Universidad de Cambridge desarrolla reactor solar que convierte residuos plásticos y ácido de baterías en hidrógeno limpio

Investigadores de la Universidad de Cambridge han desarrollado un reactor alimentado por energía solar capaz de descomponer formas de residuos plásticos difíciles de reciclar, como botellas de bebidas, textiles de nailon y espumas de poliuretano, utilizando ácido recuperado de baterías de automóviles viejas y convirtiéndolos en combustible de hidrógeno limpio y productos químicos industriales valiosos, según un estudio publicado en la revista Joule.

El reactor, desarrollado por el profesor Erwin Reisner del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge y su equipo, representa un avance significativo en el tratamiento de residuos plásticos. La producción mundial de plástico supera los 450 millones de toneladas anuales, un aumento drástico desde 1950 cuando solo se producían 2 millones de toneladas, según Our World in Data, un sitio de compilación estadística formado en asociación con la Universidad de Oxford. Del total de plástico producido, solo el 18% se recicla, mientras que el 24% se incinera y el resto termina en vertederos o se filtra a los ecosistemas, con aproximadamente el 0,5% llegando a los océanos.

El descubrimiento del nuevo método fue casi accidental, según Reisner. "Solíamos pensar que el ácido estaba completamente fuera de los límites en estos sistemas alimentados por energía solar, porque simplemente disolvería todo. Pero nuestro catalizador desarrollado no lo hizo, y de repente se abrió todo un nuevo mundo de reacciones", dijo el investigador.

Los métodos actuales de reciclaje mecánico pueden manejar grandes cantidades de plásticos, pero presentan problemas significativos. La contaminación por alimentos y otros materiales puede arruinar grandes lotes de plásticos potencialmente reciclables. Además, el nuevo plástico producido de esta manera suele ser inferior al producto original, por lo que el proceso resulta más en un reciclaje descendente que en reciclaje o reciclaje ascendente.

Los métodos de reciclaje químico son mucho más efectivos, especialmente cuando se utiliza un fotocatalizador para alterar los bloques de construcción constituyentes de los plásticos usando luz. Sin embargo, para llegar a ese punto, a menudo se usan ácidos para descomponer inicialmente el plástico, y la mayoría de los fotocatalizadores no pueden resistir el entorno hostil creado por estos ácidos.

El proceso desarrollado por el equipo de Cambridge funciona en dos etapas principales. Primero, los residuos plásticos se tratan con ácido sulfúrico recuperado de baterías de automóviles usadas, rompiendo las largas cadenas poliméricas en bloques de construcción químicos como el etilenglicol mediante un proceso conocido como hidrólisis. Las baterías de automóviles contienen entre 20% y 40% de ácido por volumen, y se reemplazan en todo el mundo en grandes cantidades cada año. El plomo de estas baterías normalmente se extrae para reventa, pero el ácido crea residuos adicionales una vez que se neutraliza de manera segura.

En las pruebas, cuando el ácido de batería se aplicó a plásticos PET, como el plástico que compone las botellas de bebidas, resultó en dos compuestos químicos: ácido tereftálico (TPA), que se asentó en el fondo y pudo eliminarse fácilmente, y etilenglicol, el componente principal del anticongelante.

Luego se introduce el nuevo catalizador en polvo diseñado por Reisner y su equipo. Este catalizador consta de tres componentes básicos: nitruro de carbono, un polvo amarillento bueno para absorber luz visible; disulfuro de molibdeno, un componente en algunas grasas; y pequeñas cantidades de cobalto, que actuó como una especie de turbocompresor, aumentando la conversión de los componentes plásticos en hidrógeno por un factor de tres.

Una vez introducido a la mezcla de ácido líquido, simplemente exponer el sistema a la luz solar permitió convertir las moléculas de etilenglicol en hidrógeno y ácido acético, el componente principal del vinagre. En las pruebas de laboratorio, el reactor generó altos rendimientos de hidrógeno y produjo ácido acético con alta selectividad. También funcionó durante más de 260 horas sin ninguna pérdida de rendimiento.

"Los ácidos se han utilizado durante mucho tiempo para descomponer los plásticos, pero nunca tuvimos un fotocatalizador barato y escalable que pudiera resistirlos", dijo el autor principal Kay Kwarteng, candidato a doctorado en el grupo de investigación de Reisner, quien desarrolló el fotocatalizador. "Una vez que resolvimos ese problema, las ventajas de este tipo de sistema se hicieron obvias".

El enfoque funciona para múltiples tipos de residuos plásticos, incluso aquellos que actualmente son difíciles de reciclar, como el nailon y el poliuretano. Esto ofrece un avance real para las tecnologías actuales de reciclaje ascendente que no cubren plásticos más allá del PET.

Dado que el catalizador no utiliza metales preciosos, como suele ser el caso con tales productos químicos, es asequible y escalable. Pero lo más crítico es que pudo hacer su trabajo incluso en presencia del ácido agresivo de las baterías de automóviles desechadas. Ese ácido generalmente tiene que neutralizarse antes de que las baterías puedan desecharse adecuadamente, lo cual es un procedimiento que consume muchos recursos.

"Es un recurso sin explotar", dijo Kwarteng. "Si podemos recolectar el ácido antes de que se neutralice, podemos usarlo una y otra vez para descomponer plásticos: es una verdadera situación en la que todos ganan, evitando el costo ambiental de neutralizar el ácido, mientras lo ponemos a trabajar generando hidrógeno limpio".

En cuanto a la viabilidad económica, un modelo tecnoeconómico proporcionado en el estudio sugiere que esta solución será escalable, práctica y rentable. Una planta de tratamiento podría costar alrededor de 7,3 millones de libras esterlinas para financiar, configurar y operar durante un período de 20 años. Dicha planta trataría unos 3.000 kilogramos de plástico PET, generando aproximadamente 9,6 kilogramos de hidrógeno (o un poco menos de dos tanques de combustible para un Toyota Mirai) por día.

La cantidad de hidrógeno producida por el sistema es modesta, por lo que el estudio funciona más como un esfuerzo de prueba de concepto que como un reactor desplegable. Sin embargo, la rentabilidad no proviene principalmente del hidrógeno. Cada día, esos 3.000 kilogramos de plástico se convertirán en 9,6 kilogramos de hidrógeno, más 1.170 kilogramos de TPA, 259,5 kilogramos de ácido acético, 22,2 kilogramos de ácido fórmico y aproximadamente 332 kilogramos de etilenglicol sobrante, todos los cuales pueden venderse.

Según el modelo de costos de los propios investigadores, las ventas de TPA por sí solas cubrirían aproximadamente los costos de la instalación. Agregando el resto, incluida la pequeña producción de hidrógeno, el modelo comienza a parecer rentable.

Los investigadores dicen que su método ofrece una reducción de costos potencial de un orden de magnitud en comparación con otros enfoques de fotorreformado, en gran parte porque el ácido permite mayores tasas de producción de hidrógeno y puede reutilizarse en lugar de consumirse o desperdiciarse.

Kwarteng señala que aunque quedan desafíos, como garantizar que los reactores puedan soportar condiciones corrosivas, la química fundamental es sólida. "Estos ácidos ya se manejan de manera segura en la industria", dijo. "La pregunta ahora es de ingeniería: ¿cómo construimos reactores que puedan funcionar continuamente y manejar residuos del mundo real?"

Los investigadores afirman que su enfoque no reemplazará el reciclaje convencional, pero podría complementarlo manejando plásticos contaminados o mezclados que actualmente no tienen una ruta viable para su reutilización.

"No prometemos solucionar el problema mundial de los plásticos", dijo Reisner. "Pero esto muestra cómo los residuos pueden convertirse en un recurso. El hecho de que podamos crear valor a partir de residuos plásticos usando luz solar y ácido de batería desechado hace que este sea un proceso realmente prometedor".

El equipo planea comercializar este proceso con el apoyo de Cambridge Enterprise, el brazo de innovación de la Universidad, y con una Cuenta de Aceleración de Impacto de UKRI. La investigación fue apoyada en parte por Cambridge Trust, la Royal Academy of Engineering, el Leverhulme Trust, el Isaac Newton Trust y el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC), parte de UK Research and Innovation (UKRI).