El plástico es uno de los materiales más versátiles del mundo, incluso al final de su vida útil. En un nuevo esfuerzo por valorizar y reintegrar los residuos en la cadena de valor, un equipo de investigadores chinos busca convertirlos en combustible de aviación a bajo costo.
El equipo, integrado por científicos del Instituto de Investigación Avanzada de Shangái de la Academia China de Ciencias y la Universidad de Fudan, se basa en la hidrogénolisis de poliolefinas. La reacción se desarrolla en condiciones relativamente suaves y ofrece una selectividad de producto ajustable, lo que permite a los investigadores dirigir la conversión hacia los rangos de hidrocarburos deseados.
El principal avance consiste en un catalizador bimetálico de níquel y cobalto soportado sobre sílice, identificado como 10Ni-2Co/SiO₂. En pruebas de laboratorio, el material permitió obtener un rendimiento de productos líquidos de 82.3% y una selectividad de 79% hacia hidrocarburos C8-C16, el intervalo molecular asociado con componentes del queroseno de aviación.
¿Por qué utilizar Polietileno y Polipropileno?
Las poliolefinas se encuentran entre los plásticos de mayor producción y consumo en el mundo. Este grupo incluye al Polietileno de Alta Densidad (HDPE), el Polietileno de Baja Densidad (LDPE) y el Polipropileno, materiales utilizados ampliamente en envases, películas, bolsas, tapas, componentes automotrices y numerosos productos de consumo.
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Su estructura está formada principalmente por largas cadenas de carbono e hidrógeno. En teoría, estas cadenas pueden descomponerse y reorganizarse para producir hidrocarburos líquidos con características similares a las fracciones empleadas en combustibles.
El problema es que los enlaces carbono-carbono de las poliolefinas son muy estables. Esta propiedad explica buena parte de su resistencia y durabilidad durante el uso, pero también dificulta su transformación química al final de su vida útil.
El reto de evitar la producción excesiva de metano
Uno de los principales obstáculos de la hidrogenólisis de poliolefinas es controlar dónde se rompen las cadenas moleculares.
Los enlaces ubicados en los extremos de las cadenas tienden a reaccionar con mayor facilidad que los enlaces internos. Cuando la fragmentación ocurre de manera excesiva, el proceso genera principalmente hidrocarburos ligeros y gases como el metano, en lugar de los productos líquidos de mayor valor que buscan los investigadores.
Para superar esta limitación, el equipo chino incorporó cobalto a un catalizador basado en níquel. Esta combinación modifica el estado electrónico del níquel y favorece un equilibrio entre la ruptura de las cadenas, la hidrogenación de los fragmentos y la liberación de los productos formados.
De acuerdo con el estudio, la presencia de cobalto ayuda a dirigir la reacción hacia la ruptura selectiva de enlaces internos, al tiempo que reduce el craqueo excesivo. El resultado es una mayor concentración de hidrocarburos de tamaño medio dentro del rango C8-C16.
Conversión bajo condiciones relativamente moderadas
Las pruebas se realizaron a una temperatura de 280 °C y una presión de hidrógeno de 3 MPa. Bajo estas condiciones, el catalizador alcanzó:
- Un rendimiento de productos líquidos de 82.3%
- Una selectividad de 79% hacia hidrocarburos C8-C16
- Una menor formación de productos gaseosos derivados del craqueo excesivo
Los científicos utilizaron cálculos de teoría del funcional de la densidad, espectroscopia infrarroja in situ y análisis cinéticos para estudiar el comportamiento del catalizador y comprender el mecanismo que favorece la ruptura de determinados enlaces carbono-carbono.
Otra ventaja potencial es que el níquel y el cobalto resultan más accesibles que metales nobles como el rutenio o el platino, empleados en otros procesos de hidrogenólisis. Esto podría reducir el costo del catalizador y facilitar una futura ampliación de escala.
No obstante, conviene precisar que los hidrocarburos C8-C16 obtenidos son componentes dentro del intervalo molecular del combustible de aviación. El estudio no demuestra todavía la producción directa de un combustible terminado, certificado y listo para utilizarse en aeronaves. Para ello serían necesarias etapas adicionales de refinación, formulación y evaluación conforme a las especificaciones técnicas del sector aeronáutico.
¿Puede reducir las emisiones de la aviación?
El análisis de ciclo de vida presentado por los investigadores indica que el proceso podría reducir hasta 80% las emisiones de gases de efecto invernadero frente a las rutas convencionales de producción, siempre que la energía y el hidrógeno utilizados procedan de fuentes de baja emisión.
Esta estimación depende de factores como el origen de la electricidad, la producción del hidrógeno, el transporte y acondicionamiento de los residuos, la eficiencia energética del reactor y el tratamiento posterior de los hidrocarburos.
Además, convertir residuos plásticos en combustible no elimina el carbono contenido en el material. Los hidrocarburos liberarán dióxido de carbono durante su combustión, por lo que el beneficio ambiental potencial radicaría principalmente en sustituir parte de la materia prima fósil virgen y aprovechar residuos que no puedan reincorporarse mediante reciclaje mecánico.
Una tecnología que aún debe superar la escala de laboratorio
Aunque los resultados son prometedores, el proceso permanece en una fase experimental. Su viabilidad industrial dependerá de mantener el rendimiento y la selectividad en reactores de mayor capacidad, así como de comprobar la estabilidad del catalizador durante periodos prolongados.
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El acondicionamiento de los residuos será otro desafío. Los plásticos posconsumo pueden contener restos orgánicos, pigmentos, cargas minerales, aditivos, cloro y otros contaminantes capaces de disminuir la actividad del catalizador o provocar su desactivación.
También será necesario evaluar el consumo de hidrógeno, la recuperación del catalizador, el costo del pretratamiento y la calidad de los productos obtenidos a partir de corrientes reales de residuos mezclados.
Pese a estas limitaciones, el trabajo presenta una alternativa para valorizar residuos de Polietileno y Polipropileno difíciles de reciclar por otras vías. Si logra avanzar hacia una operación estable y competitiva, la tecnología podría complementar los sistemas de reciclaje existentes y ampliar las opciones para recuperar el carbono contenido en los residuos plásticos.
Los datos técnicos de rendimiento, selectividad y condiciones de reacción coinciden con la reseña de la investigación sobre el catalizador 10Ni-2Co/SiO₂.
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