Los químicos están reinventando el reciclaje para mantener los plásticos fuera de los vertederos

Una gran cantidad de plástico va a los vertederos porque el material es demasiado difícil de reciclar en nuevos productos útiles.

Imágenes de Abdul Raheem Mohamed/EyeEm/Getty

Por María Temming

27 de enero de 2021 a las 10:19 am

Se siente bien reciclar. Hay una cierta sensación de logro que proviene de separar diligentemente las botellas de refrescos, las bolsas de plástico y los vasos de yogur del resto de la basura. Cuanto más plástico pongas en ese contenedor azul, más estarás evitando los vertederos y los océanos, ¿verdad?

Equivocado. No importa cuán meticuloso sea en la limpieza y separación de sus plásticos, la mayoría termina en el basurero de todos modos.

Tome paquetes de alimentos flexibles. Esas películas contienen varias capas de diferentes plásticos. Debido a que cada plástico debe reciclarse por separado, esas películas no son reciclables. Las bolsas de supermercado y la envoltura retráctil son demasiado endebles y propensas a enredarse con otros materiales en una cinta transportadora. El polipropileno de los vasos de yogur y otros artículos tampoco suele reciclarse; reciclar una mezcolanza de polipropileno produce un plástico oscuro y maloliente que pocos fabricantes usarán.

Solo dos tipos de plástico se reciclan comúnmente en los Estados Unidos: el tipo de las botellas plásticas de refrescos, el tereftalato de polietileno o PET; y el plástico que se encuentra en las jarras de leche y los recipientes de detergente: polietileno de alta densidad o HDPE. Juntos, esos plásticos representan solo alrededor de una cuarta parte de la basura plástica del mundo, informaron los investigadores en 2017 en Science Advances. Y cuando esos plásticos se reciclan, no sirven para mucho. Derretir el plástico para reciclarlo cambia su consistencia, por lo que el PET de las botellas debe mezclarse con plástico nuevo para obtener un producto final resistente. Reciclar una mezcla de piezas multicolores de HDPE crea un plástico oscuro que solo se usa para fabricar productos como bancos de parque y contenedores de basura, en los que las propiedades como el color no importan mucho.

Las dificultades de reciclar plástico en cualquier cosa que los fabricantes quieran usar es una gran razón por la cual el mundo está lleno de tantos desechos plásticos, dice Eric Beckman, ingeniero químico de la Universidad de Pittsburgh. Solo en 2018, Estados Unidos depositó en vertederos 27 millones de toneladas de plástico y recicló solo 3 millones, según la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Las bajas tasas de reciclaje no son solo un problema en los Estados Unidos. De los 6.300 millones de toneladas de plástico que se han desechado en todo el mundo, solo alrededor del 9 por ciento se ha reciclado. Otro 12 por ciento se ha quemado y casi el 80 por ciento se ha acumulado en tierra o en cursos de agua.

La cantidad de plástico reciclado en los Estados Unidos ha aumentado en las últimas décadas, pero esos niveles aún palidecen en comparación con la cantidad de plástico que termina en los vertederos.

Con la recolección de plástico en todas partes, desde la cima del Monte Everest hasta el fondo de la Fosa de las Marianas, existe una necesidad urgente de reducir la cantidad de plástico que se desecha (SN: 1/16/21, p. 5). Algunas personas proponen reemplazar los plásticos con materiales biodegradables, pero esos reemplazos generalmente no son tan fuertes ni tan baratos como los plásticos (SN: 22/6/19, p. 18). Dado que, de manera realista, el plástico no va a desaparecer pronto, los químicos que entienden los entresijos de todo este molesto plástico están trabajando para que sea más fácil de reciclar y convertirlo en un material de mayor calidad que sea útil para más cosas.

"No va a haber una sola tecnología que sea la respuesta", dice Ed Daniels, gerente principal de proyectos del Instituto REMADE en West Henrietta, Nueva York, que financia la investigación de nuevas técnicas de reciclaje. Algunos proyectos están a punto de irrumpir en la industria; otros siguen siendo solo experimentos de laboratorio prometedores. Pero todos están enfocados en diseñar un futuro donde cualquier plástico que termine en el contenedor de reciclaje pueda tener una segunda y tercera vida en un nuevo producto.

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Uno de los mayores cuellos de botella en el reciclaje de plástico es que cada material debe procesarse por separado. "La mayoría de los plásticos son como el aceite y el agua", dice el químico Geoffrey Coates de la Universidad de Cornell. Simplemente no se mezclan. Tomemos, por ejemplo, una jarra de detergente de polietileno y su tapa de polipropileno. "Si los derrite, y hago una botella con eso, y lo aprieto, básicamente se rompería por el costado", dice Coates. "Es increíblemente frágil. Totalmente inútil".

Es por eso que el primer destino de los materiales reciclables de plástico es una instalación de recuperación de materiales, donde las personas y las máquinas clasifican. Luego, los plásticos separados se pueden lavar, triturar, derretir y remodelar. El sistema funciona bien para artículos simples como botellas de refrescos y jarras de leche. Pero no para artículos como envases de desodorante, donde la botella, la manivela y la tapa podrían estar hechos de diferentes tipos de plástico. Las películas de envasado de alimentos que contienen varias capas de diferentes plásticos son especialmente difíciles de desmontar. Cada año, se producen 100 millones de toneladas de estas películas multicapa en todo el mundo. Cuando se desechan, esos plásticos van a parar a los vertederos, dice el ingeniero químico George Huber de la Universidad de Wisconsin-Madison.

Para abordar ese problema, Huber y sus colegas idearon una estrategia para lidiar con mezclas complejas de plásticos. El proceso utiliza una serie de solventes líquidos para disolver los componentes plásticos individuales de un producto. El truco está en elegir los solventes correctos para disolver solo un tipo de plástico a la vez, dice Huber.

El equipo probó la técnica en una película de embalaje que contenía polietileno y PET, así como una barrera de oxígeno plástica hecha de alcohol vinílico de etileno, o EVOH, que mantiene frescos los alimentos.

Al agitar la película en un disolvente de tolueno, primero se disolvió la capa de polietileno. Sumergir la película de EVOH-PET restante en un solvente llamado DMSO eliminó el EVOH. Luego, los investigadores extrajeron la película de PET restante y recuperaron los otros dos plásticos de sus solventes separados mezclándolos con productos químicos "antisolventes". Esos productos químicos hicieron que las moléculas de plástico que estaban dispersas en los líquidos se agruparan en grumos sólidos que podían extraerse.

Este proceso recuperó prácticamente todo el plástico de la película original, informaron los investigadores el pasado noviembre en Science Advances. Cuando se probaron en una mezcla de perlas de polietileno, PET y EVOH, los lavados con solventes recuperaron más del 95 por ciento de cada material, lo que sugiere que estos solventes podrían usarse para quitar componentes de plástico de artículos más voluminosos que las películas de empaque. Entonces, en teoría, las instalaciones de recuperación podrían usar esta técnica para desarmar envases multiplásticos de desodorante y otros productos de varias formas y tamaños.

Huber y sus colegas luego planean buscar solventes para disolver más tipos de plástico, como el poliestireno en la espuma de poliestireno. Pero hará falta mucho más trabajo para que esta estrategia sea eficiente en la clasificación de todas las complejas combinaciones de plástico en los materiales reciclables del mundo real.

Muchos productos de plástico están etiquetados con un número dentro de un triángulo que simboliza el reciclaje. Sin embargo, solo los plásticos con 1 (tereftalato de polietileno) o 2 (polietileno de alta densidad) se reciclan ampliamente en los Estados Unidos. El resto suele ir al vertedero.

MASCOTABotellas de agua y refrescos, cúpulas para ensaladas, bandejas para galletas, aderezos para ensaladas y recipientes para mantequilla de maní

HDPEBotellas de leche y jugo, bolsas para congelar, botellas de champú y detergente

CLORURO DE POLIVINILOEnvases cosméticos, film transparente comercial

LDPEBotellas exprimibles, film transparente, bolsas de basura

PÁGINASPlatos de microondas, tarrinas de helado, envases de yogur, tapas de botellas de detergente

PDEstuches de CD, vasos desechables de plástico, cubiertos de plástico, estuches de video

EPSVasos de espuma de poliestireno para bebidas calientes, bandejas de comida para llevar, embalaje protector para artículos frágiles

OtroBotellas enfriadoras de agua, películas flexibles, empaques multimaterial

También puede haber atajos químicos que permitan que las películas multicapa y otras mezclas de plásticos se reciclen tal cual. Los aditivos llamados compatibilizadores ayudan a que diferentes plásticos fundidos se mezclen, de modo que los materiales no clasificados puedan tratarse como uno solo. Pero no existe un compatibilizador universal que permita mezclar todo tipo de plástico. Y los compatibilizadores existentes no se usan mucho porque no son muy potentes, y agregar una gran cantidad de compatibilizador a una mezcla de plástico resulta costoso.

Para impulsar la viabilidad, Coates y sus colegas crearon un compatibilizador muy potente para el polietileno y el polipropileno. Juntos, esos dos plásticos constituyen más de la mitad del plástico del mundo. La nueva molécula compatibilizadora contiene dos segmentos de polietileno, intercalados con dos segmentos de polipropileno. Esos segmentos alternados se adhieren a moléculas de plástico del mismo tipo en una mezcla, uniendo polietileno y polipropileno. Es como si el polietileno estuviera hecho de Legos y el polipropileno de Duplos, y los investigadores hicieron un bloque de construcción especial con conectores que encajan en ambos tipos de bloques.

Tener dos conectores de polietileno y dos de polipropileno para cada molécula de compatibilizador, en lugar de uno, hizo que este compatibilizador fuera más fuerte que las versiones anteriores, informaron Coates y sus colegas en 2017 en Science. La primera prueba del nuevo compatibilizador involucró la soldadura de tiras de polietileno y polipropileno. Normalmente, los dos materiales se despegan fácilmente. Pero con una capa de compatibilizador entre ellas, las tiras de plástico se rompieron, en lugar del sello del compatibilizador, cuando se separaron.

En una segunda prueba, los investigadores mezclaron el compatibilizador en una mezcla fundida de polietileno y polipropileno. Solo se necesitó un 1 por ciento de compatibilizador para crear un plástico nuevo y resistente.

"Estos son aditivos locos y potentes", dice Coates. Se tuvieron que agregar otros compatibilizadores en concentraciones de hasta el 10 por ciento para mantener juntos estos dos plásticos. El nuevo compatibilizador es ahora la base para la puesta en marcha de Coates, Intermix Performance Materials, con sede en Ithaca, Nueva York.

Incluso si cada pieza de basura plástica pudiera reciclarse fácilmente, eso no resolvería el problema mundial del plástico. Hay un par de problemas importantes con el funcionamiento actual del reciclaje que limitan severamente la usabilidad de los materiales reciclados.

Por un lado, los plásticos reciclados heredan todos los tintes, retardantes de llama y otros aditivos que le dieron a cada pieza de plástico original su aspecto y tacto distintivos. "El plástico que realmente recuperas al final de todo esto es realmente una mezcla muy compleja", dice la química Susannah Scott de la Universidad de California, Santa Bárbara. Pocos fabricantes pueden usar plástico con una mezcla aleatoria de propiedades para hacer algo nuevo.

Además, el reciclaje rompe algunos de los enlaces químicos en las moléculas de plástico, lo que afecta la resistencia y la consistencia del material. Derretir y remodelar plástico es como recalentar pizza en el microondas: obtienes básicamente lo que pones, pero no tan bueno. Eso limita la cantidad de veces que se puede reciclar el plástico antes de que tenga que enviarse a un vertedero.

La solución a ambos problemas podría estar en un nuevo tipo de proceso de reciclaje, llamado reciclaje químico, que promete hacer plástico nuevo puro una cantidad infinita de veces. El reciclaje químico consiste en desarmar los plásticos a nivel molecular.

Las moléculas que componen los plásticos se llaman polímeros, que están hechos de monómeros más pequeños. Usando calor y productos químicos, es posible desarmar polímeros en monómeros, separar esos componentes básicos de los tintes y otros contaminantes, y volver a unir los monómeros en plástico como nuevo.

"El reciclaje químico realmente ha comenzado a emerger como una fuerza, diría yo, en los últimos tres o cuatro años", dice Beckman de la Universidad de Pittsburgh. Pero la mayoría de las técnicas de reciclaje químico son demasiado caras o consumen mucha energía para uso comercial. "No está listo para el horario de máxima audiencia", dice.

Diferentes plásticos requieren diferentes procesos de reciclaje químico y algunos se descomponen más fácilmente que otros. "El que está más avanzado es PET", dice Beckman. "Ese polímero resulta ser fácil de desarmar". Varias empresas están desarrollando métodos para reciclar PET químicamente, incluida la empresa francesa Carbios.

Carbios está probando enzimas producidas por microorganismos para descomponer el PET. Los investigadores de la compañía describieron su trabajo sobre una de esas enzimas en abril pasado en Nature. Los microbios normalmente usan la enzima, llamada cutinasa de abono de ramas de hojas, para descomponer la capa cerosa de las hojas de las plantas. Pero la cutinasa también es buena para descomponer el PET en sus monómeros: etilenglicol y ácido tereftálico.

Una enzima producida naturalmente por microbios descompone alrededor del 50 por ciento del tereftalato de polietileno o PET (línea azul). Una versión modificada de la enzima descompuso más del 80 por ciento del plástico (línea negra punteada). Aumentar la cantidad de la enzima de 1 miligramo por gramo de PET a 3 miligramos lo hizo aún más eficiente, descomponiendo alrededor del 90 por ciento del PET.

"La enzima es como una tijera molecular", dice Alain Marty, director científico de Carbios. Pero debido a que evolucionó para descomponer materia vegetal, no plástico, no es perfecto. Para hacer que la enzima separe mejor el PET, "rediseñamos lo que llamamos el sitio activo de la enzima", dice Marty. Esto implicó intercambiar algunos de los aminoácidos a lo largo de ese sitio de acoplamiento de PET por otros.

Cuando los investigadores probaron su enzima mutante en escamas de plástico coloreadas de botellas de PET, aplicando 3 miligramos de la enzima por gramo de PET, alrededor del 90 por ciento del plástico se descompuso en unas 10 horas. La enzima original había alcanzado un máximo de alrededor del 50 por ciento. Usando los monómeros de ácido tereftálico producidos en ese proceso, los investigadores fabricaron nuevas botellas de plástico que eran tan fuertes como las originales.

Carbios ahora está construyendo una planta cerca de Lyon, Francia, para comenzar a reciclar PET químicamente a finales de este año.

Pero otros plásticos, como el polietileno y el polipropileno, son mucho más difíciles de descomponer mediante el reciclaje químico. Desarmar moléculas de polietileno, por ejemplo, requiere temperaturas superiores a 400° Celsius. A tal temperatura, la química es caótica. Las moléculas de plástico se descomponen al azar, generando una mezcla compleja de compuestos que pueden quemarse como combustible pero no usarse para fabricar nuevos materiales.

Scott, el químico de la Universidad de California en Santa Bárbara, propone descomponer parcialmente estos plásticos resistentes de una manera más controlada, en condiciones más suaves, para producir otros tipos de moléculas útiles. Ella y sus colegas idearon recientemente una forma de transformar el polietileno en compuestos alquilaromáticos, que pueden usarse como ingredientes biodegradables en champús, detergentes y otros productos. El proceso consiste en colocar polietileno dentro de una cámara de reacción a 280° C, con un polvo catalizador que contiene nanopartículas de platino.

El polietileno es una molécula larga, en la que los átomos de hidrógeno están conectados a una columna vertebral de carbono que puede tener miles de átomos de carbono de largo. El platino es bueno para romper los enlaces carbono-hidrógeno, dice Scott. "Cuando haces eso, generas hidrógeno en el reactor, y el catalizador de platino puede usar el hidrógeno para romper los enlaces carbono-carbono [en la columna vertebral de la molécula]. Así que en realidad corta la cadena en pedazos más pequeños".

Dado que esta reacción se lleva a cabo a una temperatura relativamente suave de 280 °C, ocurre de manera ordenada, rompiendo largas moléculas de polietileno en cadenas más cortas de aproximadamente 30 carbonos cada una. Esos fragmentos luego se organizan en las estructuras de anillos de seis lados características de los compuestos alquilaromáticos.

Después de 24 horas en la cámara de reacción, "la mayoría de los productos son líquidos y la mayoría de los líquidos son alquilaromáticos", dice Scott. En experimentos, alrededor del 69 por ciento del plástico en una bolsa de polietileno de baja densidad se convirtió en líquido. Se transformó alrededor del 55 por ciento de la tapa de una botella de polietileno de alta densidad. El proceso también produce gases de hidrocarburo, que podrían usarse para generar calor para ejecutar la reacción en una planta de reciclaje, dice Scott.

Por ahora, esto es solo una demostración de laboratorio y, como muchas nuevas estrategias de reciclaje, todavía está muy lejos de la comercialización. Y ninguna mejora individual en la tubería de reciclaje librará al mundo de sus crecientes montañas de basura plástica. "Vamos a necesitar un conjunto de tecnologías para enfrentar este desafío", dice Daniels, del Instituto REMADE. Pero cada nueva tecnología, ya sea que se centre en hacer que los plásticos sean más fáciles de reciclar o en transformarlos en materiales más útiles, podría ayudar.

Los plásticos producidos hoy nunca fueron diseñados para usarse más de una vez. Es por eso que reciclar plásticos, particularmente en material que es tan bueno como nuevo, es tan difícil. Pero los investigadores están volviendo a la mesa de dibujo para preguntarse: "¿Cómo se ve la próxima generación de materiales? ¿Cómo se diseña un material específicamente para que nunca tenga que ir a un vertedero?" dice Eric Beckman, ingeniero químico de la Universidad de Pittsburgh. "Los químicos están analizando si se puede diseñar un polímero que se deshaga cuando se le ordena".

El desarrollo de una clase de polímeros de próxima generación, llamados PDK, para poli(dicetoenamina) se informó en Nature Chemistry en 2019. "Los PDK tienen la capacidad de romper sus enlaces en condiciones relativamente suaves, ciertamente con una intensidad energética mucho menor que cualquiera de los plásticos que se usan actualmente", dice el coautor del estudio Brett Helms, químico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. Simplemente sumergir el plástico en una solución ácida con un pH de 1 o 2 es suficiente para romper los enlaces entre sus componentes monoméricos.

"Los materiales no suelen encontrar un pH tan bajo, por lo que si pones PDK en vinagre, el polímero no comenzará a descomponerse", dice Helms. Pero podría facilitar el reciclaje. Los monómeros PDK se pueden usar para fabricar plástico nuevo y prístino, una y otra vez.

Los plásticos generalizados como el tereftalato de polietileno, o PET, y el polietileno son tan baratos de fabricar que cualquier polímero innovador tendría dificultades para ingresar al mercado, dice Beckman. Entonces, por ahora, el plástico inherentemente reciclable es solo una curiosidad académica. Pero tal vez, dentro de décadas, los plásticos hechos para ser reciclables desde el principio ayudarán a resolver el problema mundial de los desechos plásticos. — María Temming

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Una versión de este artículo aparece en la edición del 30 de enero de 2021 de Science News.

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Anteriormente redactora del personal de ciencias físicas en Science News, Maria Temming es editora asistente en Science News Explores. Tiene una licenciatura en física e inglés y una maestría en escritura científica.

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