Diez tecnologías de reciclaje de plásticos en desarrollo

El devenir tecnológico en todos los sectores de mercado en la actualidad es imparable; específicamente, en el sector de los plásticos y su relación con el entorno ambiental y, de manera particular, respecto al reciclaje.

El tratamiento de los residuos plásticos no resulta sencillo, por lo que según los refranes del argot mexicano diríamos que “no es enchílame otra”. A veces pareciera que los esfuerzos por abordar y solucionar el grave problema de la acumulación de residuos no son suficientes; sin embargo, en los últimos años, los desarrollos y avances en el reciclaje se han encaminado a sistemas operativos más efectivos y a prácticas ambientales más sustentables.

Por ello, en el presente artículo comentaremos, de manera breve e introductoria, algunos puntos destacables sobre las diez tecnologías que se encuentran entre las opciones de mayor innovación. Para una mejor comprensión presentaremos dichas tecnologías en tres grupos principales.

Tecnologías basadas en reciclaje químico

Reciclado basado en el uso de solventes.

En comparación con otros métodos de recuperación mecánica, como la separación manual o la flotación, se ha demostrado que el reciclaje de plástico mediante extracción con solventes permite la purificación los plásticos recuperados de manera eficiente.

Al inicio del proceso, el polímero se disuelve en el disolvente y luego cada polímero se cristaliza selectivamente. Un punto interesante por considerar es que cuando un solvente puede disolver el polímero objetivo, o todos los demás polímeros excepto el objetivo, se puede utilizar para una disolución selectiva. Obviamente, la clave del proceso de disolución es encontrar un disolvente selectivo. Fig. 1.

El proceso de disolución se ve afectado por el tipo de polímero y solvente, el tamaño y peso molecular del polímero, la temperatura y tiempo de disolución, además de la concentración.

Retos

• Estandarización de métodos de seguridad y eliminación de disolventes químicos.                                           
• Aun en altos niveles de producción presenta un costo elevado.

Reciclado químico o despolimerización

A diferencia del reciclaje mecánico, el reciclaje químico tiene como objetivo romper las cadenas de polímeros para retener al menos los monómeros en moléculas con un peso molecular bajo. Una ventaja de este método es que los polímeros u otros productos químicos resultantes tienen la misma alta calidad que los nuevos, mientras que la degradación y los aditivos residuales presentes se pueden evitar al purificar los productos de reciclaje de bajo peso molecular, por ejemplo, mediante destilación.

Existen diversos métodos de reciclado químico que se clasifican de acuerdo con el tipo de reacción química que ocurre en el proceso (véase número publicado 01/08/2020):

Descomposición térmica o termólisis

Es todo proceso térmico que convierte los plásticos (además de aditivos y contaminantes) en moléculas más simples, para formar la materia prima o productos de refinería de alta calidad, tales como nafta, aceite crudo o gas. Los componentes orgánicos son convertidos mediante altas temperaturas hasta romper los enlaces de los polímeros. Entre los principales procesos de termólisis se encuentran la pirólisis o craqueo térmico y la gasificación convencional.  

Despolimerización química o quimiólisis

Consiste en la descomposición del polímero mediante una reacción reversible, que implica ciertos agentes químicos y conduce de nuevo a los monómeros de partida.

Estos monómeros son idénticos a los utilizados en la preparación de polímeros vírgenes, por lo cual se espera que tanto los monómeros como los plásticos obtenidos a partir de la despolimerización tengan propiedades y calidad similares. Dependiendo del agente químico utilizado para descomponer el polímero, se pueden considerar diferentes rutas de despolimerización: glicólisis, metanólisis, hidrólisis, amonólisis, etc.

Retos

• Altos requerimientos energéticos.
• Penetración limitada en el mercado, pues requiere una inversión significativa en infraestructura y tecnología.

Pirólisis avanzada (plástico residual para conversión de combustible)

La producción de combustibles a partir de materiales plásticos residuales mediante procesos térmicos y catalíticos se perfila como una tendencia con potencial prometedor, que toma gran impulso dentro de los métodos de gestión de residuos. Resulta interesante contemplar la posibilidad de enfrentar el reto de la gestión de residuos plásticos y, a la vez, abordar la gran demanda de energía mediante la producción de combustible (aceites, diésel, gasolinas, etc.)a partir de plásticos. Fig. 2.

La pirólisis es un proceso en el que se descompone o degrada térmica y químicamente una sustancia en ausencia total de oxígeno a temperaturas de unos 300-650 °C. Este método se distingue de otros como la gasificación e incineración, que necesitan oxígeno parcial y completo, respectivamente. Durante el proceso, mediante aplicación de calor, los enlaces químicos que componen las cadenas poliméricas se rompen y dan lugar a moléculas más pequeñas.

Este proceso se efectúa sin inducir reacciones de combustión, lo que demuestra así la eficiencia y versatilidad de la pirólisis. Una de sus ventajas es la posibilidad de tratar mezclas de diversos plásticos y potencialmente contaminados sin un pretratamiento.

Diversos factores, como la composición de la alimentación, el tipo de catalizador, el tamaño de las partículas, la temperatura de pirólisis y la relación polímero-catalizador, más el diseño del reactor, afectan la conversión y la calidad del combustible.

Retos

• Altos costos de inversión inicial.
• Emisiones de carbono derivadas del uso de combustible.

Gasificación de plásticos para la producción de gas de síntesis

La gasificación, situada entre la combustión y la pirólisis, tiene como objetivo convertir la materia prima sólida en especies en fase gaseosa, que minimiza la obtención de productos finales líquidos y sólidos.

En este proceso se utilizan pequeñas cantidades de oxígeno (aire, vapor o vapor enriquecido con O₂, a alta temperatura, alrededor de 500 a 1,300 °C, para devolatilizar los residuos plásticos y oxidar las especies de alquitrán y los residuos sólidos.

El principal producto de la gasificación es el llamado gas de síntesis o syngas. Un gas que se compone principalmente de H₂, CO, CO₂ y pequeños hidrocarburos, debiéndose evitar el N₂ en los gases del producto. Es necesario optimizar los sistemas para productos favorables, como H₂ o CH₄, pues aún está lejos de colocarse como una tecnología comercialmente aceptada.

Retos

• Estrictas regulaciones legislativas, técnicas y económicas.

Reciclaje catalítico de plásticos en productos de valor agregado

La conversión catalítica de plásticos en productos de alto valor, como monómeros y polímeros funcionales mediante la ruptura de enlaces químicos específicos, ofrece una solución prometedora a los problemas ambientales relacionados con el plástico.

El reciclaje catalítico de residuos plásticos presenta desafíos sustanciales debido a la complejidad de la clasificación de residuos. La modificación de los plásticos a través de la etapa de fusión se ve obstaculizada por la mezcla de varios tipos de plástico, especialmente aquellos con propiedades hidrófilas e hidrófobas distintas, lo que conduce a la separación de capas y compromete la calidad del material.

Por lo tanto, se necesitan urgentemente métodos avanzados para la descomposición del plástico. Así, los esfuerzos dirigidos a la descomposición de materiales plásticos se apoyan en los avances recientes de la electrocatalítica, biocatalítica, termocatalítica y fotocatalítica.

Retos

• A pesar de los importantes avances logrados, la degradación catalítica de los plásticos aún se encuentra en su etapa inicial.

Reciclaje electroquímico

El reciclaje electroquímico de plásticos es un enfoque prometedor que utiliza reacciones electroquímicas para transformar los residuos plásticos en compuestos químicos valiosos, como monómeros o polímeros nuevos. Este método opera en condiciones moderadas y aprovecha fuentes de energía ecológicas, lo que brinda una mayor eficiencia energética.

Tiene el potencial de contribuir a una economía circular y mitigar el impacto ambiental de los residuos plásticos. El proceso implica la conversión de residuos plásticos en productos químicos de alto valor, que luego pueden utilizarse en diversas aplicaciones.

Una aplicación típica de reciclaje electroquímico de materiales poliméricos sería la despolimerización electroquímica de materiales poliméricos multicapa, en la que una reacción selectiva del primer componente polimérico se consigue a un potencial electroquímico determinado; luego, el segundo componente polimérico se despolimeriza a un potencial más alto.

Retos

• La tecnología se encuentra en las primeras etapas de investigación.
• Requisitos de entrada de energía elevados.

Tecnologías basadas en reciclaje biológico

Degradación microbiana

La degradación microbiana de los plásticos es un enfoque prometedor para reciclar y disminuir los residuos plásticos. Los microorganismos, incluidos hongos y bacterias, han desarrollado estrategias para degradar los plásticos, a menudo resistentes a la biodegradación natural.

Ya que los polímeros consisten en cadenas largas, el proceso microbiano implica el rompimiento o la descomposición de estas uniones de polímeros en moléculas más pequeñas, que luego pueden ser asimiladas por los microbios.

Los avances recientes en este campo han incluido la identificación de microorganismos capaces de favorecer la descomposición degradativa de plásticos, como PET, poliuretano y poliestireno.

Retos

• Proceso de degradación lenta.                        
• Necesidad de más investigación y optimización.

Reciclado enzimático

El desarrollo de procesos de reciclaje químico (bio)catalítico está en pleno desarrollo. Los esfuerzos actuales en esta dirección parecen prometedores debido al desarrollo de tecnologías de reciclaje de circuito cerrado que puedan ser comercialmente competitivas.

Los avances logrados en la actualidad solo han tenido éxito en el caso de polímeros que contienen enlaces químicos relativamente fáciles de hidrolizar, como los grupos éster o amida, y los PET, PLA y algunos PU y PA que pueden reciclarse o reutilizarse en oligómeros o monómeros bien definidos o en productos de mayor valor. Por tanto, la biorreciclabilidad de los polímeros puede correlacionarse directamente con sus enlaces químicos constitutivos.

Las enzimas son biocatalizadores muy eficientes, con numerosas ventajas sobre los procesos químicos, debido a:

• El desarrollo de condiciones de reacción más favorables y estables, como tiempo, temperatura, presión, pH.                                                                       
• El elevado poder catalítico, que favorece la velocidad de reacción del sistema.
• La alta selectividad.
• El reducido impacto ambiental al consumir menos energía y disminuir la generación de residuos.

Las enzimas, consideradas catalizadores renovables y biodegradables, pueden implementarse fácilmente a través de procesos de fermentación económicos y ambientalmente benignos.

Retos

• Mejora de la eficiencia para llevarlo a escala industrial.
• Altos costos de producción de enzimas.

Tecnologías basadas en reciclaje de espectro digital

Sistemas de separación de materiales, basados en inteligencia artificial

La inteligencia artificial (IA) tiene un gran potencial para promover el reciclaje y la gestión sostenible de los residuos plásticos, con base en métodos de caracterización, conversión termoquímica y bioconversión.

La IA ha contribuido a la mejora de la precisión en la clasificación e identificación de los tipos de plástico, lo que ha reducido significativamente las tasas de contaminación y mejorado la eficiencia del procesamiento. Estos algoritmos no solo optimizan el proceso de identificación con sensores ópticos de alta tecnología y espectroscopia infrarroja, sino que refinan los métodos de conversión termoquímica al predecir y controlar con precisión las condiciones de reacción que maximizan el rendimiento y la calidad del producto.

Sin embargo, la eficacia de estos métodos a menudo se ve comprometida por las diferentes composiciones y la contaminación de los residuos plásticos, que pueden variar el rendimiento de estos procesos cuando la composición de las materias primas de residuos plásticos es diferente.

Retos

• Alto costo de instalación inicial.                                                 
• Requiere actualizaciones y mantenimiento continuos.

Sistemas de recolección basados en cadena de bloques

El término blockchain se refiere a cómo los datos se almacenan en “bloques” de información y luego se vinculan entre sí en una “cadena” permanente. Una cadena de bloques se considera un libro de contabilidad digital de transacciones, con cada nodo en la cadena de bloques.

Blockchain puede respaldar una economía circular y principios ecológicos al permitir la transparencia, la confiabilidad y la automatización de la información. El rediseño de plásticos mediante etiquetado molecular es el camino por seguir para garantizar que los plásticos sintéticos se mantengan en un ciclo infinito y apoyar el reciclaje de ciclo cerrado. Fig. 3.

La tecnología blockchain puede mejorar significativamente el reciclaje de residuos plásticos a través de procesos mecánicos, químicos y biológicos al brindar transparencia, trazabilidad y eficiencia.

Por ejemplo, blockchain puede agilizar el reciclaje mecánico al crear un registro transparente e inmutable de los residuos plásticos desde la recolección hasta el reciclaje, garantizando que todos los participantes en la cadena de reciclaje (recolectores de residuos, instalaciones de clasificación y recicladores) sean rastreados con precisión e incentivados. Esta transparencia ayuda a reducir la contaminación y a garantizar que se produzcan materiales reciclados de alta calidad.

Retos

• Requiere una adopción generalizada.                                             
• Preocupaciones sobre la privacidad de los datos.