Es liviano, de bajo costo, casi infinitamente personalizable y preocupantemente omnipresente: a pesar de todos sus beneficios, el plástico, y los desechos plásticos, son un gran problema. A diferencia del vidrio, que es infinitamente reciclable, el reciclaje de plástico es desafiante y costoso debido a la compleja estructura molecular del material diseñada para necesidades específicas.
A nivel mundial, cada año se producen aproximadamente 380 millones de toneladas métricas de plástico. Sin embargo, solo alrededor del 9 por ciento de todos los desechos plásticos se recicla, alrededor del 12 por ciento se incinera y el resto se desecha en vertederos y en el medio ambiente natural.
Una nueva investigación del laboratorio de Giannis Mpoumpakis, profesor asociado de ingeniería química y petrolera en la Universidad de Pittsburgh, se enfoca en optimizar una tecnología prometedora llamada pirólisis, que puede reciclar químicamente los desechos plásticos en productos químicos más valiosos. El artículo se publicó recientemente y apareció en la portada de la Revista de teoría química y computación de la American Chemical Society (ACS).
« La pirólisis tiene un costo relativamente bajo y puede generar productos de alto valor, por lo que presenta una solución práctica y atractiva », dijo Mpourmpakis. « Ya se ha desarrollado a escala comercial. El principal desafío ahora es encontrar las condiciones operativas óptimas, dados los productos químicos iniciales y finales, sin necesidad de depender en gran medida de la experimentación de prueba y error ».
Para optimizar las condiciones de pirólisis y producir los productos deseados, los investigadores suelen utilizar cálculos termodinámicos basados en lo que se conoce como el enfoque de minimización de energía libre de Gibbs. Sin embargo, la falta de datos termoquímicos puede limitar la precisión de estos cálculos.
Si bien los cálculos de la teoría funcional de la densidad (DFT) se usan comúnmente para obtener datos termoquímicos precisos para moléculas pequeñas, su aplicación se vuelve desafiante y costosa desde el punto de vista computacional para las moléculas grandes y flexibles que componen los desechos plásticos, especialmente a temperaturas elevadas de pirólisis.
En este estudio, Mpourmpakis y el ex postdoctorado Hyunguk Kwon, que ahora es profesor en la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Seúl, desarrollaron un marco computacional para calcular con precisión la termoquímica dependiente de la temperatura de moléculas grandes y flexibles. Este marco combina búsqueda conformacional, cálculos DFT, correcciones termoquímicas y estadísticas de Boltzmann; los datos termoquímicos resultantes se utilizan para predecir los perfiles de descomposición térmica del octadecano, un compuesto modelo que representa al polietileno.
El análisis computacional propuesto basado en primeros principios ofrece un avance significativo en la predicción de distribuciones de productos dependientes de la temperatura a partir de la pirólisis plástica. Puede guiar los futuros esfuerzos experimentales en el reciclaje químico de plásticos, lo que permite a los investigadores optimizar las condiciones de pirólisis y aumentar la eficiencia de la conversión de residuos plásticos en productos químicos valiosos.
« Se espera que la producción de plásticos siga aumentando, por lo que es esencial que encontremos y perfeccionemos formas de reciclar y reutilizar plásticos sin dañar el medio ambiente », dijo Mpourmpakis. « Este trabajo, que ha sido financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, contribuye al desarrollo de estrategias de gestión sostenible de residuos y la reducción de la contaminación por plásticos, ofreciendo beneficios potenciales tanto para el medio ambiente como para la sociedad ».