Reciclagem direta de resíduos plásticos catalíticos – Nature Nanotechnology

De acordo com um documento recente publicado pela União Internacional para a Conservação da Natureza (IUCN), pelo menos 14 milhões de toneladas de plástico acabam todos os anos nos oceanos, ameaçando o ecossistema marinho, a segurança alimentar e as atividades económicas.¹. As abordagens para mitigar o impacto ambiental dos plásticos nos oceanos incluem a redução da utilização, a reutilização e a reciclagem. No entanto, dos mais de 400 milhões de toneladas de plástico produzidos todos os anos, apenas 9% são reciclados², geralmente com métodos convencionais de pirólise mecânica ou térmica que necessariamente levam a produtos de menor valor do que os plásticos originais ou recuperação de energia ineficiente na forma de calor³. Nos últimos anos, a transformação catalítica direta de resíduos plásticos em combustíveis, produtos químicos e materiais de valor acrescentado tem recebido cada vez mais atenção, devido aos seus potenciais benefícios ambientais e económicos.

Crédito: Sergey Ryzhov / Alamy Stock Photo

Uma forma comum de reciclar diretamente os resíduos plásticos é despolimerizá-los em monómeros ou oligómeros de valor acrescentado (ou seus derivados) sem transformações subsequentes. O design dos catalisadores determina os produtos e a sua distribuição. Por exemplo, com uma arquitetura ordenada de catalisador de casca/sítio ativo/núcleo mesoporoso que incorpora sítios catalíticos de platina na base do mesoporo, o polietileno de alta densidade (HDPE) pode ser hidrogenolisado seletivamente em uma distribuição estreita de diesel e alcanos de gama lubrificante⁴. Além disso, nanopartículas de rutênio na zeólita HZSM-5 catalisam a reciclagem de HDPE sem solvente/hidrogênio em uma distribuição separável de linear (C₁–C₆) e hidrocarbonetos cíclicos (C₇–C₁₅) (Veja o Artigo nesta edição por Du e colegas).

Outra estratégia interessante para gerar diretamente produtos de valor agregado é despolimerizar resíduos plásticos e simultaneamente funcionalizar o produto bruto resultante. A produção de surfactantes aromáticos a partir de polietileno pode ser alcançada em condições operacionais relativamente suaves, combinando a aromatização e a hidrogenólise com um catalisador de platina/alumina⁵. Além disso, o propileno pode ser produzido seletivamente a partir de polietileno residual com rendimentos de até 80% por desidrogenação parcial e etenólise em tandem da cadeia dessaturada⁶.

A introdução de heteroátomos e halogênios durante o processo de despolimerização também auxilia na formação de produtos de valor agregado. Por exemplo, produtos gasosos de hidrocarbonetos podem ser produzidos a partir da conversão direta de polietileno através de uma rota oxidativa. Um tratamento com ácido nítrico converte o polietileno em ácidos orgânicos (ácido succínico, glutárico e adípico), que podem então ser convertidos fotocataliticamente ou eletrocataliticamente em olefinas⁷. Além disso, a reciclagem oxidativa do poliestireno em oxigenados aromáticos foi realizada com fotocatalisador de nitreto de carbono grafítico sob irradiação de luz visível. A conversão do poliestireno pode ser superior a 90% a 150 °C, obtendo principalmente ácido benzóico, acetofenona e benzaldeído na fase líquida⁸.

Há uma variedade de outras abordagens indiretas para a reciclagem de plásticos, onde os resíduos plásticos são primeiro despolimerizados em monômeros, oligômeros ou seus derivados, que podem então ser transformados em produtos químicos de alto valor sob processos térmicos, elétricos, fotográficos ou condições biocatalíticas. Esta rota de reciclagem é indireta, pois passa por uma etapa separada de geração de monômeros e pode ter um impacto negativo tanto nas ramificações ambientais quanto na economia do processo em comparação com a reciclagem direta.⁹.

Os plásticos comerciais são geralmente uma mistura de componentes ou formulações que incluem polímeros e aditivos de pequenas moléculas. Fatores-chave como a identidade e o arranjo molecular (o grau de ramificação e/ou reticulação), a cristalinidade e o peso molecular determinam as propriedades físico-químicas do polímero e a acessibilidade às ligações químicas, afetando a eficiência e a seletividade do catalisador. metodologia de desconstrução de plásticos¹⁰. Comparar quantitativamente os catalisadores e processos que estão sendo desenvolvidos para diferentes matérias-primas com as diversas composições químicas e estruturas físicas, as propriedades físicas do substrato polimérico, sua composição química e estrutura (identidades de monômeros, distribuição de peso molecular, ponto de fusão e cristalinidade), bem como bem como as condições de reação (pH, temperatura, cargas de substrato, taxa de agitação e assim por diante) devem ser rigorosamente relatadas. Esta metrologia na literatura de relatórios é essencial para coordenar o progresso no campo e ajudar a resolver a questão da poluição por plásticos de uma forma significativa.