Los químicos están reinventando el reciclaje para evitar que los plásticos acaben en los vertederos

Gran parte del plástico acaba en los vertederos porque es demasiado difícil reciclarlo para convertirlo en nuevos productos útiles.

Abdul Raheem Mohamed/EyeEm/Getty Images

Por María Temming

27 de enero de 2021 a las 10:19

Se siente bien reciclar. Hay una cierta sensación de logro que surge al separar diligentemente las botellas de refresco, las bolsas de plástico y los vasos de yogur del resto de la basura. Cuanto más plástico pongas en ese contenedor azul, más evitarás que acabe en los vertederos y en los océanos, ¿verdad?

Equivocado. No importa lo meticuloso que seas al limpiar y separar los plásticos, la mayoría termina en la basura de todos modos.

Tome paquetes de alimentos flexibles. Estas películas contienen varias capas de diferentes plásticos. Como cada plástico debe reciclarse por separado, esas películas no son reciclables. Las bolsas de supermercado y el plástico retráctil son demasiado endebles y propensos a enredarse con otros materiales en la cinta transportadora. El polipropileno de los vasos de yogur y otros artículos tampoco suele reciclarse; El reciclaje de una mezcolanza de polipropileno produce un plástico oscuro y maloliente que pocos fabricantes utilizarán.

En Estados Unidos sólo se reciclan comúnmente dos tipos de plástico: el que se encuentra en las botellas de plástico de refrescos, el tereftalato de polietileno o PET; y el plástico que se encuentra en las jarras de leche y los envases de detergente: polietileno de alta densidad o HDPE. En conjunto, esos plásticos representan solo aproximadamente una cuarta parte de la basura plástica del mundo, informaron investigadores en 2017 en Science Advances. Y cuando esos plásticos se reciclan, no sirven para mucho. Derretir plástico para reciclarlo cambia su consistencia, por lo que el PET de las botellas debe mezclarse con plástico nuevo para obtener un producto final resistente. El reciclaje de una mezcla de piezas de HDPE multicolores crea un plástico oscuro que sólo sirve para fabricar productos como bancos de parques y contenedores de basura, en los que propiedades como el color no importan mucho.

Las dificultades de reciclar plástico para convertirlo en cualquier cosa que los fabricantes quieran usar es una de las principales razones por las que el mundo está lleno de tantos desechos plásticos, dice Eric Beckman, ingeniero químico de la Universidad de Pittsburgh. Solo en 2018, Estados Unidos vertió 27 millones de toneladas de plástico y recicló apenas 3 millones, según la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos. Las bajas tasas de reciclaje no son sólo un problema en Estados Unidos. De los 6.300 millones de toneladas de plástico que se han desechado en todo el mundo, sólo alrededor del 9 por ciento se ha reciclado. Otro 12 por ciento ha sido quemado y casi el 80 por ciento se ha acumulado en tierra o en vías fluviales.

La cantidad de plástico reciclado en Estados Unidos ha aumentado en las últimas décadas, pero esos niveles aún palidecen en comparación con la cantidad de plástico que termina en los vertederos.

Dado que el plástico se acumula en todas partes, desde la cima del Monte Everest hasta el fondo de la Fosa de las Marianas, existe una necesidad urgente de reducir la cantidad de plástico que se desecha (SN: 16/01/21, p. 5). Algunas personas proponen reemplazar los plásticos con materiales biodegradables, pero esos reemplazos generalmente no son tan fuertes ni tan baratos de fabricar como los plásticos (SN: 22/06/19, p. 18). Dado que, siendo realistas, el plástico no desaparecerá pronto, los químicos que entienden los entresijos de todo este molesto plástico están trabajando para facilitar su reciclaje y convertirlo en material de mayor calidad que sea útil para más cosas.

"No habrá una sola tecnología que sea la respuesta", dice Ed Daniels, director senior de proyectos del Instituto REMADE en West Henrietta, Nueva York, que financia la investigación de nuevas técnicas de reciclaje. Algunos proyectos están a punto de irrumpir en la industria; otros siguen siendo sólo experimentos de laboratorio prometedores. Pero todos están centrados en diseñar un futuro en el que cualquier plástico que acabe en el contenedor de reciclaje pueda tener una segunda y tercera vida en un nuevo producto.

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Uno de los mayores obstáculos en el reciclaje de plástico es que cada material debe procesarse por separado. "La mayoría de los plásticos son como el aceite y el agua", dice el químico Geoffrey Coates de la Universidad de Cornell. Simplemente no se mezclan. Tomemos, por ejemplo, una jarra de detergente de polietileno y su tapón de polipropileno. "Si los derrites, hago una botella con eso y la aprieto, básicamente se rompería el costado", dice Coates. “Es tremendamente frágil. Totalmente inútil”.

Por eso, el primer destino de los materiales reciclables de plástico es una instalación de recuperación de materiales, donde personas y máquinas realizan la clasificación. Luego, los plásticos separados se pueden lavar, triturar, fundir y remodelar. El sistema funciona bien para artículos sencillos como botellas de refresco y jarras de leche. Pero no para artículos como los envases de desodorante, donde la botella, la manivela y la tapa podrían estar hechos de diferentes tipos de plástico. Las películas para envases de alimentos que contienen varias capas de plástico diferente son especialmente difíciles de desmontar. Cada año se producen en todo el mundo 100 millones de toneladas de estas películas multicapa. Cuando se desechan, esos plásticos van a los vertederos, dice el ingeniero químico George Huber de la Universidad de Wisconsin-Madison.

Para abordar ese problema, Huber y sus colegas idearon una estrategia para abordar mezclas complejas de plásticos. El proceso utiliza una serie de solventes líquidos para disolver los componentes plásticos individuales de un producto. El truco consiste en elegir los disolventes adecuados para disolver sólo un tipo de plástico a la vez, afirma Huber.

El equipo probó la técnica en una película de embalaje que contenía polietileno y PET, así como una barrera plástica al oxígeno hecha de alcohol etilenvinílico, o EVOH, que mantiene los alimentos frescos.

Al agitar la película en un disolvente de tolueno, primero se disolvió la capa de polietileno. Al mojar la película restante de EVOH-PET en un solvente llamado DMSO se quitó el EVOH. Luego, los investigadores sacaron la película de PET restante y recuperaron los otros dos plásticos de sus solventes separados mezclándolos con químicos "antisolventes". Esos productos químicos provocaron que las moléculas de plástico que estaban dispersas en los líquidos se agruparan en grupos sólidos que podían extraerse.

Este proceso recuperó prácticamente todo el plástico de la película original, informaron los investigadores el pasado mes de noviembre en Science Advances. Cuando se probaron en una mezcla de perlas de polietileno, PET y EVOH, los lavados con solventes recuperaron más del 95 por ciento de cada material, lo que sugiere que estos solventes podrían usarse para quitar componentes plásticos de artículos más voluminosos que las películas de embalaje. Entonces, en teoría, las instalaciones de recuperación podrían utilizar esta técnica para desmontar envases multiplásticos de desodorante y otros productos de diversas formas y tamaños.

Huber y sus colegas planean buscar solventes para disolver más tipos de plástico, como el poliestireno en la espuma de poliestireno. Pero hará falta mucho más trabajo para que esta estrategia sea eficiente a la hora de clasificar todas las intrincadas combinaciones de plástico en los materiales reciclables del mundo real.

Muchos productos de plástico están etiquetados con un número dentro de un triángulo que simboliza el reciclaje. Sin embargo, en Estados Unidos sólo se reciclan ampliamente los plásticos con 1 (tereftalato de polietileno) o 2 (polietileno de alta densidad). El resto suele ir al vertedero.

MASCOTABotellas de agua y refrescos, cúpulas para ensaladas, bandejas para galletas, recipientes para aderezos para ensaladas y mantequilla de maní.

PEADBotellas de leche y jugo, bolsas para congelador, botellas de champú y detergente.

CLORURO DE POLIVINILOEnvases de cosméticos, film transparente comercial

PEBDBotellas exprimibles, film transparente y bolsas de basura.

PÁGINASPlatos de microondas, tarrinas de helado, envases de yogur, tapas de botellas de detergente.

PDEstuches para CD, vasos desechables de plástico, cubiertos de plástico, estuches para vídeos.

EPSVasos de espuma de poliestireno para bebidas calientes, bandejas de comida para llevar, embalajes protectores para artículos frágiles

OtroBotellas enfriadoras de agua, películas flexibles, embalajes multimaterial

También puede haber atajos químicos que permitan reciclar películas multicapa y otras mezclas de plásticos tal como están. Los aditivos llamados compatibilizadores ayudan a que diferentes plásticos fundidos se mezclen, de modo que los materiales no clasificados puedan tratarse como uno solo. Pero no existe un compatibilizador universal que permita mezclar todo tipo de plástico. Y los compatibilizadores existentes no se utilizan ampliamente porque no son muy potentes, y agregar una gran cantidad de compatibilizador a una mezcla de plástico resulta costoso.

Para aumentar la viabilidad, Coates y sus colegas crearon un compatibilizador muy potente para polietileno y polipropileno. Juntos, esos dos plásticos constituyen más de la mitad del plástico del mundo. La nueva molécula compatibilizadora contiene dos segmentos de polietileno, intercalados con dos segmentos de polipropileno. Esos segmentos alternos se adhieren a moléculas de plástico del mismo tipo en una mezcla, uniendo polietileno y polipropileno. Es como si el polietileno estuviera hecho de Legos y el polipropileno de Duplos, y los investigadores hicieran un bloque de construcción especial con conectores que encajaran en ambos tipos de bloques.

Tener dos conectores de polietileno y dos de polipropileno para cada molécula compatibilizadora, en lugar de uno, hizo que este compatibilizador fuera más fuerte que las versiones anteriores, informaron Coates y sus colegas en 2017 en Science. La primera prueba del nuevo compatibilizador implicó soldar tiras de polietileno y polipropileno. Normalmente, los dos materiales se desprenden fácilmente. Pero con una capa de compatibilizador entre ellas, las tiras de plástico se rompieron, en lugar del sello del compatibilizador, cuando se separaron.

En una segunda prueba, los investigadores mezclaron el compatibilizador en una mezcla derretida de polietileno y polipropileno. Sólo se necesitó un 1 por ciento de compatibilizador para crear un plástico nuevo y resistente.

"Estos son aditivos increíblemente potentes", dice Coates. Se tuvieron que agregar otros compatibilizadores en concentraciones de hasta el 10 por ciento para mantener unidos estos dos plásticos. El nuevo compatibilizador es ahora la base de la nueva empresa de Coates, Intermix Performance Materials, con sede en Ithaca, Nueva York.

Incluso si cada trozo de basura plástica pudiera reciclarse fácilmente, eso no resolvería el problema mundial del plástico. Hay un par de problemas importantes en el funcionamiento actual del reciclaje que limitan gravemente la utilizabilidad de los materiales reciclados.

Por un lado, los plásticos reciclados heredan todos los tintes, retardantes de llama y otros aditivos que dieron a cada pieza de plástico original su aspecto y tacto distintivos. "El plástico que realmente se recupera al final de todo esto es en realidad una mezcla muy compleja", dice la química Susannah Scott de la Universidad de California, Santa Bárbara. Pocos fabricantes pueden utilizar plástico con una mezcla aleatoria de propiedades para hacer algo nuevo.

Además, el reciclaje rompe algunos de los enlaces químicos de las moléculas de plástico, lo que afecta la resistencia y consistencia del material. Derretir y remodelar el plástico es como recalentar pizza en el microondas: básicamente se obtiene lo que se pone, pero no tan bueno. Eso limita la cantidad de veces que el plástico se puede reciclar antes de tener que desecharlo en vertederos.

La solución a ambos problemas podría residir en un nuevo tipo de proceso de reciclaje, llamado reciclaje químico, que promete producir plástico nuevo puro un número infinito de veces. El reciclaje químico implica desarmar los plásticos a nivel molecular.

Las moléculas que forman los plásticos se llaman polímeros y están formadas por monómeros más pequeños. Utilizando calor y productos químicos, es posible desmontar polímeros en monómeros, separar esos componentes básicos de los tintes y otros contaminantes, y volver a unir los monómeros para obtener un plástico como nuevo.

"El reciclaje de productos químicos realmente ha comenzado a surgir como una fuerza, diría yo, en los últimos tres o cuatro años", dice Beckman de la Universidad de Pittsburgh. Pero la mayoría de las técnicas de reciclaje químico son demasiado caras o consumen mucha energía para su uso comercial. "No está listo para el horario de máxima audiencia", dice.

Los diferentes plásticos requieren diferentes procesos de reciclaje químico y algunos se descomponen más fácilmente que otros. "El que está más avanzado es el PET", dice Beckman. "Resulta que ese polímero es fácil de desmontar". Varias empresas están desarrollando métodos para reciclar químicamente el PET, entre ellas la empresa francesa Carbios.

Carbios está probando enzimas producidas por microorganismos para descomponer el PET. Los investigadores de la empresa describieron su trabajo con una de esas enzimas el pasado mes de abril en Nature. Los microbios normalmente utilizan la enzima, llamada cutinasa del compost de ramas de hojas, para descomponer la capa cerosa de las hojas de las plantas. Pero la cutinasa también es buena para descomponer el PET en sus monómeros: etilenglicol y ácido tereftálico.

Una enzima producida naturalmente por microbios descompuso alrededor del 50 por ciento del tereftalato de polietileno o PET (línea azul). Una versión modificada de la enzima descompuso más del 80 por ciento del plástico (línea de puntos negra). Aumentar la cantidad de enzima de 1 miligramo por gramo de PET a 3 miligramos la hizo aún más eficiente: descompuso alrededor del 90 por ciento del PET.

"La enzima es como una tijera molecular", afirma Alain Marty, director científico de Carbios. Pero como evolucionó para descomponer la materia vegetal, no el plástico, no es perfecto. Para que la enzima pueda cortar mejor el PET, "rediseñamos lo que llamamos el sitio activo de la enzima", dice Marty. Esto implicó intercambiar algunos de los aminoácidos a lo largo de ese sitio de acoplamiento de PET por otros.

Cuando los investigadores probaron su enzima mutante en escamas de plástico coloreadas de botellas de PET, aplicando 3 miligramos de la enzima por gramo de PET, alrededor del 90 por ciento del plástico se descompuso en aproximadamente 10 horas. La enzima original había alcanzado un máximo de alrededor del 50 por ciento. Utilizando los monómeros de ácido tereftálico producidos en ese proceso, los investigadores fabricaron nuevas botellas de plástico que eran tan fuertes como las originales.

Carbios ahora está construyendo una planta cerca de Lyon, Francia, para comenzar a reciclar químicamente PET a finales de este año.

Pero otros plásticos, como el polietileno y el polipropileno, son mucho más difíciles de descomponer mediante el reciclaje químico. Para desmontar moléculas de polietileno, por ejemplo, se necesitan temperaturas superiores a 400° Celsius. A temperaturas tan altas, la química es caótica. Las moléculas de plástico se descomponen aleatoriamente, generando una mezcla compleja de compuestos que pueden quemarse como combustible pero no usarse para fabricar nuevos materiales.

Scott, el químico de la Universidad de California en Santa Bárbara, propone descomponer parcialmente estos plásticos resistentes de una manera más controlada, en condiciones más suaves, para producir otros tipos de moléculas útiles. Ella y sus colegas idearon recientemente una manera de transformar el polietileno en compuestos alquilaromáticos, que pueden usarse como ingredientes biodegradables en champús, detergentes y otros productos. El proceso consiste en colocar polietileno dentro de una cámara de reacción a 280°C, con un polvo de catalizador que contiene nanopartículas de platino.

El polietileno es una molécula larga, en la que los átomos de hidrógeno están conectados a una columna vertebral de carbono que puede tener miles de átomos de carbono de largo. El platino es bueno para romper los enlaces carbono-hidrógeno, afirma Scott. “Cuando haces eso, generas hidrógeno en el reactor, y el catalizador de platino puede usar el hidrógeno para romper los enlaces carbono-carbono [en la columna vertebral de la molécula]. Entonces, en realidad corta la cadena en pedazos más pequeños”.

Dado que esta reacción tiene lugar a una temperatura relativamente suave de 280 °C, ocurre de manera ordenada, rompiendo largas moléculas de polietileno en cadenas más cortas, cada una de aproximadamente 30 carbonos de largo. Luego, esos fragmentos se organizan en las estructuras anulares de seis lados características de los compuestos alquilaromáticos.

Después de 24 horas en la cámara de reacción, "la mayoría de los productos son líquidos y la mayoría de los líquidos son alquilaromáticos", dice Scott. En los experimentos, alrededor del 69 por ciento del plástico de una bolsa de polietileno de baja densidad se convirtió en líquido. Se transformó alrededor del 55 por ciento de la tapa de una botella de polietileno de alta densidad. El proceso también produce gases de hidrocarburos, que podrían usarse para generar calor para ejecutar la reacción en una planta de reciclaje, dice Scott.

Por ahora, esto es sólo una demostración de laboratorio y, como muchas nuevas estrategias de reciclaje, todavía está muy lejos de su comercialización. Y ninguna mejora en el sistema de reciclaje librará al mundo de sus crecientes montañas de basura plástica. "Vamos a necesitar un conjunto de tecnologías para afrontar este desafío", dice Daniels, del Instituto REMADE. Pero cada nueva tecnología, ya sea centrada en hacer que los plásticos sean más fáciles de reciclar o en transformarlos en materiales más útiles, podría ayudar.

Los plásticos que se producen hoy en día nunca fueron diseñados para usarse más de una vez. Por eso es tan difícil reciclar plásticos, especialmente para convertirlos en materiales que queden como nuevos. Pero los investigadores están volviendo a la mesa de dibujo para preguntarse: “¿Cómo será la próxima generación de materiales? ¿Cómo se diseña un material específicamente para que nunca tenga que terminar en un vertedero? dice Eric Beckman, ingeniero químico de la Universidad de Pittsburgh. "Los químicos están estudiando si se puede diseñar un polímero que se desmorone cuando se lo ordene".

El desarrollo de una clase de polímeros de próxima generación, llamados PDK, para poli(dicetoenaminas), se informó en Nature Chemistry en 2019. “Los PDK tienen la capacidad de romper sus enlaces en condiciones relativamente suaves, ciertamente con una intensidad energética mucho menor que cualquiera de los plásticos que se utilizan actualmente”, dice el coautor del estudio Brett Helms, químico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. Simplemente sumergir el plástico en una solución ácida con un pH de 1 o 2 es suficiente para romper los enlaces entre sus componentes monómeros.

"Los materiales no suelen encontrar un pH tan bajo, por lo que no es que si pones PDK en vinagre, el polímero no vaya a empezar a descomponerse", dice Helms. Pero podría facilitar el reciclaje. Los monómeros PDK se pueden utilizar para fabricar plástico nuevo e impecable, una y otra vez.

Los plásticos generalizados como el tereftalato de polietileno, o PET, y el polietileno son tan baratos de fabricar que cualquier polímero innovador tendría dificultades para ingresar al mercado, dice Beckman. Por ahora, el plástico inherentemente reciclable es sólo una curiosidad académica. Pero tal vez, dentro de décadas, los plásticos fabricados para ser reciclables desde el principio ayuden a resolver el problema mundial de los desechos plásticos. — María Temming

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Una versión de este artículo aparece en la edición del 30 de enero de 2021 de Science News.

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Maria Temming, anteriormente redactora de ciencias físicas de Science News, es editora asistente de Science News Explores. Tiene una licenciatura en física e inglés y una maestría en redacción científica.

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