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Um novo processo químico pode essencialmente vaporizar plásticos que dominam o fluxo de resíduos hoje e transformá-los em blocos de construção de hidrocarbonetos para novos plásticos.
O processo catalítico, desenvolvido na Universidade da Califórnia, Berkeley, funciona igualmente bem com os dois tipos dominantes de resíduos plásticos pós-consumo: polietileno, o componente da maioria das sacolas plásticas de uso único; e polipropileno, o material dos plásticos duros, de pratos que podem ser levados ao micro-ondas até malas. Ele também degrada eficientemente uma mistura desses tipos de plásticos.
O processo, se ampliado, poderia ajudar a trazer uma economia circular para muitos plásticos descartáveis, com os resíduos plásticos convertidos de volta em monômeros usados para fazer polímeros, reduzindo assim os combustíveis fósseis usados para fazer novos plásticos. Garrafas plásticas transparentes de água feitas de polietileno tetraftalato (PET), um poliéster, foram projetadas na década de 1980 para serem recicladas dessa forma. Mas o volume de plásticos de poliéster é minúsculo comparado ao de plásticos de polietileno e polipropileno, chamados de poliolefinas.
“Temos uma quantidade enorme de polietileno e polipropileno em objetos cotidianos, de lancheiras a garrafas de sabão em pó e jarras de leite — muito do que está ao nosso redor é feito dessas poliolefinas”, disse John Hartwig, professor de química da UC Berkeley que liderou a pesquisa. “O que podemos fazer agora, em princípio, é pegar esses objetos e trazê-los de volta ao monômero inicial por meio de reações químicas que criamos que quebram as ligações carbono-carbono tipicamente estáveis. Ao fazer isso, chegamos mais perto do que ninguém de dar o mesmo tipo de circularidade ao polietileno e ao polipropileno que você tem para poliésteres em garrafas de água.”
Hartwig, o estudante de pós-graduação Richard J. “RJ” Conk, o engenheiro químico Alexis Bell, que é professor da Escola de Pós-Graduação da UC Berkeley, e seus colegas publicarão os detalhes do processo catalítico na edição xx do periódico. Ciência.
Uma economia circular para os plásticos
Plásticos de polietileno e polipropileno constituem cerca de dois terços dos resíduos plásticos pós-consumo em todo o mundo. Cerca de 80% acabam em aterros sanitários, são incinerados ou simplesmente jogados nas ruas, muitas vezes acabando como microplásticos em córregos e no oceano. O restante é reciclado como plástico de baixo valor, tornando-se materiais de decks, vasos de flores e garfos.
Para reduzir esse desperdício, pesquisadores têm buscado maneiras de transformar os plásticos em algo mais valioso, como os monômeros que são polimerizados para produzir novos plásticos. Isso criaria uma economia circular de polímeros para plásticos, reduzindo a necessidade de fazer novos plásticos a partir do petróleo, o que gera gases de efeito estufa.
Dois anos atrás, Hartwig e sua equipe da UC Berkeley criaram um processo para quebrar sacolas plásticas de polietileno no monômero propileno — também chamado de propeno — que poderia então ser reutilizado para fazer plásticos de polipropileno. Esse processo químico empregava três catalisadores diferentes de metais pesados sob medida: um para adicionar uma ligação dupla carbono-carbono ao polímero de polietileno e os outros dois para quebrar a cadeia nessa ligação dupla e repetidamente cortar um átomo de carbono e, com etileno, fazer propileno (C3E6) moléculas até que o polímero desaparecesse. Mas os catalisadores foram dissolvidos na reação líquida e tiveram vida curta, dificultando sua recuperação em uma forma ativa.
No novo processo, os catalisadores de metal solúveis e caros foram substituídos por sólidos mais baratos, comumente usados na indústria química para processos de fluxo contínuo que reutilizam o catalisador. Os processos de fluxo contínuo podem ser ampliados para lidar com grandes volumes de material.
Conk fez seus primeiros experimentos com esses catalisadores após consultar Bell, um especialista em catalisadores heterogêneos, no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular.
Ao sintetizar um catalisador de sódio em alumina, Conk descobriu que ele quebrava ou rachava eficientemente vários tipos de cadeias de polímeros de poliolefina, deixando uma das duas peças com uma ligação dupla carbono-carbono reativa no final. Um segundo catalisador, óxido de tungstênio em sílica, adicionou o átomo de carbono no final da cadeia ao gás etileno, que é constantemente transmitido pela câmara de reação para formar uma molécula de propileno. O último processo, chamado metátese de olefina, deixa para trás uma ligação dupla que o catalisador pode acessar repetidamente até que toda a cadeia tenha sido convertida em propileno.
A mesma reação ocorre com o polipropileno para formar uma combinação de propeno e um hidrocarboneto chamado isobutileno. O isobutileno é usado na indústria química para fazer polímeros para produtos que vão de bolas de futebol a cosméticos e para fazer aditivos de gasolina de alta octanagem.
Surpreendentemente, o catalisador de tungstênio foi ainda mais eficaz que o catalisador de sódio na quebra de cadeias de polipropileno.
“Você não pode ficar muito mais barato que o sódio”, disse Hartwig. “E o tungstênio é um metal abundante na terra usado na indústria química em larga escala, ao contrário dos nossos catalisadores de metal rutênio que eram mais sensíveis e mais caros. Essa combinação de óxido de tungstênio em sílica e sódio em alumina é como pegar dois tipos diferentes de sujeira e fazê-los juntos desmontar toda a cadeia de polímero em rendimentos ainda maiores de propeno a partir do etileno e uma combinação de propeno e isobutileno a partir do polipropileno do que fizemos com aqueles catalisadores mais complexos e caros.”
Como um colar de pérolas
Uma vantagem fundamental dos novos catalisadores é que eles evitam a necessidade de remover hidrogênio para formar uma ligação dupla carbono-carbono quebrável no polímero, o que era uma característica do processo anterior dos pesquisadores para desconstruir o polietileno. Essas ligações duplas são um calcanhar de Aquiles de um polímero, da mesma forma que as ligações reativas carbono-oxigênio no poliéster ou PET tornam o plástico mais fácil de reciclar. Polietileno e polipropileno não têm esse calcanhar de Aquiles — suas longas cadeias de ligações de carbono simples são muito fortes.
“Pense no polímero de poliolefina como um colar de pérolas”, disse Hartwig. “As travas na ponta impedem que elas caiam. Mas se você prender o cordão no meio, agora você pode remover uma pérola de cada vez.”
Os dois catalisadores juntos transformaram uma mistura quase igual de polietileno e polipropileno em propileno e isobutileno — ambos gases em temperatura ambiente — com uma eficiência de quase 90%. Para polietileno ou polipropileno sozinhos, o rendimento foi ainda maior.
Conk adicionou aditivos plásticos e diferentes tipos de plásticos à câmara de reação para ver como as reações catalíticas eram afetadas por contaminantes. Pequenas quantidades dessas impurezas mal afetaram a eficiência de conversão, mas pequenas quantidades de PET e cloreto de polivinila — PVC — reduziram significativamente a eficiência. Isso pode não ser um problema, no entanto, porque os métodos de reciclagem já separam os plásticos por tipo.
Hartwig observou que, embora muitos pesquisadores esperem redesenhar os plásticos do zero para que sejam facilmente reutilizados, os plásticos difíceis de reciclar de hoje serão um problema por décadas.
“Pode-se argumentar que deveríamos acabar com todo o polietileno e polipropileno e usar apenas novos materiais circulares. Mas o mundo não fará isso por décadas e décadas. Poliolefinas são baratas e têm boas propriedades, então todo mundo as usa”, disse Hartwig. “As pessoas dizem que se pudéssemos descobrir uma maneira de torná-las circulares, seria um grande negócio, e foi isso que fizemos. Pode-se começar a imaginar uma planta comercial que faria isso.”
Outros coautores do artigo são os estudantes de pós-graduação Jules Stahler, Jake Shi, Natalie Lefton e John Brunn da UC Berkeley e Ji Yang do Lawrence Berkeley National Laboratory. Shi, Hartwig e Bell também são afiliados ao Berkeley Lab. O trabalho foi financiado pelo Departamento de Energia (DE-AC02-05CH11231).
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