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Catálisis como proceso promotor a la síntesis y el reciclado de los materiales plásticos

Categoría: Economía circular en la industria del plástico¿En qué consiste la catálisis?En general, la catálisis permite que los procesos tengan un menor impacto ambiental y sean menos costosos al disminuir los requerimientos energéticos, reducir los subproductos formados y eliminar los vertidos contaminantes. La catálisis implica una alternativa interesante para las empresas implicadas en la industria química, ya que permite optimizar la obtención de productos ya conocidos, desarrollar nuevos métodos de síntesis y crear nuevos productos químicos para una infinidad de aplicaciones tales como la obtención de combustibles, energía, plásticos, pinturas y eliminación de agentes contaminantes, entre otras.
La catálisis implica el estudio de los fenómenos que ocurren cuando un catalizador disminuye la barrera energética que dificulta la reacción entre las moléculas.
De igual forma, es importante entender que un catalizador es una sustancia química capaz de aumentar la velocidad de reacción tanto directa como indirectamente para la obtención de productos y la selectividad de los reactantes transformándolos en diferentes productos. Este efecto se produce debido a que en la reacción catalizada la energía de activación de la etapa limitante es más baja que la del proceso no catalizado, además el catalizador actúa estabilizando el estado de transición sin consumirse ni afectando a las características termodinámicas del proceso (calor, trabajo, equilibrio). Es importante resaltar que los catalizadores pueden sufrir cambios reversibles o irreversibles, como su envenenamiento, provocando que la vida o estabilidad y la regeneración de este, supongan un factor clave en la viabilidad del proceso catalítico.

Tipos de catálisisEs común distinguir el tipo de catálisis en función del número de fases presentes en la reacción, pudiendo ser homogénea, heterogénea, heterogeneizada y enzimática.



Catálisis homogéneaSe considera catálisis homogénea aquella que comprende sistemas formados por una sola fase, es decir, tanto los reactivos como los catalizadores se encuentran en la misma fase, la cual generalmente suele ser líquida. Las principales propiedades que presenta este tipo de catálisis son activas en todo el volumen, implican un mayor coste de separación, generan una etapa posterior de tratamiento de subproductos y se obtienen velocidades de reacción más rápidas en comparación con la heterogénea.

Catálisis heterogéneaLa catálisis heterogénea, por el contrario, tiene lugar cuando el catalizador se encuentra en una fase distinta a la de los reactantes y productos, pudiendo ser las fases sólido-líquido y sólido-gas entre otras. La reacción transcurre en la superficie del catalizador la cual dispone de centros activos (puntos donde se lleva a cabo la reacción). Entre sus principales características destaca una elevada especificidad, ya que la actividad solo se da en los centros activos localizados en la superficie del catalizador; fácil recuperación del mismo, mayor estabilidad, mayor coste inicial, óptimo para procesos en continuo; mayor tiempo de vida del catalizador y menor impacto medioambiental debido a la reutilización del mismo.

Catálisis heterogeneizadaLa catálisis heterogeneizada emplea catalizadores que presentan fenómenos de superficie, es decir, no están en la misma fase, pero pueden generar compuestos que se disuelvan, se involucren en un ciclo de catálisis homogénea y generen nuevamente los catalizadores heterogeneizados permitiendo adquirir una sinergia entre las propiedades heterogéneas y homogéneas favoreciendo el efecto catalítico. Entre las principales características de este tipo de catalizadores destaca una fácil separación y recuperación, buena multifuncionalidad, elevada estabilidad, alta reactividad, menor actividad comparada con la homogénea y difícil elaboración y elevado coste de elaboración.

Catálisis enzimáticaLa catálisis enzimática se puede llevar a cabo tanto de forma homogénea como heterogénea, con la diferencia de que el catalizador encargado de promover la reacción es una enzima. Las enzimas son catalizadores biológicos que encontramos en la naturaleza. Concretamente son macromoléculas de naturaleza proteica que dan lugar a disoluciones coloidales que en determinados casos tienen asociadas otras unidades pequeñas como los grupos prostéticos o las coenzimas. Las principales ventajas a destacar en este tipo de catálisis son su elevada selectividad, alta eficiencia, elevada especificidad, fácil recuperación y reutilización de las enzimas inmovilizadas, válidas para una gran cantidad de reacciones (hidrólisis, polimerizaciones por apertura de anillo, condensaciones, etc.), no generan residuos tóxicos y se llevan a cabo condiciones de reacción moderadas.

Ejemplos de reactores catalíticos



Experiencia de AIMPLAS en la catálisisAIMPLAS es un centro de investigación especializado en la síntesis de polímeros llevada a cabo en presencia de catalizadores. AIMPLAS está llevando a cabo diversos proyectos donde la catálisis ofrece un amplio abanico de posibilidades y ventajas en el desarrollo de procesos más sostenibles tanto en la síntesis de polímeros como en el reciclado y mejora del compostaje de los plásticos. Entre estos desarrollos cabe destacar el proyecto ENZPLAST, donde se evaluaron nuevos métodos para la síntesis de materiales plásticos, llevando a cabo reacciones mediante catálisis enzimática para la obtención de diversos poliésteres reduciendo el consumo energético y la toxicidad en comparación con el uso de catalizadores metálicos. De igual forma, en su segunda anualidad, el proyecto ENZPLAST-2 consiguió demostrar la eficiencia de la catálisis enzimática para alcanzar elevados rendimientos de degradación de los plásticos.

Asimismo, desde AIMPLAS se ha propuesto estudiar la viabilidad de un nuevo reto orientado al reciclaje químico de plásticos llevando a cabo diversos proyectos en donde el empleo tanto de catálisis homogénea como heterogénea permiten transformar los residuos plásticos como productos textiles en nuevos materiales de valor añadido.

Cabe mencionar que el reciclado químico consiste en la ruptura de la cadena polimérica mediante temperatura o mediante la acción de un agente químico, un disolvente; o biológico produciendo sustancias de menor tamaño de interés para la industria. El empleo de catalizadores tanto homogéneos como heterogéneos en procesos de solvólisis, craqueo biológico, reciclado enzimático o incluso pirólisis han permitido obtener resultados satisfactorios. Como es el caso del proyecto RESPECT, en el cual se ha podido reducir el tiempo de solvólisis (ruptura de cadena por acción de un disolvente) de polímeros obtenidos por condensación mediante el empleo de catalizadores, obteniendo de esta forma, sustancias de elevada calidad con un menor gasto energético del proceso hasta un 80%. Del mismo modo, desde AIMPLAS se alcanzó un rendimiento de hasta un 70% en la degradación de polímeros de poliuretano a partir de catálisis enzimática llevado a cabo en el proyecto ENZPLAST-2.

Es de especial interés el uso de catalizadores en la conversión del CO2, ya que es una molécula muy estable y requiere de una alta energía de activación. Desde en AIMPLAS se ha trabajado en proyectos comoPUCO2 donde se emplea catalizadores tipo MOF/GO para la síntesis de carbonatos cíclicos a partir de CO2 obtenido de las emisiones industriales. Así mismo, el proyecto SOSCO2 se centra en la captura del CO2 para posteriormente convertirlo en compuestos de alto valor añadido para la industria química como el etileno, los policarbonatos o los ácidos carboxílicos gracias a procesos termoquímicos y electroquímicos basados en el uso de catalizadores.

Autor/a: Daniela Andrea Ramírez Espinosa, Operaciones de Tecnologías – AIMPLAS

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Fecha publicación: 09/12/2021

Fuente: AIMPLAS - Blog