¿Por qué necesitamos el reciclaje de productos químicos?
El reciclaje de plásticos dista mucho de ser perfecto, y la mayoría de los plásticos siguen acabando en los vertederos o en el medio ambiente. Reciclar eficazmente el plástico por medios convencionales (por ejemplo, métodos mecánicos) es notoriamente difícil, y sólo el 16% de los residuos plásticos se reciclan para fabricar nuevos plásticos, mientras que el 40% se envía a los vertederos, el 25% a la incineración y el 19% se vierte.
Las tecnologías de reciclaje químico pueden descomponer los plásticos en sus componentes básicos y transformarlos en valiosas materias primas secundarias. Estos materiales pueden utilizarse para producir nuevos productos químicos y plásticos. Existen varias tecnologías de reciclaje químico que siguen tres nuevas vías de reciclaje para tratar los residuos plásticos:
- Purificación: extraer el plástico
- Despolimerización: descomponerlo en componentes básicos
- Conversión: convertirlo en materia prima
Al aplicar las tecnologías de reciclaje químico a escala en Europa, la industria química puede aumentar la eficiencia de los recursos y ayudar a cerrar el círculo en la transición hacia una economía circular para los plásticos. De hecho, el reciclaje químico es el protagonista de tres secciones del ciclo de la economía circular: las fases de reciclaje, reforma y reducción (Figura 1).
Figura 1. Diagrama de la economía circular.
El alcance del reciclaje químico no se detiene en el ciclo de la economía circular, de hecho, está muy relacionado con al menos cinco de los diecisiete Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS): ciudades y comunidades sostenibles (ODS11), consumo responsable (ODS12), acción por el clima (ODS13), vida bajo el agua (ODS14) y vida en la tierra (ODS15).
Figura 2. Cinco de los 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) en los que está implicado el reciclaje químico.
Estrategias actuales
Métodos mecánicos
El reciclaje mecánico de los residuos de plástico se realiza generalmente de la siguiente manera: se clasifican, se limpian, se trituran, se funden y se vuelven a moldear. Cada vez que el plástico se recicla de esta manera, su calidad se degrada. Cuando el plástico se funde, las cadenas de polímeros se rompen parcialmente, lo que disminuye su resistencia a la tracción y su viscosidad, haciendo más difícil su procesamiento. El nuevo plástico, de menor calidad, suele ser inadecuado para su uso en envases alimentarios y la mayoría de los plásticos pueden reciclarse un número muy limitado de veces antes de que se degraden tanto que queden inservibles. En consecuencia, acaban siendo enviados al vertedero o incinerados.
Reciclaje químico – Definición y objetivos del reciclaje químico
El reciclaje químico, en su forma más simple, es el proceso de convertir materiales en sus componentes utilizando medios químicos. Para entender este concepto, un caso sencillo es el reciclaje químico del tereftalato de polietileno (PET), que es un plástico utilizado habitualmente en la fabricación de botellas.
El PET es un copolímero formado por la condensación del ácido tereftálico y el etilenglicol a altas temperaturas, dando lugar a un enlace éster entre estos dos monómeros. Es importante destacar que cuando los polímeros de PET se tratan con una base fuerte como el NaOH en agua, los enlaces éster pueden degradarse y obtener las unidades monoméricas iniciales (Figura 3). De este modo, estos monómeros pueden reutilizarse para preparar un nuevo polímero de PET.
Figura 3: Síntesis y reciclaje químico del polímero de PET.
Aunque la aplicación ideal del reciclado químico es la recuperación de las unidades monoméricas iniciales, como se ha mostrado para el caso del PET, esta tecnología tiene además los dos siguientes objetivos adicionales
- La purificación del material de alto valor de un objeto o sustancia. Los objetos suelen estar compuestos por varios materiales. En algunos casos, cantidades reducidas de materiales muy caros están incrustadas en sustancias de bajo coste. Este es el caso típico de los materiales electrónicos que contienen metales de tierras raras como el lantano o el cerio. En la actualidad, la recuperación de estos materiales caros de los dispositivos electrónicos ha recibido una atención considerable.
- Obtener materiales parcialmente degradados y convertirlos en componentes intermedios utilizados para producir materias primas secundarias. La idea aquí es que en lugar de degradar el polímero en los monómeros, que podría ser un proceso costoso y laborioso, el polímero se convierte parcialmente en oligómeros de bajo peso molecular que como los monómeros también se pueden utilizar para la preparación de nuevos polímeros. Este proceso se ha aplicado al PET y a otros plásticos como el poliestireno (PS), el polietileno (PE) o el polipropileno (PP), que a menudo se reciclan en productos intermedios como la nafta (mezcla de hidrocarburos) que luego puede utilizarse como combustible o para diluir el petróleo crudo.
- Obtención de productos de valor añadido. Hay casos en los que la obtención del precursor de los polímeros no es factible o es muy costosa, pero se puede convertir mediante una reacción química en un producto útil. Un ejemplo típico es la generación de compost que se comentará más adelante.
Metodologías aplicadas en el reciclaje químico
El reciclaje químico es un campo en evolución que ha desarrollado un amplio tipo de tecnologías para cumplir los cuatro objetivos explicados en el apartado anterior. A continuación, se exponen las metodologías más aplicadas en la actualidad para llevar a cabo el reciclaje químico.
- La purificación se aplica para la recuperación selectiva de un componente concreto de un material de desecho. Esta metodología es la que se aplica para la recuperación de materiales de alto valor a partir de muestras heterogéneas, como los metales de tierras raras descritos anteriormente. Dependiendo del tipo de material que se quiera purificar, esta metodología puede consistir en (i) la degradación de los componentes de bajo valor (por ejemplo, los plásticos) para dejar los materiales de alto valor (por ejemplo, los metales raros) o (ii) la disolución selectiva de los materiales de alto valor. El segundo procedimiento suele utilizarse cuando los componentes de bajo valor no pueden eliminarse sin degradar el componente deseado.
- La despolimerización implica el uso de medios químicos o bioquímicos para descomponer el polímero que compone un plástico (por ejemplo, el PET de las botellas) en sus componentes. La despolimerización funciona mejor con materiales que tienen enlaces C-X (un enlace entre un átomo de carbono y un heteroátomo, por ejemplo, poliésteres, policarbonatos) que son susceptibles de escindir los enlaces en condiciones suaves. Los materiales fabricados con enlaces C-C (poliestireno (PS), polietileno (PE) o polipropileno (PP) suelen reciclarse mediante pirólisis. Es importante destacar que, recientemente, se han desarrollado algunas despolimerizaciones, que pueden realizarse en condiciones suaves (por ejemplo, a baja temperatura) en contraste con los métodos químicos tradicionales.
- La pirólisis es la despolimerización térmica de materiales a temperatura elevada. Suele realizarse bajo una atmósfera inerte, lo que provoca la escisión de los enlaces que dan lugar a materias primas como la materia prima (por ejemplo, PS, PE y PP para dar una mezcla de hidrocarburos que se denomina nafta). Alternativamente, puede haber algo de oxígeno, agua u otras sustancias, de modo que pueden producirse oxidaciones, hidrólisis u otros procesos químicos para convertir la materia prima en materias primas con valor añadido. Es importante destacar que la pirólisis también suele denominarse «craqueo», que se utiliza para describir cualquier tipo de división de las moléculas bajo la influencia de un calor determinado, catalizadores y disolventes.
- La conversión de residuos en compost es un método bioquímico que utiliza enzimas o microorganismos para convertir los materiales en productos de valor añadido, como el compost. Esta tecnología no se limita a los bioplásticos (es decir, materiales plásticos producidos a partir de fuentes renovables de biomasa), ya que también hay ejemplos de plásticos sintéticos que pueden transformarse en compost. En este contexto, un tipo de material interesante que está llamando mucho la atención son los biodegradables. Se trata de materiales que pueden descomponerse mediante procesos naturales (por ejemplo, bacterias) al final de su vida útil.
Desafíos
El principal reto para la aplicación con éxito del reciclaje químico es la heterogeneidad de los objetos. La mayoría de los productos comerciales que se utilizan en nuestra sociedad son una mezcla de diferentes materiales que entran en la misma categoría. Por ejemplo, los plásticos incluyen materiales como el PET (poliéster), el PS, el PE o el PP (poliacrílicos) o el policarbonato, que requerirán diferentes químicas para ser degradados. Por ello, es necesario clasificar los materiales antes del reciclaje químico.
Además, durante la fabricación se utilizan otros productos químicos, como los plastificantes, que pueden contaminar los materiales reciclados finales. Además, los materiales suelen contaminarse con el uso, por ejemplo, de alimentos en botellas de PET y vasos y bandejas de PS. Por lo tanto, es necesario limpiar el plástico bruto que se utiliza para el reciclaje, lo que aumenta el coste del mismo.
Por otro lado, el escaso incentivo del mercado es también un obstáculo relevante para la aplicación del reciclaje químico. Hay varios costes adicionales asociados a esta tecnología, como la clasificación y la limpieza de la materia prima. A menudo, sin incentivos (gobiernos o consumidores), no hay suficiente rentabilidad para que las empresas inviertan en el reciclaje químico.
Perspectivas de futuro
En los últimos años, la comunidad investigadora se ha concentrado en el desarrollo de nuevas metodologías y materiales para proteger los entornos naturales. Como se ha comentado anteriormente, la despolimerización es la técnica de reciclaje ideal, ya que las unidades monoméricas pueden reutilizarse para producir materiales con la misma calidad que los iniciales. Sin embargo, los métodos actuales tienen limitaciones, como la despolimerización parcial a oligómeros y el elevado coste energético. En este contexto, la comunidad científica está desarrollando nuevas enzimas con una capacidad de despolimerización sin precedentes que podrían realizar esta tarea a bajas temperaturas e incluso en agua. Esto está siendo posible gracias a una tecnología llamada evolución dirigida (premio Nobel de Química, 2018) que permite la producción en enzimas con propiedades catalíticas sin precedentes.
En cuanto al diseño de nuevos materiales, una forma ideal de prolongar su vida útil será el diseño de materiales autorreparables, una clase de polímeros innovadores inspirados en la funcionalidad de reparación de los sistemas biológicos. Estas sustancias pueden recuperar total o parcialmente su conjunto original de propiedades cuando se dañan y, por tanto, prolongar su uso.
Asimismo, los polímeros supramoleculares son otra clase de materiales innovadores. La principal diferencia entre estos polímeros y los convencionales es que los monómeros de los polímeros supramoleculares se mantienen unidos mediante enlaces reversibles. Estos polímeros pueden adaptarse a los cambios de su entorno y despolimerizarse de forma muy sencilla, como añadiendo un disolvente adecuado para las unidades monoméricas.