Según la Federación Mundial de Vida Silvestre, cada año se abandonan en el océano hasta 1 millón de toneladas 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.
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 descomponerse por sí solo. Entonces, una vez que está en el medio ambiente, permanece durante miles de años, ensuciando vías fluviales, 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 sólo 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 hoy en la revista Chem.
“El mundo entero es consciente del problema del plástico”, dijo 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 hayamos terminado? Lo ideal sería no quemarlo ni arrojarlo a los vertederos. Lo reciclaríamos. Estamos desarrollando catalizadores que deconstruyen estos polímeros y los devuelven a su forma original para que puedan reutilizarse”.
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.
Desde ropa hasta alfombras y cinturones de seguridad, el Nylon-6 se encuentra en una variedad de materiales que la mayoría de la gente usa 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 toneladas 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 alimentos se biodegradan. Los metales se hunden hasta el fondo. Luego nos quedamos con los plásticos”.
El disolvente más ecológico no es ningún disolvente.
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 grados 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 haces con eso? El objetivo es siempre utilizar un disolvente verde. ¿Y qué tipo de disolvente es más ecológico que ningún disolvente?
Recuperar componentes 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 para obtener 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”.
Apuntando eficientemente al Nylon-6
Además de recuperar un alto rendimiento de monómeros, el catalizador es altamente selectivo: actúa sólo sobre los polímeros de Nylon-6 sin alterar los materiales circundantes. Esto significa que la industria podría aplicar el catalizador a grandes volúmenes de desechos sin clasificar y apuntar selectivamente al Nylon-6.
“Si no se tiene 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 caro 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”.
¿Que sigue?
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”, dijo 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”.
Para ayudar a llevar el descubrimiento a otros, Kratish está trabajando con Querrey InQbation Lab, el acelerador tecnológico de Northwestern.
“Creo firmemente que el verdadero impacto se logra cuando las ideas transformadoras no solo se conciben sino que también se llevan al mercado”, afirmó Kratish, becario empresarial de Querrey 2023. “Nuestro progreso con este estudio nos acerca un paso más a traducir estos conocimientos en una tecnología lista para generar un impacto duradero en todo el mundo. Como parte de este compromiso, he iniciado el viaje para comercializar esta tecnología, marcando la siguiente fase crucial en nuestro misión de revolucionar el reciclaje de Nylon-6”. El estudio contó con el apoyo de RePLACE (Redesigning Polymers to Leverage A Circular Economy), financiado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias. El apoyo adicional provino del Instituto de Catálisis en Procesos Energéticos, que es un importante proyecto de investigación dentro del Centro de Catálisis y Ciencias de Superficies del Instituto Paula M. Trienens para la Sostenibilidad y la Energía.
