Investigadores desarrollan método para reutilizar residuos de plástico en fabricación de jabón.

10 de agosto de 2023

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por Virginia Tech

Un equipo liderado por investigadores de Virginia Tech ha desarrollado un nuevo método para reciclar plásticos y convertirlos en productos químicos de alto valor conocidos como surfactantes, que se utilizan para crear jabón, detergente y más. El trabajo fue publicado en Science.

Los plásticos y los jabones tienden a tener poco en común en cuanto a textura, apariencia y, lo más importante, cómo se utilizan. Pero hay una sorprendente conexión entre ambos a nivel molecular: la estructura química del polietileno, uno de los plásticos más utilizados en el mundo hoy en día, es sorprendentemente similar a la de un ácido graso, que se utiliza como precursor químico del jabón. Ambos materiales están compuestos por cadenas largas de carbono, pero los ácidos grasos tienen un grupo adicional de átomos al final de la cadena.

Guoliang 'Greg' Liu, profesor asociado de química en la Facultad de Ciencias de Virginia Tech, siempre había sentido que esta similitud implicaba que era posible convertir el polietileno en ácidos grasos, y con algunos pasos adicionales en el proceso, producir jabón. El desafío era cómo romper una larga cadena de polietileno en muchas cadenas cortas, pero no demasiado cortas, y cómo hacerlo de manera eficiente. Liu creía que existía el potencial para un nuevo método de reciclaje que pudiera convertir residuos plásticos de bajo valor en un producto útil de alto valor.

Después de considerar la pregunta durante algún tiempo, Liu fue golpeado por la inspiración mientras disfrutaba de una noche de invierno junto a la chimenea. Observó cómo el humo se elevaba desde el fuego y pensó en cómo el humo estaba compuesto por partículas pequeñas producidas durante la combustión de la madera. Aunque los plásticos nunca deben quemarse en una chimenea por motivos de seguridad y medioambientales, Liu comenzó a preguntarse qué sucedería si el polietileno pudiera quemarse en un entorno de laboratorio seguro.

¿Produciría la combustión incompleta del polietileno un "humo" similar a la quema de madera? Si alguien capturara ese humo, ¿de qué estaría compuesto?

"La leña está compuesta principalmente de polímeros como la celulosa. La combustión de la leña rompe estos polímeros en cadenas cortas y luego en pequeñas moléculas gaseosas antes de oxidarse completamente a dióxido de carbono", dijo Liu, titular de la Beca Blackwood de Docente Junior de Ciencias de la Vida en el Departamento de Química. "Si de manera similar descomponemos las moléculas sintéticas de polietileno pero detenemos el proceso antes de que se descompongan por completo en moléculas gaseosas pequeñas, entonces deberíamos obtener moléculas de polietileno de cadena corta".

Con la ayuda de Zhen Xu y Eric Munyaneza, dos estudiantes de doctorado en química en el laboratorio de Liu, Liu construyó un pequeño reactor similar a un horno donde podían calentar polietileno en un proceso llamado termólisis de gradiente de temperatura.

En la parte inferior, el horno está a una temperatura lo suficientemente alta como para romper las cadenas del polímero y, en la parte superior, el horno se enfría a una temperatura lo suficientemente baja como para detener cualquier descomposición adicional. Después de la termólisis, recogieron el residuo, similar a limpiar el hollín de una chimenea, y descubrieron que la intuición de Liu había sido correcta: estaba compuesto de "polietileno de cadena corta", o más precisamente, ceras.

Este fue el primer paso en el desarrollo de un método para reciclar plásticos en jabón, dijo Liu. Después de agregar unos pocos pasos más, incluyendo la saponificación, el equipo produjo el primer jabón del mundo a partir de plásticos. Para continuar el proceso, el equipo contó con la ayuda de expertos en modelado computacional, análisis económico y más.

Algunos de estos expertos fueron presentados al equipo a través de conexiones con el Macromolecules Innovation Institute en Virginia Tech. Juntos, el grupo documentó y perfeccionó el proceso de reciclaje hasta que estuvo listo para ser compartido con la comunidad científica.

"Nuestra investigación demuestra una nueva ruta para el reciclaje de plásticos sin utilizar catalizadores novedosos ni procedimientos complejos. En este trabajo, hemos mostrado el potencial de una estrategia en tándem para el reciclaje de plásticos", dijo Xu, autor principal del artículo. "Esto iluminará a las personas para que desarrollen diseños más creativos de procedimientos de reciclaje en el futuro".

Although polyethylene was the plastic that inspired this project, the upcycling method can also work on another type of plastic known as polypropylene. These two materials make up much of the plastic consumers encounter every daily, from product packaging to food containers to fabrics. One of the exciting features of Liu's new upcycling method is that it can be used on both these plastics at once, meaning that it's not necessary to separate the two from each other. This is a major advantage over some recycling methods used today, which require careful sorting of plastics to avoid contamination. That sorting process can be quite difficult, because of how similar the two plastics are to each other.

Another benefit of the upcycling technique is that it has very simple requirements: plastic and heat. Although the later steps in the process require some additional ingredients to convert the wax molecules into fatty acids and soap, the initial transformation of the plastic is a straightforward reaction. This contributes to the method's cost-effectiveness as well as its comparatively small environmental impact.

For upcycling to be effective on a large scale, the final product must be valuable enough to cover the costs of the process and make it more economically attractive than alternative recycling options.

Although soaps may not initially seem like a particularly expensive commodity, they can actually be worth double or triple the price of plastics when compared by weight. Currently, the average price of soap and detergent amounts to about $3,550 per metric ton, and that of polyethylene is about $1,150 per metric ton. Furthermore, the demand for soaps and related products is comparable to the demand for plastics.

This research lays the groundwork for a new way to reduce waste by channeling used plastics into the production of other useful materials, Liu said. Over time, he hopes recycling facilities around the world will begin to implement this technique. If so, then consumers can expect to one day have the opportunity to buy revolutionary sustainable soap products that also lead to reduced plastic waste in landfills.

For this reason, turning plastics into soaps can be demonstrated to be economically viable, added Liu, who is also an affiliated faculty member of the nanoscience program, part of the College of Science's Academy of Integrated Science as well as the Department of Materials Science and Engineering in the Virginia Tech College of Engineering.

'It should be realized that plastic pollution is a global challenge rather than a problem of a few mainstream countries. Compared to a sophisticated process and complex catalyst or reagent, a simple process may be more accessible to many other countries worldwide,' Xu said. 'I hope this can be a good start for the war fighting plastic pollution.'

Researchers from the Department of Chemical Engineering also were part of this project and the resulting research paper.

Journal information: Science

Provided by Virginia Tech