final. Y luego hace lo mismo una y otra vez. Da un paso hacia adelante, se parte; entra, se parte; entra y se escinde hasta que todo el polímero se corta en trozos de tres carbonos. Desde un extremo de la cadena, simplemente la mastica y escupe propileno hasta que no queda cadena”.

Las reacciones se llevaron a cabo en una solución líquida con catalizadores solubles u "homogéneos". Actualmente, los investigadores están trabajando en un proceso que utiliza catalizadores no solubles o “heterogéneos” para lograr el mismo resultado, ya que los catalizadores sólidos se pueden reutilizar más fácilmente.

El grupo demostró que el proceso funciona con una variedad de plásticos de PE, incluidas botellas de leche translúcidas, botellas de champú opacas, envases de PE y las tapas de plástico negro duro que unen los paquetes de cuatro latas de aluminio. Todos se redujeron eficientemente a propileno y solo fue necesario eliminar los agentes colorantes.

El laboratorio de Hartwig también utilizó recientemente una catálisis innovadora para crear un proceso que convierte las bolsas de polietileno en adhesivos, otro producto valioso. En conjunto, estos nuevos procesos podrían hacer mella en las proliferantes pilas de plástico que terminan en vertederos, ríos y, en última instancia, en los océanos.

"Ambos están lejos de la comercialización", afirmó. "Pero es fácil ver cómo este nuevo proceso convertiría la mayor cantidad de desechos plásticos en una enorme materia prima química, con mucho más desarrollo, por supuesto".

Otros coautores del artículo son Jake Shi, Nicodemo Ciccia, Liang Qi, Brandon Bloomer, Steffen Heuvel, Tyler Wills y el profesor de ingeniería química y biomolecular Alexis Bell de UC Berkeley y Ji Yang y el científico investigador Ji Su del Berkeley Lab.

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Sitio web del laboratorio Hartwig