Nueva tecnología de reciclaje de plástico: de residuos a combustible por menos

Por Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico 22 de agosto de 2022

Es posible que algún día los desechos plásticos se conviertan en productos químicos básicos útiles en lugar de terminar en el medio ambiente. Crédito: Imagen de Cortland Johnson | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico

La nueva tecnología podría desviar los plásticos problemáticos de los vertederos y convertirlos en fuentes de combustible.

Una innovación de reciclaje de plásticos que hace más con menos al mismo tiempo aumenta la conversión a productos útiles mientras usa menos rutenio, un metal precioso. Se presentará hoy (22 de agosto de 2022) en la reunión de otoño de la American Chemical Society en Chicago.

"El descubrimiento clave que informamos es la carga de metal muy baja", dijo el químico del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL), Janos Szanyi, quien dirigió el equipo de investigación. "Esto hace que el catalizador sea mucho más barato".

La nueva técnica convierte de manera más eficiente los plásticos en productos químicos valiosos, un proceso denominado "reciclado". Además, produce mucho menos metano, un gas de efecto invernadero indeseable, como subproducto, en comparación con otros métodos informados.

"Fue muy interesante para nosotros que no se hubiera publicado nada anteriormente que mostrara este resultado", dijo el científico investigador postdoctoral Linxiao Chen, quien presentó la investigación en ACS. "Esta investigación muestra la oportunidad de desarrollar catalizadores efectivos, selectivos y versátiles para el reciclaje de plástico".

El reciclaje de plástico proporciona una forma de reutilizar el carbono residual que ahora satura los vertederos y las playas. Crédito: Animación de Sara Levine | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico

Los desechos plásticos a base de petróleo representan una fuente sin explotar de productos químicos a base de carbono que pueden servir como material de partida para materiales y combustibles útiles y duraderos. A pesar de los amplios suministros en los contenedores de reciclaje, actualmente se recicla muy poco plástico, principalmente por razones económicas y prácticas. Sin embargo, los investigadores del PNNL están tratando de cambiar la dinámica aplicando su experiencia en la ruptura eficiente de enlaces químicos.

Es bien sabido que agregar hidrógeno, una reacción conocida como hidrogenólisis, a plásticos difíciles de reciclar como el polipropileno y el polietileno presenta una estrategia prometedora para convertir los desechos plásticos en pequeños hidrocarburos de valor agregado. Pero este proceso requiere catalizadores eficientes y selectivos para que sea económicamente factible.

Ahí es donde sobresalió esta reciente investigación dirigida por el PNNL.

El equipo de científicos descubrió que la reducción de la cantidad del metal precioso rutenio en realidad mejoró la eficiencia y selectividad del reciclado de polímeros. En un estudio publicado recientemente en la revista ACS Catalysis, demostraron que la mejora en la eficiencia ocurrió cuando la baja proporción de metal a la estructura de soporte hizo que la estructura cambiara de una matriz ordenada de partículas a balsas desordenadas de átomos.

A track record of PNNL expertise in single-atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Los catalizadores atómicos ayudaron al equipo a comprender por qué menos es más. Los investigadores observaron la transición al desorden a nivel molecular y luego utilizaron la teoría establecida para demostrar que los átomos individuales son en realidad catalizadores más efectivos en este trabajo experimental.

El trabajo se basa en la investigación sobre captura de átomos y catalizadores de un solo átomo realizada por Yong Wang, profesor de ingeniería química en la Universidad Estatal de Washington, Pullman, y miembro del laboratorio PNNL.

"Ha habido un gran esfuerzo desde una perspectiva material para tratar de entender cómo los átomos individuales o los cúmulos muy pequeños pueden convertirse en catalizadores efectivos", dijo Gutiérrez.

En ACS, Chen también describió un nuevo trabajo que explora el papel del material de apoyo en la mejora de la eficiencia del sistema.

"Hemos investigado materiales de soporte más baratos y más fácilmente disponibles para reemplazar el óxido de cerio", dijo Chen. "Descubrimos que un óxido de titanio modificado químicamente puede permitir una vía más efectiva y selectiva para el reciclaje de polipropileno".

Para que el método sea práctico para su uso con flujos mixtos de reciclaje de plástico, los investigadores ahora están explorando cómo la presencia de cloro afecta la eficiencia de la conversión química.

“Estamos buscando condiciones de extracción más exigentes”, dijo el químico Oliver Y. Gutiérrez, experto en aplicaciones industriales para catálisis. "Cuando no tiene una fuente de plástico limpia, en un proceso de reciclaje industrial, tiene cloro de cloruro de polivinilo y otras fuentes. El cloro puede contaminar la reacción de reciclaje de plástico. Queremos entender qué efecto tiene el cloro en nuestro sistema".

Ahora, esa comprensión fundamental puede ayudar a convertir los desechos plásticos que normalmente terminarían como contaminación en el medio ambiente en productos útiles.

Referencia: "Estructuras de Ru subnanométricas desordenadas en CeO2 son catalizadores altamente eficientes y selectivos en el reciclaje de polímeros mediante hidrogenólisis" por Linxiao Chen, Laura C. Meyer, Libor Kovarik, Debora Meira, Xavier I. Pereira-Hernandez, Honghong Shi, Konstantin Khivantsev, Oliver Y. Gutiérrez y János Szanyi, 5 de abril de 2022, ACS Catalysis.DOI: 10.1021/acscatal.2c00684

La investigación fue apoyada por el Departamento de Energía, Oficina de Ciencias. Esta investigación también utilizó recursos de Advanced Photon Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias operada para el DOE por el Laboratorio Nacional de Argonne.