Mucha gente está familiarizada con las inquietantes imágenes de la vida silvestre, incluidas tortugas marinas, delfines y focas, enredadas en redes de pesca abandonadas.
El principal problema detrás del Nylon-6, el plástico dentro de estas redes, alfombras y ropa, es que es demasiado fuerte y duradero para romperse por sí solo. Entonces, una vez que está en el medio ambiente, permanece durante miles de años, ensuciando los cursos de agua, rompiendo corales y estrangulando aves y vida marina.
Ahora, los químicos de la Universidad Northwestern han desarrollado un nuevo catalizador que descompone rápida, limpia y completamente el Nylon-6 en cuestión de minutos, sin generar subproductos dañinos. Aún mejor:el proceso no requiere disolventes tóxicos, materiales costosos ni condiciones extremas, lo que lo hace práctico para aplicaciones cotidianas.
Este nuevo catalizador no solo podría desempeñar un papel importante en la remediación ambiental, sino que también podría dar el primer paso en el reciclaje de desechos de Nylon-6 para convertirlos en productos de mayor valor.
La investigación fue publicada el jueves (30 de noviembre) en la revista Chem. .
"El mundo entero es consciente del problema del plástico", afirmó Tobin Marks, de Northwestern, autor principal del estudio. "El plástico es parte de nuestra sociedad; usamos mucho de él. Pero el problema es:¿qué haremos cuando terminemos con él? Lo ideal sería no quemarlo ni tirarlo a los vertederos. Lo reciclaríamos. Estamos desarrollando catalizadores que deconstruyen estos polímeros, devolviéndolos a su forma original para que puedan ser reutilizados".
Marks es profesor de química Charles E. y Emma H. Morrison y profesor Vladimir N. Ipatieff de química catalítica en la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg de Northwestern y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern.
También es profesor afiliado del Instituto Paula M. Trienens de Sostenibilidad y Energía. Los coautores de Northwestern incluyen a Linda J. Broadbelt, profesora Sarah Rebecca Roland de Ingeniería Química y Biológica y decana asociada principal de McCormick, y Yosi Kratish, profesora asistente de investigación en el grupo de Marks.
Una dificultad mortal
Desde ropa hasta alfombras y cinturones de seguridad, el Nylon-6 se encuentra en una variedad de materiales que la mayoría de las personas usan todos los días. Pero, cuando la gente termina con estos materiales, terminan en vertederos o, peor aún, sueltos en el medio ambiente, incluido el océano. Según la Federación Mundial de Vida Silvestre, cada año se abandonan en el océano hasta 1 millón de libras de artes de pesca, y las redes de pesca compuestas de Nylon-6 representan al menos el 46% de la Gran Mancha de Basura del Pacífico.
"Las redes de pesca pierden calidad después de un par de años de uso", dijo Liwei Ye, primer autor principal del artículo y becario postdoctoral en el laboratorio de Marks. "Se inundan tanto que es difícil sacarlos del océano. Y su reemplazo es tan barato que la gente simplemente los deja en el agua y compra otros nuevos".
"Hay mucha basura en el océano", añadió Marks. "El cartón y los residuos de comida se biodegradan. Los metales se hunden hasta el fondo. Luego nos quedamos con los plásticos."
Los métodos actuales para eliminar el Nylon-6 se limitan a simplemente enterrarlo en vertederos. Cuando se quema Nylon-6, se emiten contaminantes tóxicos como óxidos de nitrógeno, que están relacionados con diversas complicaciones de salud, incluida la muerte prematura, o dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero infamemente potente.
Aunque otros laboratorios han explorado catalizadores para degradar el Nylon-6, esos catalizadores requieren condiciones extremas (como temperaturas de hasta 350° Celsius), vapor a alta presión (que es energéticamente costoso e ineficiente) y/o solventes tóxicos que solo contribuyen a más contaminación.
"Puedes disolver plásticos en ácido, pero luego lo que queda es agua sucia", dijo Marks. "¿Qué se hace con eso? El objetivo es siempre utilizar un disolvente verde. ¿Y qué tipo de disolvente es más ecológico que ningún disolvente?"
Recuperar elementos básicos para el reciclaje
Para evitar estos problemas, los investigadores recurrieron a un nuevo catalizador ya desarrollado en el laboratorio de Marks. El catalizador aprovecha el itrio (un metal económico abundante en la Tierra) y los iones de lantánidos. Cuando el equipo calentó muestras de Nylon-6 hasta temperaturas de fusión y aplicó el catalizador sin disolvente, el plástico se desmoronó, volviendo a sus componentes originales sin dejar subproductos.
"Se puede pensar en un polímero como un collar o un collar de perlas", explicó Marks. "En esta analogía, cada perla es un monómero. Estos monómeros son los componentes básicos. Ideamos una manera de romper el collar pero recuperar esas perlas".
En experimentos, Marks y su equipo pudieron recuperar el 99% de los monómeros originales de los plásticos. En principio, esos monómeros podrían reciclarse y convertirse en productos de mayor valor, que actualmente tienen una gran demanda por su resistencia y durabilidad.
"El nailon reciclado en realidad vale más dinero que el nailon normal", dijo Marks. "Muchas marcas de moda de alta gama utilizan nailon reciclado en la ropa."
Además de recuperar un alto rendimiento de monómeros, el catalizador es altamente selectivo:actúa únicamente sobre los polímeros de Nylon-6 sin alterar los materiales circundantes. Esto significa que la industria podría aplicar el catalizador a grandes volúmenes de residuos sin clasificar y centrarse selectivamente en el Nylon-6.
"Si no se dispone de un catalizador que sea selectivo, ¿cómo se separa el nailon del resto de los residuos?" dijo Marcos. "Habría que contratar humanos para clasificar todos los desechos y eliminar el nailon. Eso es enormemente costoso e ineficiente. Pero si el catalizador sólo degrada el nailon y deja todo lo demás atrás, es increíblemente eficiente".
El reciclaje de estos monómeros también evita la necesidad de producir más plásticos desde cero.
"Estos monómeros se producen a partir de petróleo crudo, por lo que tienen una enorme huella de carbono", dijo Ye. "Eso simplemente no es sostenible."
Después de presentar una patente para el nuevo proceso, Marks y su equipo ya han despertado el interés de posibles socios industriales. Esperan que otros puedan utilizar sus catalizadores a gran escala para ayudar a resolver el problema mundial del plástico.
"Nuestra investigación representa un importante paso adelante en el campo del reciclaje de polímeros y la gestión de materiales sostenibles", afirmó Ye. "Este enfoque innovador aborda una brecha crítica en las tecnologías de reciclaje actuales y ofrece una solución práctica y eficiente para el problema de los desechos de nailon. Creemos que tiene implicaciones para reducir la huella ambiental de los plásticos y contribuir a una economía circular".
Más información: Diseño de catalizador-ligando metálico para la despolimerización rápida, selectiva y sin disolventes de plásticos de nailon-6, Chem (2023). DOI:10.1016/j.chempr.2023.10.022. www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(23)00548-X
Información de la revista: Química
Proporcionado por la Universidad Northwestern
