Investigadores convierten residuos plásticos en gasolina y diésel mediante un nuevo proceso

Un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) ha presentado un método revolucionario para convertir el polietileno, un plástico común en bolsas de compras y tablas de cortar, en combustibles líquidos como gasolina y diésel. Este proceso utiliza sales fundidas a base de aluminio, logrando un rendimiento de aproximadamente el 60% de gasolina bajo condiciones de reacción relativamente suaves.

El polietileno es uno de los plásticos más utilizados a nivel mundial, y una gran cantidad de este material termina como desecho. La técnica desarrollada por el equipo de ORNL combina el plástico con sales fundidas que contienen cloruro de aluminio, que actúan tanto como medio de reacción como catalizador para facilitar la conversión química.

El equipo ha solicitado una patente para esta tecnología, cuyos resultados fueron publicados en el Journal of the American Chemical Society.

Cómo las sales fundidas convierten el plástico en combustible

Para comprender por qué este proceso es efectivo, los científicos realizaron un seguimiento detallado de las reacciones químicas que transforman el polímero en moléculas de combustible. Utilizando espectroscopía de rayos X blandos y resonancia magnética nuclear, el equipo descubrió que los átomos de aluminio cargados se unen a otros tres átomos, creando sitios catalíticos altamente ácidos que pueden atacar las largas cadenas moleculares del polietileno, dividiéndolas en moléculas de hidrocarburo más pequeñas.

Experimentos adicionales con etiquetado isotópico y dispersión de neutrones demostraron que la estructura del polímero inicial influye en el combustible resultante. Las cadenas de polímero más simples tienden a producir compuestos similares a la gasolina, mientras que las cadenas más complejas generan combustibles similares al diésel.

Si este método puede escalarse más allá de los experimentos de laboratorio, los investigadores sostuvieron que podría contribuir a la seguridad energética de los Estados Unidos y fortalecer la competitividad industrial. "Desarrollamos una conversión eficiente y selectiva de polietileno a gasolina", afirmó Liqi Qiu, investigador postdoctoral en la Universidad de Tennessee, Knoxville, quien realizó la mayoría de los experimentos en el laboratorio de Sheng Dai.

Los experimentos lograron un rendimiento de gasolina de aproximadamente el 60% bajo condiciones de reacción relativamente suaves.

Conversión de plástico a gasolina a temperaturas inferiores a 200 grados Celsius

Una de las características más notables del método es su bajo requerimiento en comparación con las tecnologías convencionales de conversión de plástico a combustible. "Convertimos residuos de polímero en combustibles de valor agregado utilizando sales inorgánicas comercialmente disponibles como medio de reacción para proporcionar los sitios catalíticos", comentó Zhenzhen Yang, científica del ORNL y coautora del estudio. "A diferencia de las técnicas tradicionales, el nuevo proceso no requirió catalizadores de metales nobles, disolventes orgánicos ni hidrógeno externo. Esta es la primera vez que se utilizan sales fundidas como medio para producir productos químicos de alto valor a partir de residuos sin ningún iniciador catalítico o disolvente y a temperaturas inferiores a 200 grados Celsius".

Temperaturas por debajo de los 200 grados Celsius son comparables a las que se encuentran dentro de un horno convencional. En contraste, los métodos anteriores para convertir polietileno en gasolina normalmente requerían temperaturas de aproximadamente 450 a 500 grados Celsius.

La reducción de temperatura, junto con la ausencia de costosos catalizadores de metales nobles, hidrógeno externo y disolventes orgánicos, podría simplificar el proceso. "El sistema ORNL resuelve dos problemas fundamentales. Primero, para un sistema estable, el proceso puede ser radicalmente más fácil de escalar. Segundo, el sistema anterior necesitaba un iniciador para activar las reacciones catalíticas". afirmó Sheng Dai.

Décadas de investigación sobre sales fundidas

El ORNL ha estado estudiando sales fundidas durante décadas. En la década de 1960, su Experimento de Reactor de Sal Fundido demostró que mezclas de sales fundidas podían funcionar como combustible nuclear y refrigerante del reactor. Aprovechando esa larga historia, Dai propuso usar sales fundidas para un propósito completamente diferente: convertir polímeros desechados en combustibles útiles.

Las sales fundidas son compuestos inorgánicos que pueden permanecer estables incluso bajo condiciones químicas exigentes. "El sistema ORNL resuelve dos problemas fundamentales", afirmó Dai. "Uno, para un sistema estable, el proceso puede ser radicalmente más fácil de escalar. Dos, el sistema anterior necesitaba un iniciador para activar las reacciones catalíticas. Sin embargo, el sistema ORNL no necesita uno".

Seguimiento de la química átomo por átomo

En el ORNL, Luke Daemen utilizó dispersión de neutrones para ayudar a identificar los productos de hidrocarburos creados cuando diferentes cadenas de polímero reaccionaron. Felipe Polo-Garzon analizó los productos mediante cromatografía de gases-espectrometría de masas, una técnica utilizada para separar e identificar compuestos químicos individuales.

Cuando el polietileno interactuó con un sitio catalítico de aluminio, la reacción produjo un ion de carbono positivamente cargado. Qiu, Yang y Dai etiquetaron ese ion de carbono con deuterio, un isótopo de hidrógeno, lo que les permitió seguir lo que le sucedía a medida que avanzaba la reacción.

Los investigadores también necesitaron determinar cómo cambiaron los sitios de aluminio durante el proceso. Yang viajó a la Advanced Light Source en el Lawrence Berkeley National Laboratory, donde trabajó con Min-Jae Kim y Jinhua Guo. Utilizando rayos X blandos, los investigadores examinaron las interacciones entre el aluminio y el polietileno a niveles atómicos y electrónicos.

Un desafío restante: mantener la estabilidad de las sales

A pesar de que el sistema catalítico a base de aluminio es económico y químicamente activo, presenta una limitación importante. Este material es higroscópico, lo que significa que absorbe fácilmente agua, lo que puede reducir su estabilidad. Los investigadores ahora quieren investigar formas de confinar las sales fundidas, utilizando potencialmente halógenos o materiales a base de carbono, lo que podría facilitar la separación y el procesamiento de las sales, mejorando su estabilidad.

Este trabajo podría ampliar el rango de métodos disponibles para producir combustibles de transporte e industriales a partir de materiales de desecho. "El material de origen polimérico está abundantemente disponible a partir de residuos de consumo, y nuestro sistema de catalizadores, sales fundidas de aluminio, es muy barato", concluyó Qiu. "Este avance puede ser prometedor para la industria".

La investigación fue principalmente apoyada por la Oficina de Ciencia del DOE (División de Ciencias de Materiales e Ingeniería), así como por el trabajo de cromatografía de gases-espectrometría de masas (División de Ciencias Químicas, Geociencias y Biosciencias, programa de Ciencia de Catálisis). La investigación empleó las instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en ORNL (la fuente de neutrones de dispersión para dispersión de neutrones en el haz VISION y el Centro de Ciencias de Materiales Nano-fásicos para cálculos de química cuántica) y en el Lawrence Berkeley National Laboratory (la fuente de luz avanzada para espectros de rayos X blandos).