Cómo convertimos los residuos plásticos en vinagre: un avance impulsado por la luz solar

(MENAFN- The Conversation) El plástico es uno de los materiales más duraderos que los humanos hayan creado. Esa durabilidad lo ha vuelto indispensable en medicina, el envasado de alimentos y el transporte. Pero también ha creado uno de los problemas ambientales más determinantes a los que nos hemos enfrentado.

Cada año se producen en el mundo cientos de millones de toneladas de plástico. Gran parte termina en vertederos, incineradoras o en el entorno natural, donde puede persistir durante siglos.

Los métodos que tenemos para eliminar la contaminación por plástico tienen desventajas. Ponerlo en vertederos significa que los químicos y los microplásticos pueden filtrarse en el medio ambiente circundante.

Si se quema, libera humos y toxinas dañinos. El reciclaje mecánico a menudo degrada los plásticos en productos de menor valor, mientras que el reciclaje químico típicamente requiere altas temperaturas, altas presiones y grandes cantidades de energía.

Colegas y yo publicamos recientemente una investigación que explora una posibilidad muy diferente: usar la luz solar y un catalizador a base de hierro para convertir directamente residuos comunes de plástico en ácido acético, el componente clave del vinagre y un importante químico industrial.

En lugar de tratar el plástico solo como residuo, nuestra investigación muestra que puede transformarse en algo útil en condiciones moderadas.

Aprendiendo de un hongo que pudre la madera

La inspiración para nuestra investigación vino de la naturaleza. El hongo de la madera blanca (Phanerochaete chrysosporium) es famoso por su capacidad para descomponer la lignina, uno de los polímeros más resistentes que se encuentran en la madera. Lo hace usando enzimas que generan especies químicas altamente reactivas capaces de desmantelar estructuras complejas de carbono.

Nos preguntamos si un material sintético podría imitar esta estrategia.

El catalizador que diseñamos es nitruro de carbono dopado con hierro (iron-doped carbon nitride), un semiconductor que absorbe luz visible. Luego anclamos átomos individuales de hierro, creando lo que los científicos llaman un catalizador de un solo átomo.

En lugar de formar nanopartículas, cada átomo de hierro queda aislado y embebido dentro de la estructura del nitruro de carbono. Esta precisión atómica es crucial. Cada átomo de hierro se comporta como un sitio activo en una enzima natural, maximizando la eficiencia mientras mantiene la estabilidad.

Una reacción en dos pasos impulsada por la luz

El sistema funciona mediante una cascada de reacciones impulsadas por la luz.

Bajo la luz del sol y en presencia de peróxido de hidrógeno, los sitios de hierro activan el peróxido para generar radicales hidroxilo altamente reactivos. Un radical es un átomo, molécula o ion que tiene al menos un electrón no apareado. Esto los hace altamente reactivos químicamente.

Estos radicales atacan las largas cadenas de carbono que forman los plásticos, como el polietileno (usado en bolsas de plástico), el polipropileno (recipientes de alimentos), el PET (botellas de bebidas) e incluso el PVC (tuberías y embalajes).

Los polímeros se oxidan progresivamente y se descomponen en moléculas más pequeñas, hasta formar dióxido de carbono (CO2).

En lugar de permitir que este CO2 escape, el mismo catalizador realiza un segundo trabajo: usa la luz solar para reducir el CO2 a ácido acético. En otras palabras, el carbono del residuo plástico primero se oxida y luego se reensambla en una nueva molécula valiosa.

Esencialmente, este enfoque descompone el plástico y convierte el carbono resultante en una sustancia química de uso comercial dentro de un solo sistema. Esto lo distingue de la mayoría de las tecnologías de reciclaje existentes.

¿Por qué ácido acético?

El ácido acético es conocido sobre todo como el componente ácido del vinagre, pero también es una importante materia prima industrial. Se usa para producir adhesivos, recubrimientos, disolventes, fibras sintéticas y productos farmacéuticos.

La demanda global se sitúa en millones de toneladas cada año, lo que representa un mercado de varios miles de millones de dólares.

Actualmente, la mayor parte del ácido acético se produce mediante un proceso intensivo en energía llamado carbonilación de metanol (methanol carbonylation), por el cual el metanol se reacciona con monóxido de carbono a altas temperaturas.

Convertir el plástico de desecho en ácido acético ofrece una vía circular potencial: en lugar de extraer nuevo carbono, reutilizamos carbono que ya estaba presente en materiales descartados.

En nuestros experimentos, el sistema produjo ácido acético a tasas comparativamente favorables con otros métodos de conversión de plástico impulsados por la luz reportados. Cuando aumentamos la utilización de la luz dentro del reactor, la tasa de producción aumentó sustancialmente.

Lo importante es que la reacción se llevó a cabo a temperatura ambiente y a presión atmosférica normal. Esto contrasta con muchos métodos de reciclaje químico que requieren calentar los plásticos a varios cientos de grados Celsius.

Manejo de plásticos del mundo real

Los estudios de laboratorio a menudo se enfocan en tipos puros de un solo plástico. Pero los flujos reales de residuos están mezclados y contaminados. Por ello, probamos distintos plásticos comunes de forma individual, así como mezclas.

Nuestro catalizador pudo convertir varios plásticos de gran consumo (commodity). Curiosamente, el PVC mostró un desempeño particularmente fuerte. Creemos que el cloro liberado durante su descomposición puede generar radicales reactivos adicionales, acelerando la degradación.

Los átomos de hierro permanecieron dispersos a nivel atómico después de usos repetidos, lo que indica buena estabilidad. Esto importa porque la degradación del catalizador o la lixiviación de metales pueden socavar tanto el rendimiento como la seguridad ambiental.

El sistema sí depende de peróxido de hidrógeno añadido, que se consume durante la reacción. Aunque el peróxido de hidrógeno se descompone en agua y oxígeno y se considera relativamente benigno, el trabajo futuro necesitará abordar cómo puede suministrarse de manera sostenible a escala.

De la idea a la práctica

Aumentar la escala de cualquier proceso químico nuevo presenta desafíos. La penetración de la luz, el diseño del reactor y la variabilidad de las materias primas de plástico de desecho afectan la eficiencia. Los aditivos en los plásticos comerciales, como estabilizadores, pigmentos y plastificantes, también pueden influir en los resultados de la reacción.

Para explorar la viabilidad, realizamos una evaluación techno-económica preliminar. Esto es una forma de analizar los posibles beneficios económicos de un proceso industrial o de un producto.

Aunque se requiere una mayor optimización, nuestro análisis sugiere que combinar la limpieza de residuos con la producción de un químico valioso podría ayudar a compensar costos, especialmente cuando se toman en cuenta los beneficios ambientales.

De manera más amplia, este trabajo ilustra el poder de los catalizadores de un solo átomo y del diseño inspirado en la biología. Al imitar la manera en que las enzimas controlan la reactividad en centros metálicos precisos, podemos lograr transformaciones químicas complejas en condiciones moderadas usando la luz solar como fuente de energía.

Replanteando el ciclo de vida del plástico

El problema de la contaminación por plástico no se resolverá con una sola tecnología. Reducir el uso innecesario de plástico, mejorar el diseño de los productos y fortalecer los sistemas de reciclaje son todas medidas esenciales.

Transformar residuos plásticos en químicos útiles ofrece una estrategia complementaria. Replantea el plástico no solo como una carga ambiental, sino también como un recurso de carbono.

Si podemos aprovechar la luz solar para impulsar estas transformaciones de manera eficiente y a escala, el empaque descartado de ayer podría convertirse en la materia prima industrial de mañana.

El desafío ahora es traducir nuestros avances de laboratorio en sistemas robustos y escalables. Si tiene éxito, marcaría un paso hacia una economía más circular: una en la que el residuo no es el final de la historia, sino el comienzo de una nueva.

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