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 estar catalizada o no catalizada y se diferencia de otras formas de despolimerización que pueden depender del uso de productos químicos o de 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 , quemándose los componentes volátiles producidos 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 un solo producto o una gama limitada de productos; estas transformaciones suelen ser más valiosas y forman la base de algunas tecnologías de reciclaje de plástico . [2]
Para la mayoría de los materiales poliméricos, la despolimerización térmica se produce de manera desordenada, con escisión aleatoria de la cadena que da una mezcla de compuestos volátiles. El resultado es muy similar a la pirólisis , aunque a temperaturas más altas se produce una 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 inicial, la despolimerización proporciona un material con un mayor poder calorífico que puede quemarse de manera más eficiente y también puede venderse. La incineración también puede producir dioxinas y compuestos similares a las dioxinas nocivas y requiere reactores y sistemas de control de emisiones especialmente diseñados para realizarse de manera segura. Como el paso de despolimerización requiere calor, consume energía, por lo que el equilibrio final de 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 fertilizante , alimento para animales y, en algunos casos, como materia prima para fábricas de papel o como combustible de baja calidad para calderas . La despolimerización térmica puede convertirlos en materiales económicamente más valiosos. Se han desarrollado numerosas tecnologías de biomasa a líquido . En general, los productos bioquímicos contienen átomos de oxígeno que se retienen durante la pirólisis, dando productos líquidos ricos en fenoles y furanos . [4] Estos pueden considerarse parcialmente oxidados y constituyen combustibles de baja calidad. Las tecnologías de licuefacción hidrotermal deshidratan la biomasa durante el procesamiento térmico para producir un flujo de productos más rico en energía. [5] De manera similar, la gasificación produce hidrógeno, un combustible de muy alta energía.
Los residuos plásticos consisten principalmente en plásticos básicos y pueden separarse 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 valor más alto. [7] Asimismo, se puede emplear el hidrocraqueo para obtener productos de GLP . La presencia de PVC puede resultar problemática, ya que su despolimerización térmica genera grandes cantidades de HCl , que puede corroer los equipos y provocar una cloración no deseada de los productos. Debe excluirse o compensarse mediante la instalación de 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] Históricamente, las tecnologías de conversión de plástico en combustible han luchado por ser económicamente viables debido a los costos de recolectar y clasificar el plástico y al valor relativamente bajo del combustible producido. [9] Las plantas grandes se consideran más económicas que las más pequeñas, [10] [11] pero requieren más inversión para construirlas.
Sin embargo, el método puede dar lugar a 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 las emisiones netas de gases de efecto invernadero. El estudio demostró entonces que, cuando se contabilizan todos los costes energéticos desde la cuna hasta la tumba, quemar en un horno de cemento era muy superior. El combustible para hornos de cemento obtuvo -61,1 kg de CO 2 equivalente en comparación con +905 kg de CO 2 eq. También le fue mucho peor en términos de reducción de vertederos en comparación con el combustible para hornos. [13] Otros estudios han confirmado que los programas de pirólisis de plásticos como combustible también consumen más 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 neumáticos contiene un alto contenido de azufre, lo que le otorga un alto potencial como contaminante y requiere hidrodesulfuración antes de su uso. [16] [17] El área enfrenta obstáculos legislativos, económicos y de marketing. [18] En la mayoría de los casos, los neumáticos simplemente se incineran como combustible derivado de los neumáticos .
El tratamiento térmico de residuos municipales puede implicar la despolimerización de una gama muy amplia de compuestos, incluidos plásticos y biomasa. Las tecnologías pueden incluir la incineración simple, así como la pirólisis, la gasificación y la gasificación por plasma . Todos estos pueden acomodar materias primas mixtas y contaminadas. La principal ventaja es la reducción del volumen de residuos, especialmente 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, y 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 una gama única o limitada de productos. Al 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 inicial y, cuando se recicla nuevamente para obtener un polímero nuevo, se denomina reciclaje 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 de hemicelulosa catalizado por ácido 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 PTFE , Nylon 6 , poliestireno y PMMA [23] se someten a despolimerización para dar sus monómeros iniciales . Estos se pueden volver a convertir en plástico nuevo, un proceso llamado reciclaje químico o de materia prima. [24] [25] [26] En teoría, esto ofrece una reciclabilidad infinita, pero también es más costoso y tiene una huella de carbono más alta que otras formas de reciclaje de plástico; sin embargo, en la práctica esto todavía produce un producto inferior con costos de energía más altos que el polímero virgen. producción en el mundo real debido a la contaminación.
Aunque actualmente rara vez se emplea, la gasificación del carbón históricamente se ha realizado 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 se diferencia en que contiene un proceso hidratado seguido de un proceso de craqueo/destilación anhidro.
Los polímeros de condensación que dejan al descubierto grupos escindibles como ésteres y amidas también pueden despolimerizarse completamente mediante hidrólisis o solvólisis ; esto 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 costes energéticos. Hasta ahora, el tereftalato de polietileno ha sido el polímero más estudiado. [32] Se ha sugerido que los residuos de plástico podrían convertirse en otras sustancias químicas valiosas (no necesariamente monómeros) mediante la acción microbiana; [33] [34] dicha tecnología aún está en su infancia.
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