O futuro da reciclagem de plásticos pode em breve se tornar muito menos complicado, frustrante e tedioso.
Em um novo estudo, químicos da Universidade Northwestern introduziram um novo processo de upcycling de plásticos que pode reduzir drasticamente – ou até mesmo contornar totalmente – o trabalho árduo de pré-separação de resíduos plásticos mistos.
O processo utiliza um novo catalisador à base de níquel, barato, que quebra seletivamente plásticos poliolefínicos compostos por polietileno e polipropileno – o tipo de plástico de uso único que domina quase dois terços do consumo global de plástico. Isso significa que usuários industriais podem aplicar o catalisador em grandes volumes de resíduos poliolefínicos não separados.
Quando o catalisador quebra os poliolefínicos, os plásticos sólidos de baixo valor se transformam em óleos e ceras líquidas, que podem ser upcycled em produtos de maior valor, incluindo lubrificantes, combustíveis e velas. Além de poder ser reutilizado várias vezes, o novo catalisador também pode quebrar plásticos contaminados com cloreto de polivinila (PVC), um polímero tóxico que notoriousamente torna os plásticos “não recicláveis”.
O estudo foi publicado em 2 de setembro na revista Nature Chemistry.
“Um dos maiores obstáculos na reciclagem de plásticos sempre foi a necessidade de classificar meticulosamente os resíduos plásticos por tipo,” disse Tobin Marks, da Northwestern, autor sênior do estudo. “Nosso novo catalisador pode contornar essa etapa custosa e trabalhosa para plásticos poliolefínicos comuns, tornando a reciclagem mais eficiente, prática e economicamente viável do que as estratégias atuais.”
“Quando as pessoas pensam em plásticos, provavelmente estão pensando em poliolefínicos,” disse Yosi Kratish, da Northwestern, coautor correspondente do artigo. “Basicamente, quase tudo em sua geladeira é à base de poliolefina – garrafas squeeze para condimentos e molhos, jarras de leite, filme plástico, sacos de lixo, utensílios descartáveis, embalagens de suco e muito mais. Esses plásticos têm uma vida útil muito curta, portanto, são em sua maioria de uso único. Se não tivermos uma maneira eficiente de reciclá-los, eles acabarão em aterros sanitários e no meio ambiente, onde permanecem por décadas antes de se degradarem em microplásticos prejudiciais.”
Marks, um especialista em catálise de renome mundial, é o Professor Vladimir N. Ipatieff de Química Catalítica na Weinberg College of Arts and Sciences da Northwestern e professor de engenharia química e biológica na McCormick School of Engineering da Northwestern. Ele também é um membro filiado do Paula M. Trienens Institute for Sustainability and Energy. Kratish é professor assistente de pesquisa no grupo de Marks e um membro filiado do Trienens Institute. Qingheng Lai, um associado de pesquisa no grupo de Marks, é o autor principal do estudo. Marks, Kratish e Lai co-lideraram o estudo com Jeffrey Miller, professor de engenharia química na Universidade Purdue; Michael Wasielewski, Professor Clare Hamilton Hall de Química na Weinberg; e Takeshi Kobayashi, cientista de pesquisa no Ames National Laboratory.
O dilema dos poliolefínicos
De copos de iogurte e embalagens de snacks a garrafas de shampoo e máscaras médicas, a maioria das pessoas interage com plásticos poliolefínicos várias vezes ao longo do dia. Devido à sua versatilidade, os poliolefínicos são os plásticos mais utilizados no mundo. Por algumas estimativas, a indústria produz mais de 220 milhões de toneladas de produtos poliolefínicos globalmente a cada ano. No entanto, de acordo com um relatório de 2023 na revista Nature, as taxas de reciclagem de plásticos poliolefínicos são alarmantemente baixas, variando de menos de 1% a 10% em todo o mundo.
A principal razão para essa taxa de reciclagem decepcionante é a composição robusta e teimosa dos poliolefínicos. Eles contêm pequenas moléculas ligadas por ligações carbono-carbono, que são notoriamente difíceis de quebrar.
“Quando projetamos catalisadores, visamos pontos fracos,” disse Kratish. “Mas os poliolefínicos não têm pontos fracos. Cada ligação é incrivelmente forte e quimicamente inerte.”
Problemas com os processos atuais
Atualmente, existem apenas alguns processos, menos que ideais, que podem reciclar poliolefínicos. Eles podem ser triturados em flocos, que são então derretidos e reciclados para formar pellets plásticos de baixa qualidade. Mas, como diferentes tipos de plásticos têm propriedades e pontos de fusão diferentes, o processo exige que os trabalhadores separem meticulosamente vários tipos de plásticos. Mesmo pequenas quantidades de outros plásticos, resíduos alimentares ou materiais não plásticos podem comprometer todo um lote. E esses lotes comprometidos vão direto para o aterro sanitário.
Outra opção envolve aquecer plásticos a temperaturas incrivelmente altas, alcançando de 400 a 700 graus Celsius. Embora esse processo degrade os plásticos poliolefínicos em uma mistura útil de gases e líquidos, é extremamente intensivo em energia.
“Tudo pode ser queimado, é claro,” disse Kratish. “Se você aplicar energia suficiente, pode converter qualquer coisa em dióxido de carbono e água. Mas queríamos encontrar uma maneira elegante de adicionar a mínima quantidade de energia para obter o produto de valor máximo.”
Engenharia de precisão
Para descobrir essa solução elegante, Marks, Kratish e sua equipe recorreram à hidrogenólise, um processo que utiliza gás hidrogênio e um catalisador para quebrar plásticos poliolefínicos em hidrocarbonetos menores e úteis. Embora abordagens de hidrogenólise já existam, elas geralmente requerem temperaturas extremamente altas e catalisadores caros feitos de metais nobres, como platina e paládio.
“A escala de produção de poliolefina é enorme, mas as reservas globais de metais nobres são muito limitadas,” disse Lai. “Não podemos usar toda a oferta de metal para a química. E, mesmo que o fizéssemos, ainda não haveria o suficiente para resolver o problema do plástico. É por isso que estamos interessados em metais abundantes na Terra.”
Para seu catalisador de reciclagem de poliolefina, a equipe da Northwestern identificou o níquel catiônico, que é sintetizado a partir de um composto de níquel abundante, barato e disponível comercialmente. Enquanto outros catalisadores baseados em nanopartículas de níquel têm múltiplos locais de reação, a equipe projetou um catalisador molecular de único local.
O design de único local permite que o catalisador atue como um escalpelinho altamente especializado – cortando preferencialmente ligações carbono-carbono – em vez de um instrumento menos controlado que quebra indiscriminadamente toda a estrutura do plástico. Como resultado, o catalisador permite a quebra seletiva de poliolefínicos ramificados (como o polipropileno isotático) quando estão misturados com poliolefínicos não ramificados – separando-os quimicamente de forma eficaz.
“Comparado a outros catalisadores à base de níquel, nosso processo utiliza um catalisador de único local que opera a uma temperatura 100 graus mais baixa e a metade da pressão de gás hidrogênio,” disse Kratish. “Also utilizamos 10 vezes menos carga de catalisador, e nossa atividade é 10 vezes maior. Portanto, estamos ganhando em todas as categorias.”
Acelerado pela contaminação
Com seu único local de ativo definido e isolado, o catalisador à base de níquel possui atividade e estabilidade sem precedentes. O catalisador é tão termicamente e quimicamente estável, de fato, que mantém o controle mesmo quando exposto a contaminantes como PVC. Usado em tubos, pisos e dispositivos médicos, o PVC é visualmente semelhante a outros tipos de plásticos, mas significativamente menos estável ao aquecimento. Ao se decompor, o PVC libera gás cloreto de hidrogênio, um subproduto altamente corrosivo que normalmente desativa catalisadores e interrompe o processo de reciclagem.
Incrivelmente, não apenas o catalisador de Northwestern resistiu à contaminação por PVC, mas o PVC realmente acelerou sua atividade. Mesmo quando o peso total da mistura de resíduos é composto por 25% de PVC, os cientistas descobriram que seu catalisador ainda funcionava com desempenho aprimorado. Esse resultado inesperado sugere que o método da equipe pode superar um dos maiores obstáculos na reciclagem de plástico misto – a decomposição de resíduos atualmente considerados “não recicláveis” devido à contaminação com PVC. O catalisador também pode ser regenerado em múltiplos ciclos por meio de um tratamento simples com alquilalumínio barato.
“Adicionar PVC a uma mistura de reciclagem sempre foi proibido,” disse Kratish. “Mas aparentemente, torna nosso processo ainda melhor. Isso é loucura. Definitivamente, não é algo que alguém esperava.”
O estudo, “Catalisador de Ni organo de único local estável preferencialmente hidrogenoliza ligações C-C ramificadas de poliolefina,” foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA (número do prêmio DE-SC0024448) e pela The Dow Chemical Company.
