Los científicos mejoran la reciclabilidad de los residuos plásticos

14 de marzo de 2023

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por Savannah Mitchem, Laboratorio Nacional de Argonne

Los plásticos son materiales increíbles con propiedades invaluables para el funcionamiento de nuestro mundo moderno. Son fuertes, flexibles, versátiles, duraderos y económicos. En particular, el polietileno de alta densidad (HDPE) es omnipresente en aplicaciones de un solo uso, como envases y contenedores. Es posible que lo hayas visto etiquetado con el número dos dentro del símbolo de reciclaje triangular.

Pero las formas en que producimos HDPE y nuestros métodos actuales para reciclarlo representan amenazas para nuestra propia salud y la de nuestro planeta. Muchos productos de HDPE están hechos de combustibles fósiles (petróleo crudo, gas natural o carbón) y tienen una enorme huella de carbono. Y en lugar de reutilizarse o reciclarse, la mayoría de los desechos de HDPE se incineran, se vierten en vertederos o se dejan en el medio ambiente. Cuando se recicla, la calidad del material se degrada.

Científicos del Instituto para el reciclaje cooperativo de plásticos (iCOUP) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado un nuevo método para reciclar HDPE. Usando un enfoque catalítico novedoso, los científicos de iCOUP del Laboratorio Nacional Argonne del DOE y la Universidad de Cornell transformaron desechos de plástico HDPE en un nuevo material que puede reciclarse repetidamente sin pérdida de calidad.

Un artículo que describe su trabajo ha sido publicado en el Journal of the American Chemical Society.

"Los plásticos van a estar con nosotros para siempre. Proporcionan una funcionalidad que ningún otro material puede proporcionar. Necesitamos encontrar formas de reducir los efectos nocivos del uso de plástico mejorando la reciclabilidad", dijo Massimiliano Delferro de Argonne, científico del estudio.

El nuevo enfoque del equipo convierte el HDPE usado en un material totalmente reciclable y potencialmente biodegradable con las mismas propiedades mecánicas y térmicas del plástico de un solo uso inicial. Si se adoptan ampliamente, enfoques como este podrían eventualmente ayudar a reducir las emisiones de carbono y la contaminación asociada con el HDPE.

"Estamos utilizando desechos plásticos como nuestra fuente en lugar de combustibles fósiles", dijo Geoffrey Coates, de la Universidad de Cornell, otro científico del estudio. "En lugar de perforar en busca de petróleo y contaminar el medio ambiente, estamos usando cosas que de otro modo serían incineradas o dejadas en un vertedero".

Al igual que otros plásticos, el HDPE se compone de largas cadenas de átomos denominadas cadenas poliméricas. El nuevo enfoque del equipo utiliza una serie de catalizadores, o productos químicos que aceleran las reacciones químicas, para romper las cadenas de polímero de HDPE en piezas más cortas que contienen grupos reactivos de átomos en los extremos. Esas piezas se pueden volver a unir o polimerizar para formar nuevos productos de plástico. Los grupos finales reactivos tienen el beneficio adicional de hacer que el nuevo plástico se descomponga más fácilmente, tanto en el laboratorio como potencialmente en la naturaleza.

El equipo de Argonne realizó la primera ronda de catálisis en productos de HDPE usados, incluidos envases y jarras de agua. Los catalizadores eligen al azar qué puntos alterar en las cadenas de polímeros para hacerlos reactivos. Cuanto más tiempo los científicos dejan el HDPE con el catalizador, más se activan las cadenas.

Luego, el equipo de Cornell tomó estas cadenas de polímeros activados y las expuso a otro catalizador. En esta etapa, el catalizador rompe las cadenas y altera aún más los extremos para permitir el reensamblaje.

El principal desafío fue reproducir las mismas propiedades materiales del HDPE, como resistencia y flexibilidad versus fragilidad, en el nuevo material. Cuando los catalizadores rompen el HDPE, es importante que queden cadenas de polímero suficientemente largas para unirse entre sí como hilos, lo que hace que el material sea más resistente a la tensión.

Cuando el equipo de Cornell repolimerizó originalmente el material catalizado, era mucho más frágil que el HDPE inicial. Luego ajustaron los catalizadores para romper las cadenas de polímero de una manera que proporciona una cantidad controlada de ramificación cuando el material se vuelve a polimerizar. Esta ramificación permite que se formen cadenas a partir de los grupos finales, lo que aumenta la longitud promedio de las cadenas en el material resultante. Este enfoque dio como resultado un material con las mismas propiedades que el HDPE inicial y una mayor reciclabilidad.

El trabajo futuro se centrará en evaluar la biodegradabilidad del nuevo material y reducir la cantidad de metal valioso utilizado para el catalizador para reducir el costo total de reciclaje. El equipo también espera aplicar su estrategia a otros plásticos comunes.

Además de Coates y Delferro, los autores incluyen a Alejandra Arroyave de Argonne y Shilin Cui, Andrew Kocen, Anne LaPointe y Jaqueline Lopez de la Universidad de Cornell.

Más información: Alejandra Arroyave et al, Reciclaje químico catalítico de polietileno posconsumo, Revista de la Sociedad Química Estadounidense (2022). DOI: 10.1021/jacs.2c11949