Reciclaje directo de residuos plásticos catalíticos – Nature Nanotechnology

Según un reciente documento publicado por la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (UICN), al menos 14 millones de toneladas de plástico terminan en los océanos cada año, amenazando el ecosistema marino, la seguridad alimentaria y las actividades económicas.¹. Los enfoques para mitigar el impacto ambiental de los plásticos en los océanos incluyen reducir su uso, reutilizar y reciclar. Sin embargo, de los más de 400 millones de toneladas de plástico que se producen cada año, sólo el 9% se recicla.², normalmente con métodos convencionales de pirólisis mecánica o térmica que conducen necesariamente a productos de menor valor que los plásticos originales o a una recuperación ineficiente de energía en forma de calor.³. En los últimos años, la transformación catalítica directa de residuos plásticos en combustibles, productos químicos y materiales de valor agregado está recibiendo cada vez más atención, debido a sus potenciales beneficios ambientales y económicos.

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Una forma común de reciclar directamente los desechos plásticos es despolimerizarlos en monómeros u oligómeros de valor agregado (o sus derivados) sin transformaciones posteriores. El diseño de los catalizadores determina los productos y su distribución. Por ejemplo, con una arquitectura de catalizador mesoporoso ordenado de cubierta/sitio activo/núcleo que incorpora sitios catalíticos de platino en la base del mesoporo, el polietileno de alta densidad (HDPE) se puede hidrogenolizar selectivamente en una distribución estrecha de alcanos de rango diésel y lubricante.⁴. Además, las nanopartículas de rutenio en la zeolita HZSM-5 catalizan el reciclaje de HDPE sin disolvente/hidrógeno en una distribución separable de lineal (C₁-C₆) e hidrocarburos cíclicos (C₇-C₁₅) (ver el Artículo en este número por Du y colegas).

Otra estrategia interesante para generar directamente productos con valor agregado es despolimerizar los desechos plásticos y funcionalizar simultáneamente el producto crudo resultante. La producción de tensioactivos aromáticos a partir de polietileno se puede lograr en condiciones operativas relativamente suaves, combinando la aromatización y la hidrogenólisis con un catalizador de platino/alúmina.⁵. Además, el propileno se puede producir selectivamente a partir de polietileno de desecho con rendimientos de hasta el 80 % mediante deshidrogenación parcial y etenólisis en tándem de la cadena desaturada.⁶.

La introducción de heteroátomos y halógenos durante el proceso de despolimerización también ayuda a la formación de productos de valor añadido. Por ejemplo, se pueden obtener productos de hidrocarburos gaseosos a partir de la conversión directa de polietileno mediante una ruta oxidativa. Un tratamiento con ácido nítrico convierte el polietileno en ácidos orgánicos (ácido succínico, glutárico y adípico), que luego pueden convertirse fotocatalítica o electrocatalíticamente en olefinas.⁷. Además, se ha realizado un reciclaje oxidativo de poliestireno a oxigenados aromáticos con fotocatalizador de nitruro de carbono grafítico bajo irradiación de luz visible. La conversión del poliestireno puede ser superior al 90% a 150 °C, obteniéndose principalmente ácido benzoico, acetofenona y benzaldehído en fase líquida.⁸.

Existe una variedad de otros enfoques indirectos para el reciclaje de plásticos, donde los plásticos de desecho se despolimerizan primero en monómeros, oligómeros o sus derivados, que luego pueden transformarse en productos químicos de alto valor bajo condiciones termo, electro, foto o condiciones biocatalíticas. Esta ruta de reciclaje es indirecta, ya que pasa por un paso separado de generación de monómeros y podría tener un impacto negativo tanto en las ramificaciones ambientales como en la economía del proceso en comparación con el reciclaje directo.⁹.

Los plásticos comerciales suelen ser una mezcla de componentes o formulaciones que incluyen polímeros y aditivos de moléculas pequeñas. Factores clave como la identidad y disposición molecular (el grado de ramificación y/o entrecruzamiento), la cristalinidad y el peso molecular determinan las propiedades físico-químicas del polímero y la accesibilidad a los enlaces químicos, afectando la eficiencia y selectividad del catalizador. metodología de deconstrucción de plásticos¹⁰. Comparar cuantitativamente los catalizadores y procesos que se están desarrollando para diferentes materias primas con las diversas composiciones químicas y estructuras físicas, las propiedades físicas del sustrato polimérico, su composición química y estructura (identidades de monómeros, distribución de peso molecular, punto de fusión y cristalinidad), como así como las condiciones de reacción (pH, temperatura, cargas de sustrato, velocidad de agitación, etc.) deben informarse rigurosamente. Esta metrología en la literatura informativa es esencial para coordinar el progreso en el campo y ayudar a abordar el problema de la contaminación plástica de manera significativa.