Un nuovo processo chimico può sostanzialmente vaporizzare le plastiche che oggi predominano nel flusso dei rifiuti e trasformarle in elementi costitutivi di idrocarburi per nuove plastiche
Il processo catalitico, sviluppato presso l'University of California, Berkeley, funziona ugualmente bene con i due tipi dominanti di rifiuti di plastica post-consumo: polietilene, il componente della maggior parte delle buste di plastica monouso; e polipropilene, il materiale delle plastiche dure, dai piatti da microonde ai bagagli. Inoltre, degrada in modo efficiente un mix di questi tipi di plastica.
Il processo, se ampliato, potrebbe contribuire a creare un'economia circolare per molte plastiche usa e getta, con i rifiuti di plastica riconvertiti nei monomeri utilizzati per produrre polimeri, riducendo così i combustibili fossili utilizzati per produrre nuove plastiche. Le bottiglie d'acqua trasparenti in polietilene tetraftalato (polyethylene tetraphthalate - PET), un poliestere, sono state progettate negli anni '80 per essere riciclate in questo modo. Ma il volume delle plastiche in poliestere è minuscolo rispetto a quello delle plastiche in polietilene e polipropilene, denominate poliolefine.
«Abbiamo un'enorme quantità di polietilene e polipropilene negli oggetti di uso quotidiano, dai sacchetti per il pranzo alle bottiglie di detersivo per bucato alle brocche del latte: gran parte di ciò che ci circonda è fatto di queste poliolefine», ha affermato John F. Hartwig (1), professore di chimica alla UC Berkeley che ha guidato la ricerca. «Quello che possiamo fare ora, in linea di principio, è prendere quegli oggetti e riportarli al monomero di partenza tramite reazioni chimiche che abbiamo ideato e che scindono i legami carbonio-carbonio tipicamente stabili. Così facendo, siamo arrivati più vicini di chiunque altro a dare lo stesso tipo di circolarità al polietilene e al polipropilene che si ha per i poliesteri nelle bottiglie d'acqua».
Il dottor Hartwig, lo studente laureato Richard J. “RJ” Conk, l'ingegnere chimico Alexis Bell, professore della Graduate School presso l'UC Berkeley, e i loro colleghi hanno pubblicato i dettagli del processo catalitico dalla rivista Science (2).
Un'economia circolare per la plastica
Le plastiche in polietilene e polipropilene costituiscono circa due terzi dei rifiuti di plastica post-consumo in tutto il mondo. Circa l'80% finisce nelle discariche, viene incenerito o semplicemente gettato per strada, spesso finendo come microplastiche nei corsi d'acqua e nell'oceano. Il resto viene riciclato come plastica di basso valore, diventando materiali per terrazze, vasi da fiori, forchette e cucchiai.
Per ridurre questo spreco, i ricercatori hanno cercato modi per trasformare la plastica in qualcosa di più prezioso, come i monomeri che vengono polimerizzati per produrre nuova plastica. Ciò creerebbe un'economia circolare dei polimeri per la plastica, riducendo la necessità di produrre nuova plastica dal petrolio, che genera gas serra.
Due anni fa, il dottor John F. Hartwig e il suo team della UC Berkeley hanno ideato un processo (3) per scomporre i sacchetti di plastica in polietilene nel monomero propilene, detto anche propene, che poteva poi essere riutilizzato per produrre plastica in polipropilene. Questo processo chimico impiegava tre diversi catalizzatori di metalli pesanti su misura: uno per aggiungere un doppio legame carbonio-carbonio al polimero di polietilene e gli altri due per rompere la catena in questo doppio legame e tagliare ripetutamente un atomo di carbonio e, con l'etilene, produrre molecole di propilene (C 3 H 6 ) fino alla scomparsa del polimero. Ma i catalizzatori si dissolvevano nella reazione liquida e avevano vita breve, rendendo difficile recuperarli in forma attiva.
Nel nuovo processo, i costosi catalizzatori metallici solubili sono stati sostituiti da quelli solidi più economici, comunemente usati nell'industria chimica per processi a flusso continuo che riutilizzano il catalizzatore. I processi a flusso continuo possono essere ampliati per gestire grandi volumi di materiale.
Richard J. “RJ” Conk (4) ha condotto per la prima volta esperimenti con questi catalizzatori dopo essersi consultato con Bell, un esperto di catalizzatori eterogenei del Dipartimento di Ingegneria chimica e biomolecolare.
Sintetizzando un catalizzatore di sodio su allumina, Conk ha scoperto che rompeva o crepava in modo efficiente vari tipi di catene di polimeri poliolefinici, lasciando uno dei due pezzi con un doppio legame carbonio-carbonio reattivo all'estremità. Un secondo catalizzatore, ossido di tungsteno su silice, aggiungeva l'atomo di carbonio all'estremità della catena al gas etilene, che viene costantemente fatto fluire attraverso la camera di reazione per formare una molecola di propilene. Quest'ultimo processo, chiamato metatesi di olefina, lascia dietro di sé un doppio legame a cui il catalizzatore può accedere più e più volte finché l'intera catena non è stata convertita in propilene.
La stessa reazione avviene con il polipropilene per formare una combinazione di propene e un idrocarburo chiamato isobutilene. L'isobutilene è utilizzato nell'industria chimica con lo scopo di realizzare polimeri per prodotti che vanno dai palloni da calcio ai cosmetici e per realizzare additivi per benzina ad alto numero di ottano.
Sorprendentemente, il catalizzatore al tungsteno si è rivelato ancora più efficace del catalizzatore al sodio nel rompere le catene di polipropilene.
Secondo il dottor John F. Hartwig «Non si può ottenere molto più economico del sodio. Il tungsteno è un metallo abbondante nella terra, utilizzato nell'industria chimica su larga scala, al contrario dei nostri catalizzatori di metallo rutenio che sono più sensibili e più costosi».
Come una collana di perle
Uno dei vantaggi principali dei nuovi catalizzatori è che evitano la necessità di rimuovere l'idrogeno per formare un doppio legame carbonio-carbonio frangibile nel polimero, che era una caratteristica del precedente processo dei ricercatori per decostruire il polietilene. Tali doppi legami sono il tallone d'Achille di un polimero, allo stesso modo in cui i legami reattivi carbonio-ossigeno nel poliestere o nel PET rendono la plastica più facile da riciclare. Il polietilene e il polipropilene non hanno questo tallone d'Achille: le loro lunghe catene di legami singoli al carbonio sono molto forti.
«Pensate al polimero di poliolefina come a una collana di perle», ha detto Hartwig. «I lucchetti all'estremità impediscono che cadano. Ma se tagliate la collana al centro, ora potete rimuovere una perla alla volta».
I due catalizzatori insieme hanno trasformato una miscela quasi uguale di polietilene e polipropilene in propilene e isobutilene, entrambi gas a temperatura ambiente, con un'efficienza di quasi il 90%. Per il solo polietilene o polipropilene, la resa è stata persino più alta.
Conk ha aggiunto additivi plastici e diversi tipi di plastica alla camera di reazione per vedere come le reazioni catalitiche venivano influenzate dai contaminanti. Piccole quantità di queste impurità hanno influenzato appena l'efficienza di conversione, ma piccole quantità di PET e cloruro di polivinile (PVC) hanno ridotto significativamente l'efficienza. Questo potrebbe non essere un problema, tuttavia, perché i metodi di riciclaggio separano già le plastiche in base al tipo.
Hartwig ha osservato che, mentre molti ricercatori sperano di riprogettare la plastica da zero per renderla facilmente riutilizzabile, la plastica odierna, difficile da riciclare, continuerà a essere un problema per decenni.
«Si potrebbe sostenere che dovremmo eliminare tutto il polietilene e il polipropilene e usare solo nuovi materiali circolari. Ma il mondo non lo farà per decenni e decenni. Le poliolefine sono economiche e hanno buone proprietà, quindi tutti le usano», ha detto Hartwig. «La gente dice che se potessimo trovare un modo per renderle circolari, sarebbe una cosa grandiosa, ed è quello che abbiamo fatto. Si può iniziare a immaginare un impianto commerciale che farebbe questo».
Altri coautori del documento sono gli studenti laureati Jules Stahler, Jake Shi, Natalie Lefton e John Brunn dell'UC Berkeley e Ji Yang del Lawrence Berkeley National Laboratory. Shi, Hartwig e Bell sono anche affiliati al Berkeley Lab. Il lavoro è stato finanziato dal Department of Energy (DE-AC02-05CH11231).
Riferimenti:
(1) John F. Hartwig
(2) Polyolefin waste to light olefins with ethylene and base-metal heterogeneous catalysts
(3) Process converts polyethylene bags, plastics to polymer building blocks
Descrizione foto: Lo studente laureato Richard J. “RJ” Conk regola una camera di reazione in cui le plastiche miste vengono degradate nei componenti riutilizzabili di nuovi polimeri. - Credit: Robert Sanders/UC Berkeley.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New Process Vaporizes Plastic Bags and Bottles, Yielding Gases to Make New, Recycled Plastics