Una forma inesperada de reciclar: los residuos plásticos se transforman en jabón

Jul 13, 2023

Guoliang 'Greg' Liu, del Departamento de Química, ha descubierto un nuevo método para reciclar plásticos (desde cartones de leche, envases de alimentos y bolsas de plástico) para convertirlos en jabón. El método: calentar las largas cadenas de carbono de los plásticos y luego enfriarlas rápidamente.

10 de agosto de 2023

Un equipo dirigido por investigadores de Virginia Tech ha desarrollado un nuevo método para reciclar plásticos y convertirlos en productos químicos de alto valor conocidos como tensioactivos, que se utilizan para crear jabón, detergente y más.

Los plásticos y los jabones tienden a tener poco en común en cuanto a textura, apariencia y, lo más importante, cómo se usan. Pero existe una conexión sorprendente entre ambos a nivel molecular: la estructura química del polietileno (uno de los plásticos más comúnmente utilizados en el mundo hoy en día) es sorprendentemente similar a la de un ácido graso, que se utiliza como precursor químico de jabón. Ambos materiales están formados por largas cadenas de carbono, pero los ácidos grasos tienen un grupo extra de átomos al final de la cadena.

Guoliang “Greg” Liu, profesor asociado de química en la Facultad de Ciencias de Virginia Tech, había considerado durante mucho tiempo que esta similitud implicaba que debería ser posible convertir el polietileno en ácidos grasos (y con algunos pasos adicionales en el proceso) para producir jabón. El desafío era cómo dividir una larga cadena de polietileno en muchas cadenas cortas, pero no demasiado cortas, y cómo hacerlo de manera eficiente. Liu creía que existía el potencial de un nuevo método de reciclaje que podría tomar desechos plásticos de bajo valor y convertirlos en un bien útil y de alto valor.

Después de considerar la pregunta durante algún tiempo, Liu se sintió inspirado mientras disfrutaba de una tarde de invierno junto a una chimenea. Observó el humo que se elevaba del fuego y pensó en cómo el humo estaba formado por pequeñas partículas producidas durante la combustión de la madera. Aunque los plásticos nunca deberían quemarse en una chimenea por razones de seguridad y medioambientales, Liu comenzó a preguntarse qué pasaría si el polietileno pudiera quemarse en un entorno de laboratorio seguro. ¿La combustión incompleta del polietileno produciría “humo” tal como lo produce la quema de leña? Si alguien capturara ese humo, ¿de qué estaría hecho?

“La leña se fabrica principalmente a partir de polímeros como la celulosa. La combustión de la leña rompe estos polímeros en cadenas cortas y luego en pequeñas moléculas gaseosas antes de la oxidación total a dióxido de carbono”, dijo Liu, titular de la Beca de Ciencias de la Vida de la Facultad Junior de Blackwood en el Departamento de Química. "Si descomponemos de manera similar las moléculas de polietileno sintético pero detenemos el proceso antes de que se descompongan en pequeñas moléculas gaseosas, entonces deberíamos obtener moléculas de cadena corta similares al polietileno".

Con la ayuda de Zhen Xu y Eric Munyaneza, dos Ph.D. estudiantes de química en el laboratorio de Liu, Liu construyó un pequeño reactor parecido a un horno donde podían calentar polietileno en un proceso llamado termólisis por gradiente de temperatura. En la parte inferior, el horno está a una temperatura lo suficientemente alta como para romper las cadenas de polímero, y en la parte superior, el horno se enfría a una temperatura lo suficientemente baja como para detener cualquier descomposición adicional. Después de la termólisis, reunieron el residuo (similar a limpiar el hollín de una chimenea) y descubrieron que la corazonada de Liu había sido correcta: estaba compuesto de "polietileno de cadena corta", o más precisamente, ceras.

Este fue el primer paso en el desarrollo de un método para reciclar plásticos y convertirlos en jabón, dijo Liu. Tras agregar algunos pasos más, incluida la saponificación, el equipo creó el primer jabón del mundo hecho de plástico. Para continuar el proceso, el equipo contó con la ayuda de expertos en modelado computacional, análisis económico y más.

Algunos de estos expertos conocieron al equipo a través de conexiones con el Instituto de Innovación de Macromoléculas de Virginia Tech. Juntos, el grupo documentó y perfeccionó el proceso de reciclaje hasta que estuvo listo para ser compartido con la comunidad científica. El trabajo fue publicado hoy en la popular revista Science.

“Nuestra investigación demuestra una nueva ruta para el reciclaje de plástico sin utilizar catalizadores novedosos ni procedimientos complejos. En este trabajo, hemos demostrado el potencial de una estrategia tándem para el reciclaje de plástico”, dijo Xu, autor principal del artículo. "Esto animará a la gente a desarrollar diseños más creativos de procedimientos de reciclaje en el futuro".

Aunque el polietileno fue el plástico que inspiró este proyecto, el método de reciclaje también puede funcionar con otro tipo de plástico conocido como polipropileno. Estos dos materiales constituyen gran parte del plástico que los consumidores encuentran a diario, desde envases de productos hasta envases de alimentos y telas. Una de las características interesantes del nuevo método de reciclaje de Liu es que se puede utilizar en ambos plásticos a la vez, lo que significa que no es necesario separarlos. Esta es una gran ventaja sobre algunos métodos de reciclaje utilizados hoy en día, que requieren una cuidadosa clasificación de los plásticos para evitar la contaminación. Ese proceso de clasificación puede resultar bastante difícil debido a lo similares que son los dos plásticos entre sí.

Otro beneficio de la técnica del upcycling es que tiene requisitos muy simples: plástico y calor. Aunque los últimos pasos del proceso requieren algunos ingredientes adicionales para convertir las moléculas de cera en ácidos grasos y jabón, la transformación inicial del plástico es una reacción sencilla. Esto contribuye a la rentabilidad del método, así como a su impacto medioambiental comparativamente pequeño.

Para que el reciclaje sea eficaz a gran escala, el producto final debe ser lo suficientemente valioso como para cubrir los costos del proceso y hacerlo más atractivo económicamente que las opciones de reciclaje alternativas.

Aunque los jabones inicialmente no parezcan un producto particularmente caro, en realidad pueden valer el doble o el triple del precio del plástico en comparación con su peso. Actualmente, el precio medio del jabón y los detergentes asciende a unos 3.550 dólares por tonelada métrica, y el del polietileno a unos 1.150 dólares por tonelada métrica. Además, la demanda de jabones y productos relacionados es comparable a la demanda de plásticos.

Esta investigación sienta las bases para una nueva forma de reducir los residuos canalizando los plásticos usados ​​hacia la producción de otros materiales útiles, afirmó Liu. Con el tiempo, espera que las instalaciones de reciclaje de todo el mundo comiencen a implementar esta técnica. Si es así, entonces los consumidores pueden esperar algún día tener la oportunidad de comprar productos de jabón sostenibles revolucionarios que también conduzcan a una reducción de los residuos plásticos en los vertederos.

Por esta razón, se puede demostrar que convertir plásticos en jabones es económicamente viable, añadió Liu, quien también es miembro afiliado de la facultad del programa de nanociencia, parte de la Academia de Ciencias Integradas de la Facultad de Ciencias, así como del Departamento de Ciencia de Materiales y Ingeniería en la Facultad de Ingeniería de Virginia Tech.

“Debe darse cuenta de que la contaminación plástica es un desafío global y no un problema de unos pocos países principales. En comparación con un proceso sofisticado y un catalizador o reactivo complejo, un proceso simple puede ser más accesible para muchos otros países del mundo”, dijo Xu. "Espero que esto pueda ser un buen comienzo para la guerra contra la contaminación plástica".

Investigadores del Departamento de Ingeniería Química también formaron parte de este proyecto y del trabajo de investigación resultante.

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