La despolimerización térmica ( TDP ) es el proceso de convertir un polímero en un monómero o una mezcla de monómeros, [1] por medios predominantemente térmicos. Puede ser catalizada o no catalizada y se diferencia de otras formas de despolimerización que pueden depender del uso de productos químicos o de la acción biológica. Este proceso está asociado con un aumento de la entropía .
Para la mayoría de los polímeros, la despolimerización térmica es un proceso caótico que da lugar a una mezcla de compuestos volátiles . Los materiales pueden despolimerizarse de esta manera durante la gestión de residuos , y los componentes volátiles producidos se queman como una forma de combustible sintético en un proceso de conversión de residuos en energía . Para otros polímeros, la despolimerización térmica es un proceso ordenado que da lugar a un único producto o a una gama limitada de productos; estas transformaciones suelen ser más valiosas y forman la base de algunas tecnologías de reciclaje de plásticos . [2]
En la mayoría de los materiales poliméricos, la despolimerización térmica se produce de forma desordenada, con una escisión aleatoria de la cadena que da lugar a una mezcla de compuestos volátiles. El resultado es muy similar a la pirólisis , aunque a temperaturas más altas se produce la gasificación . Estas reacciones se pueden observar durante la gestión de residuos , donde los productos se queman como combustible sintético en un proceso de conversión de residuos en energía . En comparación con la simple incineración del polímero de partida, la despolimerización da lugar a un material con un valor calorífico superior , que se puede quemar de forma más eficiente y también se puede vender. La incineración también puede producir dioxinas nocivas y compuestos similares a las dioxinas y requiere reactores especialmente diseñados y sistemas de control de emisiones para poder realizarse de forma segura. Como el paso de despolimerización requiere calor, consume energía; por lo tanto, el equilibrio final de la eficiencia energética en comparación con la incineración directa puede ser muy ajustado y ha sido objeto de críticas. [3]
Muchos desechos agrícolas y animales pueden procesarse, pero a menudo ya se utilizan como fertilizantes , alimento para animales y, en algunos casos, como materias primas para fábricas de papel o como combustible de calderas de baja calidad . La despolimerización térmica puede convertirlos en materiales económicamente más valiosos. Se han desarrollado numerosas tecnologías de biomasa a líquido . En general, los bioquímicos contienen átomos de oxígeno, que se retienen durante la pirólisis, dando lugar a productos líquidos ricos en fenoles y furanos . [4] Estos pueden considerarse parcialmente oxidados y dar lugar a combustibles de baja calidad. Las tecnologías de licuefacción hidrotermal deshidratan la biomasa durante el procesamiento térmico para producir una corriente de producto más rica en energía. [5] De manera similar, la gasificación produce hidrógeno, un combustible de muy alta energía.
Los residuos plásticos consisten principalmente en plásticos comerciales y pueden clasificarse activamente de los residuos municipales . La pirólisis de plásticos mixtos puede dar una mezcla bastante amplia de productos químicos (entre aproximadamente 1 y 15 átomos de carbono), incluidos gases y líquidos aromáticos. [6] Los catalizadores pueden dar un producto mejor definido con un mayor valor. [7] Asimismo, el hidrocraqueo se puede emplear para dar productos de GLP . La presencia de PVC puede ser problemática, ya que su despolimerización térmica genera grandes cantidades de HCl , que puede corroer el equipo y causar una cloración indeseable de los productos. Debe excluirse o compensarse instalando tecnologías de decloración. [8] El polietileno y el polipropileno representan poco menos de la mitad de la producción mundial de plástico y, al ser hidrocarburos puros , tienen un mayor potencial de conversión en combustible. [9] Las tecnologías de plástico a combustible históricamente han luchado por ser económicamente viables debido a los costos de recolección y clasificación del plástico y el valor relativamente bajo del combustible producido. [9] Se considera que las plantas grandes son más económicas que las más pequeñas, [10] [11] pero requieren mayor inversión para su construcción.
Sin embargo, el método puede dar como resultado una leve disminución neta de las emisiones de gases de efecto invernadero , [12] aunque otros estudios lo cuestionan. Por ejemplo, un estudio de 2020 publicado por Renolds sobre su propio programa Hefty EnergyBag muestra emisiones netas de gases de efecto invernadero. El estudio mostró que, cuando se suman todos los costos de energía de la cuna a la tumba, la quema en un horno de cemento fue muy superior. El combustible del horno de cemento obtuvo una puntuación de -61,1 kg de CO2 equivalentes en comparación con +905 kg de CO2 equivalentes . También obtuvo un resultado mucho peor en términos de reducción de vertederos en comparación con el combustible del horno. [13] Otros estudios han confirmado que los programas de pirólisis de plásticos para combustible también son más intensivos en energía. [14] [15]
Para la gestión de residuos de neumáticos, la pirólisis de neumáticos también es una opción. El aceite derivado de la pirólisis del caucho de los neumáticos contiene un alto contenido de azufre, lo que le da un alto potencial como contaminante y requiere hidrodesulfuración antes de su uso. [16] [17] El área enfrenta obstáculos legislativos, económicos y de comercialización. [18] En la mayoría de los casos, los neumáticos simplemente se incineran como combustible derivado de neumáticos .
El tratamiento térmico de los residuos municipales puede implicar la despolimerización de una amplia gama de compuestos, incluidos los plásticos y la biomasa. Las tecnologías pueden incluir la incineración simple, así como la pirólisis, la gasificación y la gasificación por plasma . Todas ellas pueden dar cabida a materias primas mixtas y contaminadas. La principal ventaja es la reducción del volumen de los residuos, en particular en zonas densamente pobladas que carecen de sitios adecuados para nuevos vertederos . En muchos países, la incineración con recuperación de energía sigue siendo el método más común, mientras que las tecnologías más avanzadas se ven obstaculizadas por obstáculos técnicos y de costos. [19] [20]
Algunos materiales se descomponen térmicamente de manera ordenada para dar lugar a un único producto o a una gama limitada de ellos. Por el hecho de ser materiales puros, suelen ser más valiosos que las mezclas producidas por despolimerización térmica desordenada. En el caso de los plásticos, este suele ser el monómero de partida y, cuando se recicla para obtener un polímero nuevo, se denomina reciclado de materia prima. En la práctica, no todas las reacciones de despolimerización son completamente eficientes y, a menudo, se observa cierta pirólisis competitiva.
Las biorrefinerías convierten desechos agrícolas y animales de bajo valor en productos químicos útiles. La producción industrial de furfural mediante el tratamiento térmico catalizado por ácido de la hemicelulosa se lleva a cabo desde hace más de un siglo. La lignina ha sido objeto de importantes investigaciones para la producción potencial de BTX y otros compuestos aromáticos, [21] aunque dichos procesos aún no se han comercializado con un éxito duradero. [22]
Ciertos polímeros como el PTFE , el nailon 6 , el poliestireno y el PMMA [23] se someten a una despolimerización para dar lugar a sus monómeros iniciales . Estos se pueden volver a convertir en plástico nuevo, un proceso denominado reciclado químico o de materias primas. [24] [25] [26] En teoría, esto ofrece una reciclabilidad infinita, pero también es más caro y tiene una mayor huella de carbono que otras formas de reciclaje de plástico; sin embargo, en la práctica, esto sigue produciendo un producto inferior a unos costes energéticos más elevados que la producción de polímeros vírgenes en el mundo real debido a la contaminación.
Aunque rara vez se emplea actualmente, la gasificación del carbón se ha realizado históricamente a gran escala. La despolimerización térmica es similar a otros procesos que utilizan agua sobrecalentada como fase principal para producir combustibles, como la licuefacción hidrotermal directa . [27] Estos son distintos de los procesos que utilizan materiales secos para despolimerizar, como la pirólisis . El término conversión termoquímica (TCC) también se ha utilizado para la conversión de biomasa en aceites, utilizando agua sobrecalentada, aunque se aplica más habitualmente a la producción de combustible mediante pirólisis. [28] [29] Se dice que una planta de demostración que se pondrá en marcha en los Países Bajos es capaz de procesar 64 toneladas de biomasa ( base seca ) por día en petróleo. [30] La despolimerización térmica difiere en que contiene un proceso hidratado seguido de un proceso de craqueo/destilación anhidro.
Los polímeros de condensación que contienen grupos escindibles, como ésteres y amidas, también pueden despolimerizarse completamente por hidrólisis o solvólisis ; este puede ser un proceso puramente químico, pero también puede ser promovido por enzimas. [31] Estas tecnologías están menos desarrolladas que las de despolimerización térmica, pero tienen el potencial de reducir los costos de energía. Hasta ahora, el tereftalato de polietileno ha sido el polímero más estudiado. [32] Se ha sugerido que los desechos plásticos podrían convertirse en otros productos químicos valiosos (no necesariamente monómeros) por acción microbiana, [33] [34] pero dicha tecnología aún está en sus inicios.
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