Innovador método fototérmico revoluciona el reciclaje de plásticos negros

Investigadores de Princeton y Cornell hallan un método fototérmico que recicla plásticos negros PS y PVC con menor temperatura y menos residuos, aprovechando el negro de carbono.

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En un avance científico con gran potencial para la industria de los plásticos, un grupo de investigadores de las universidades de Princeton y Cornell en Estados Unidos ha desarrollado un innovador método para reciclar dos de los polímeros más difíciles de procesar: el poliestireno (PS) y el policloruro de vinilo (PVC). Este método aborda, de forma simultánea, la problemática de la contaminación por plásticos de color negro y las limitaciones de la infraestructura de reciclaje.

A continuación, en Tecnología del Plástico te presentamos los hallazgos clave de estas investigaciones, publicados en dos revistas de alto impacto científico.

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El componente que imprime el color negro a los plásticos, conocido como negro de carbono (carbon black), dificulta su clasificación en los sistemas de reciclaje convencionales porque absorbe fuertemente la radiación en el rango cercano al infrarrojo (NIR). Esto impide que los sensores de las plantas de reciclaje detecten eficazmente este tipo de polímeros y los separen adecuadamente.

Sin embargo, los científicos descubrieron que esta misma propiedad que dificulta su clasificación puede usarse para fomentar la despolimerización de PS y PVC. Bajo luz LED o incluso luz solar intensa, el negro de carbono absorbe desde radiación ultravioleta (UV) hasta infrarroja (IR), generando un proceso de fotoconversión que puede descomponer estos plásticos de forma más eficiente, a menor temperatura y con menos reacciones secundarias que otros métodos como la pirólisis.

Innovaciones en la despolimerización de poliestireno (PS)

Cómo el negro de carbono impulsa la degradación

Para el caso del poliestireno, los investigadores combinaron PS con un 10% en peso de negro de carbono. Luego, bajo luz LED intensa y con temperaturas que no exceden los 150 °C —en contraste con los 395 °C necesarios normalmente en procesos químicos de reciclaje—, lograron hasta un 60% de rendimiento de monómero de estireno.

Este rendimiento es significativo si se considera que en procesos tradicionales de despolimerización se requiere una mayor inversión de energía y se generan más productos secundarios no deseados.

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Resultados con PS postconsumo y diferentes contaminaciones

El equipo también probó su método en poliestireno postconsumo negro sin modificaciones adicionales, incluyendo productos como espuma de PS, recipientes para comida y tapas de vasos de café, y obtuvo hasta un 53% de rendimiento de monómero. Para demostrar la flexibilidad del proceso, fundieron poliestireno blanco o transparente con negro de carbono (5% en peso) y observaron rendimientos de hasta el 54% bajo las mismas condiciones.

Con el fin de simular la contaminación habitual de los desechos de alimentos, ensayaron el método con 20% en peso de diferentes contaminantes, como sacarosa, aceite, salsa de soja y zumo de naranja. Los resultados mostraron que con sacarosa prácticamente no hubo diferencia en el rendimiento (casi idéntico al control), mientras que con canola y salsa de soja bajó hasta 46%, y con zumo de naranja hasta 37%.

Despolimerización bajo luz solar concentrada

Para llevar el experimento un paso más allá, los investigadores reemplazaron la iluminación LED por luz solar enfocada con una lente de Fresnel. Bajo estas condiciones, lograron despolimerizar completamente la espuma de PS en tan solo 5 minutos, alcanzando un 80% de rendimiento de estireno.

Según la coautora del estudio, la profesora asistente de química en Princeton, Erin Stache:“Lo sorprendente, especialmente con la despolimerización del poliestireno negro, es que se lleva décadas fabricando estos materiales y parece que nadie se había dado cuenta de que esto era posible. Bajo la luz solar ambiental, la energía no es suficiente para descomponer estos polímeros. Pero si aumentas la intensidad de la luz, entonces comienza la despolimerización”.

Despolimerización de PVC: un paso clave en el reciclaje químico

El policloruro de vinilo (PVC) es otro de los polímeros más complejos de reciclar. Su principal inconveniente es la liberación de ácido clorhídrico (HCl) durante la descomposición, un subproducto tóxico y corrosivo que dificulta el procesamiento y la reutilización.

Transformando un subproducto tóxico en un nuevo químico

Los investigadores aprovecharon el HCl liberado para sintetizar nuevos compuestos químicos de valor añadido. Durante el proceso de fotoconversión, el HCl se captura y se adiciona a otros compuestos para obtener sustancias útiles. Por ejemplo, se combinó el HCl con estireno recuperado de la despolimerización del poliestireno para producir un compuesto llamado 1-cloroetilbenceno, con un rendimiento de hasta el 84% bajo luz LED blanca en una hora. Además, el equipo logró la co-upcycling de PS y PVC con un rendimiento del 42% en tan solo 4 minutos de luz solar concentrada.

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Gracias a una posterior sustitución nucleófila de este aducto clorado, fue posible generar 1-feniletanol —utilizado como aditivo aromático— y fendilina, un fármaco empleado en el tratamiento de enfermedades cardíacas, ambos con altos rendimientos.

Como explica Stache: “Usamos negro de carbono para iniciar la degradación térmica del PVC, generando HCl con un aceptor que reacciona para formar un aducto. Así, podemos acceder a un nuevo químico derivado del proceso. Nos aprovechamos de lo que normalmente sería un proceso indeseable —la liberación de HCl— y lo transformamos en un producto de valor”.

Este método de fotoconversión propuesto por las universidades de Princeton y Cornell abre nuevas posibilidades para el reciclaje químico de plásticos difíciles de manejar en la actualidad. Al combinar la capacidad de absorción del negro de carbono con la luz solar o LED, se logra una despolimerización eficiente a temperaturas significativamente más bajas que en procesos convencionales, al tiempo que se generan menos subproductos.

La viabilidad demostrada tanto en poliestireno como en PVC, y en distintas condiciones de contaminación, sugiere que esta estrategia podría aplicarse a escala industrial, reduciendo de forma notable la huella ambiental de estos plásticos y abriendo nuevos caminos para la economía circular. En una industria que busca soluciones urgentes frente a la creciente contaminación por residuos plásticos, estos hallazgos representan un avance prometedor.

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Las investigaciones completas se han publicado en dos artículos científicos revisados por pares:

• Recycling of Post-Consumer Waste Polystyrene Using Commercial Plastic Additives, en la revista ACS Central Science.
• Upcycling Poly(vinyl chloride) and Polystyrene Plastics Using Photothermal Conversion, en la revista Journal of the American Chemical Society.