Nuevo método para reciclar poliestireno empleando luz y oxígeno
Como bien sabemos el poliestireno es un material muy versátil, es un polímero termoplástico que conocemos muy bien, obtenido de la polimerización del estireno. Este material es muy utilizado para la elaboración de una gran variedad de productos de consumo, como un plástico duro y resistente se emplea para la elaboración de envases, artículos electrónicos, partes de vehículos y juguetes, entre otros, pero también se fabrica en forma de plástico espumoso, forma que es muy valorada en diversos sectores ya que proporciona un material aislante y acolchado, ideal para ser usado como aislante térmico y acústico en la industria de la construcción, y para elaborar envases livianos para alimentos.
Por lo cual, el reciclado químico de este material es un método muy necesario para reducir la contaminación por este tipo de plástico y que mejor si se puede realizar de una forma sustentable.
El poliestireno es un plástico muy abundante, por lo que se necesita una forma de reciclarlo amigable con el ambiente. Fuente: @emiliomoron, contiene una imagen de dominio público.
Y al respecto, un grupo de Químicos de la Universidad de Cornell ha reportado recientemente haber desarrollado un método para utilizar la luz y el oxígeno para reciclar el poliestireno, convirtiéndolo en productos de benzoilo, principalmente el ácido benzoico, utilizando un método de degradación fotooxidativa controlado mediante un catalizador.
Este proceso representa un paso importante hacia el reciclado y aprovechamiento eficiente de este tipo de material, ya que, como les mencioné antes, es un producto casi omnipresente, lo conseguimos en muchos productos, desde cartones para huevos, envases para alimentos, vasos, utensilios de cocina, partes de vehículos y muchos otros productos, por ello este material representa casi un tercio de la contaminación por plásticos. Y además, el ácido benzoico producido en la reacción en muy empleado en diversos laboratorios, y que también se utiliza en la elaboración de fragancias y como conservante de alimentos.
Degradación fotooxidativa
La fotooxidación, también llamada fotodegradación oxidativa, hace referencia a la degradación de un polímero debido a la acción la luz y el oxígeno, es un proceso que comúnmente ocurre en los plásticos que dejamos expuestos al sol, en los cuales observamos una erosión de la superficie.
Degradación de la superficie deuna maceta de plástico expuesta al sol. Fuente: @emiliomoron.
Mediante este proceso se rompen las cadenas del polímero (escisión de la cadena), inducido por la acción de la luz, un fenómeno atribuido a reacciones fotoquímicas que surgen de la absorción de la radiación UV por parte de los grupos carbonilo presentes en el esqueleto del polímero. Pudiéndose llevar a cabo bajo radiación a diferentes longitudes de onda, el rango UV de 290 a 400 nm tiene un impacto particular en los cambios en los polímeros, teniendo poca influencia la radiación visible, y la IR es insignificante.
Nuevo método de degradación fotooxidativa del poliestireno
Ahora bien, en el trabajo de este grupo de investigación de la Universidad de Cornell, publicado recientemente en Journal of the American Chemical Society, describen su método basado en el uso de FeCl3 como catalizador en la degradación fotooxidativa del poliestireno, mediante la cual, al irradiar con luz blanca el sistema de reacción, en una atmosfera rica en oxígeno, se genera un radical de cloro que promueve la degradación mediante la extracción de átomos de hidrogeno de la estructura del polímero, con lo cual se degrada el poliestireno de alto peso molecular (>90 kg/mol) hasta <1kg/mol, produciendo un 23% de productos de benzoílo.
Esquema general del sistema de degradación de poliestireno. Fuente: imagen elaborada en powerpoint, contiene una imagen de dominio público.
Básicamente el experimento consistió en cargar un vial con poliestireno para luego añadir una solución de FeCl3 en acetona y una barra de agitación, se selló el vial disponiendo una entrada para proporcionar un flujo de aire al medio de reacción. Luego el vial fue colocado en un fotoreactor elaborado en una impresora 3D, y este sistema irradió con luz blanca colocada a 3 cm. El proceso fue terminado en el momento deseado por el investigador, luego los productos obtenidos se cuantificaron mediante cromatografía de gases, mediante la cual se detectó diferentes productos de benzoilo, principalmente el ácido benzoico.
Esquema general de la reacción. Fuente: imagen elaborada en powerpoint.
Con este método los investigadores evaluaron la degradación de tres productos, tapas blancas de tazas de café, tapas transparentes y espuma de poliestireno, comprobando que se podían degradar eficazmente, y encontrando que las tapas negras no lo hacían tan eficientemente, argumentando que quizás los tintes negros dificultan el proceso. Sin embargo pudieron demostrar que el método funciona muy bien con muestras comerciales de poliestireno.
Un aspecto interesante del proceso es que el equipo de investigación realizó también algunos experimentos colocando el sistema en una ventana donde llegaba mucha luz solar, encontrando que la reacción también podía llevarse a cabo por efecto de la luz del sol. Y aunque hay mayor control sobre el proceso al emplear una fuente de luz blanca, definitivamente hay muchos beneficios al emplear la luz del sol, pudiendo llevar a cabo esta reacción al aire libre.
El sistema actualmente utilizado para reciclar este polímero requiere calor para fundirlo y luego procesarlo, por lo que consume mucha energía que esencialmente proviene de fuentes móviles, por lo que al reciclar este polímero utilizando luz solar se estaría aportando un método mucho más amigable con el ambiente.
El equipo de investigación también optimizó el proceso para realizarlo a mayor escala, utilizando lámparas LED y un fotoreactor de mayor tamaño, encontrando una eficiencia a mayor escala similar que los experimentos a menor volumen, demostrando la escalabilidad y posible comercialización del método; pero plantearon que seguirán optimizando algunas variables para que sea aún más eficiente y tratar grandes flujos de residuos plásticos.
Esperemos que el método pueda ser aplicado pronto a gran escala, y con ello se consiga reducir el gran volumen de residuos de poliestireno que cada año contamina nuestros suelos y océanos, pudiendo ser utilizados para producir un producto de valor en lugar de solo convertirse en desechos.
Bueno amigos, espero que les haya gustado la información sobre este nuevo método para reciclar poliestireno, un plástico muy abundante en nuestro entorno. !Hasta la próxima!
Referencias
Wikipedia.com. Photo-oxidation of polymers.
Sewon Oh and Erin E. Stache. (2022). Chemical Upcycling of Commercial Polystyrene via Catalyst-Controlled Photooxidation. Journal of the American Chemical Society 144 (13), 5745-5749.
Joanna Izdebska (2016). Aging and Degradation of Printed Materials. Printing on Polymers.
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