Despolimerización, rompiendo los plásticos en sus bloques de construcción

Saludos queridos amigos de Hive.

La industria del plástico tiene ya una larga trayectoria produciendo diversos tipos de polímeros, compuestos indispensables para todos los materiales plásticos, sin embargo, romper esas grandes moléculas para reciclar sus componentes se ha vuelto cuesta arriba, es por ello que la despolimerización es un proceso que se ha vuelto de interés para los investigadores en polímeros ya que representa una forma de reciclar los residuos plásticos separándolos en sus monómeros, o bloques de construcción básicos, para devolverlos a la línea de producción.

La despolimerización es esencial para el reciclaje eficiente de los plásticos. Fuente: @emiliomoron, símbolo dereciclaje e imágenes de botellas son de dominio público.

Polímeros

Los polímeros son sustancias compuestas de unidades más pequeñas llamadas monómeros, que se unen entre sí mediante enlaces covalentes formando largas cadenas de gran peso molecular. Los polímeros pueden ser tanto sintéticos, o derivados del petróleo como el polietileno y el polipropileno, o también de origen natural, como las proteínas o la celulosa.

Visualización de cadenas de polímeros mediante un un microscopio de fuerza atómica. Fuente: Wikipedia.org.

polimerización de monómeros, que es básicamente ensamblar una larga cadena mediante la repetición de unidades moleculares sencillas, obteniendo macromoléculas cuyo alto peso molecular les confiere esas características partículas, como elasticidad y resistencia, además de la tendencia de agruparse en estructuras amorfas en lugar de formar cristales. Y esencialmente, el esqueleto de un polímero sintético se construye mediante el enlace de átomos de carbono, un ejemplo es el poliestireno, cuyo monómero o bloque de construcción es el estireno.

Ejemplo de polimerización del estireno en poliestireno. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.

En el mundo se producen cerca de 400 millones de toneladas de plástico al año, y nuestra demanda de estos materiales no ha parado de crecer desde los años 50, por lo que el proceso de polimerización ya es bastante conocido y ha sido muy bien investigado desde entonces, dándonos la gran cantidad de materiales plásticos que conocemos; pero lo cierto es que realizar el proceso inverso, lo que se ha denominado despolimerización, ha sido muy poco estudiado, por lo cual no se dispone de un eficiente método para recuperar esos bloques de construcción individuales.

Despolimerización, ¿Cómo funciona?

Se puede decir que la despolimerización es una forma de degradación de los polímeros, mediante la descomposición de la cadena hasta sus bloques constituyentes, monómeros u oligómeros, lo que se logra generalmente mediantes procesos térmicos (aplicando altas temperaturas) o químicos (utilizando agentes hidrolíticos).

La despolimerización térmica se puede utilizar para la descomposición de algunos polímeros generados por el método de adición, los formados por la adición sucesiva de una gran número de moléculas, como el polietileno y el polimetilmetactilato ; sin embargo, los polímeros generados por el método de condensación, o reacción por etapas, como la poliamida y los poliésteres no se pueden despolimerizar térmicamente.

Y la despolimerización química se produce mediante una reacción de hidrolisis, ruptura de enlaces de hidrogeno, ácida o básica, en la que los compuestos que contienen átomos de hidrogeno activo se utilizan para reaccionar con los grupos polares de la cadena principal de polímeros.

La despolimerización es la descomposición de la cadena del polímero. Fuente: @emiliomoron.

Pero hay varias razones para que han limitado la implementación de la despolimerización a gran escala, por un lado es un proceso sumamente complejo romper las cadenas que unen a los monómeros, ya que depende del tipo de compuesto y el proceso empleado en su fabricación, por lo que este proceso requiere mucha más energía que la empleada en la fabricación del compuesto de partida y la adición de sustancias que actúan como solventes, como alcoholes y ácidos, que terminan contaminando el producto, por lo que los materiales recuperados son de menor calidad y solo pueden ser empleados en la elaboración de productos de menor valor, lo que ha hecho que hasta ahora explorar esta opción sea económicamente inviable.

Recientes avances

Un equipo de investigadores de materiales poliméricos de la ETH de Zúrich ha conseguido descomponer los polímeros en sus componentes individuales y recuperar más del 90% de ellos, lo que sería un paso importante en el camino hacia un método de auténtico reciclaje de plásticos. Los resultados de estudio acaban de ser publicados en el Journal of the American Chemical Societycall_made, y en dicho estudio, este equipo informa haber logrado una despolimerización, sin catalizador, de varios polimetacrilatos lineales, descomponiéndolos casi en un 92% en sus monómeros constituyentes, pudiendo ser reciclarlos para ser utilizados en otras aplicaciones.

Los polímeros que fueron descompuestos fueron producidos mediante una nueva técnica de polimerización denominada polimerización de transferencia de cadena de fragmentación de adición reversible (RAFT por sus siglas en ingles), un método que está despertando mucho interés en la industria. Para el estudio se sintetizó un polímero de polimetacrilato de metilo utilizando ditiobenzoato de 2-ciano-2-propilo como grupo terminal RAFT, es decir, como un agente de transferencia de cadena, produciendo así un polímero bien definido.

La polimerización RAFT es un método muy versatil para producir una polimerización controlada mediante radicales libres. Fuente: @emiliomoron.

Luego este polímero fue sometido a varias condiciones de despolimerización para ajustar los parámetros de la reacción, destacando el papel de la temperatura y la concentración adecuadas para lograr altas tasas de conversión en la despolimerización. Para luego, mediante la adición de un solvente con alto punto de ebullición, como el sulfóxido de dimetilo, para recuperar el solvente y el monómero regenerado mediante una destilación fraccionada.

La ventaja de este nuevo método es que los monómeros recuperados pueden utilizarse para reconstruir el mismo polímero del cual se obtuvieron o un gel insoluble que también se puede someter a la despolimerización, y los productos creados a partir de estos tienen las mismas características que los originales.

En conclusión

Aunque aún hace falta mucha más investigación para desarrollar el método y escalarlo a nivel industrial, ya brinda un poco de esperanza en la búsqueda de soluciones para la contaminación por plásticos, incluso esta sería una solución a largo plazo, ya que sería una forma de recuperar los monómeros de polímeros fabricados por esta vía, no sirviendo para la cantidad de residuos plásticos que ya contaminan nuestro ambiente. Pero debemos tener en cuenta que son los primeros pasos hacia la elaboración de plásticos verdaderamente reciclables, frente a la cantidad de estudios que solo han abordado métodos de polimerización sin contemplar el proceso inverso para recuperar estos materiales.

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Bueno amigos espero que les haya gustado la información sobre la despolimerización, un aspecto muy importante para un reciclaje más eficiente de plásticos !Hasta la próxima!

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Referencias

Wikipedia.com Polímero
Wikipedia.com. Polimerización
Hyun Suk Wang, Nghia P. Truong, Zhipeng Pei, Michelle L. Coote, and Athina Anastasaki, (2022). Reversing RAFT Polymerization: Near-Quantitative Monomer Generation Via a Catalyst-Free Depolymerization Approach. Journal of the American Chemical Society 144 (10), 4678-4684.

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