La conversión del plástico en combustible

Entrevista a Marta Muñoz Hernández, profesora e investigadora, Área de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Universidad Rey Juan Carlos 

¿Qué es la Ciencia de los Materiales?

La Ciencia de los Materiales es la rama científica que se encarga de estudiar la estructura de la materia, tanto a nivel microscópico como macroscópico. Esta estructura atómica está íntimamente relacionada con las propiedades que presentan los materiales.

Esta ciencia está vinculada también con la ingeniería de los materiales, que relaciona propiedades, estructura y sus diferentes técnicas de procesado, es decir, las distintas tecnologías de fabricación que permiten diseñar nuevos productos con diferentes aplicaciones.

Los materiales tienen aplicaciones en muchos ámbitos de la sociedad en el transporte, en la medicina, la energía, mecánica, ecología, nanotecnología, etc.… La ciencia de los materiales nos envuelve completamente en nuestro día a día: dónde vivimos, dónde trabajamos, el medio de transporte que usamos para desplazarnos, la ropa con la que nos vestimos…, Todo está fabricado con materiales y es importante estudiar sus estructuras, sus propiedades y sus aplicaciones.

¿Qué tipos de materiales hay?

Existen muchas clasificaciones de los materiales, una de las más habituales los divide en cuatro grandes grupos:

Uno de ellos son los materiales metálicos. Con una estructura atómica específica y unas propiedades características como son: alta conductividad (tanto eléctrica y calorífica), alta dureza y resistencia, y tienen baja resistencia a la corrosión. Estas propiedades típicas de los metales son consecuencia directa de la estructura microscópica que tienen, esto es, de cómo se dispongan los átomos en el espacio.

Otro de los grupos son los materiales cerámicos. Estos tienen otra estructura diferente y, por tanto, otra organización atómica y molecular diferente. Así pues, presentan propiedades distintas: son materiales duros y rígidos pero frágiles, ya que no se deforman y son muy resistentes a la corrosión.

También tenemos el grupo de los materiales poliméricos o plásticos. Muchas veces usamos ambos términos de manera indistinta, aunque hay algunas diferencias entre ellos como veremos enseguida. Los polímeros son largas cadenas de mayoritariamente carbono e hidrógeno unidas entre sí. Su estructura consiste en la unión de muchos monómeros, como si fueran las cuentas de un largo collar, y cada una de las cuentas es una unidad monomérica. Al unir un monómero con otro se forma un dímero, si se añade otro más se forma un trímero, y así va aumentando la cantidad de unidades monoméricas hasta constituir un polímero, que es una cadena de miles o incluso millones de monómeros. Los polímeros son ligeros, blandos, fácilmente deformables y poco resistentes, pero sin embargo resisten muy bien los ambientes corrosivos.

Y, por último, los materiales compuestos, son fabricados por combinación de cualquiera de los materiales de los grupos anteriores. Uno de los materiales compuestos más conocidos son aquellos en los que la matriz, componente mayoritario, es polimérica. Así por ejemplo tenemos los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibra de vidrio o con fibra de carbono, ampliamente utilizados en el campo de la aeronáutica, donde, gracias a sus excepcionales propiedades, han conseguido desplazar a los metales. Los materiales compuestos presentan prestaciones superiores, pero sin embargo son más difíciles de reciclar ya que es necesario separar cada uno de los componentes para su correcto tratamiento.

¿Cómo puede contribuir la ciencia de los materiales a la lucha contra el cambio climático?

La ciencia e ingeniería de los materiales estudia nuevos materiales con propiedades interesantes en muy diversos campos.

Por ejemplo, en la construcción el diseño y fabricación de nuevos puede contribuir a frenar el cambio climático, con la utilización de ladrillos ecológicos que incorporan parte de plástico reciclado, tejas fotovoltaicas para el ahorro energético, materiales autorreparables y autolimpiables contribuyendo además al ahorro de agua.

Gracias al desarrollo y diseño de los materiales se han conseguido sistemas de iluminación mucho más eficientes y que permiten un considerable ahorro de energía. Los LEDs están sustituyendo las tradicionales bombillas de wolframio o a las lámparas de sodio.

Se trabaja además sobre nuevos materiales para pilas y baterías de mayor capacidad y más eficientes, para fabricar coches eléctricos, nuevos materiales para utilizar el hidrógeno como forma de energía, etc.

Y se estudian también los procesos de fabricación de estos materiales para minimizar la generación de residuos.

¿Por qué es tan nocivo el plástico y son todos los plásticos igual de “malos”?

A nivel medioambiental, los plásticos (que son polímeros a los que se les ha añadido un aditivo para mejorar alguna de sus propiedades) presentan una propiedad a priori muy atractiva que es su durabilidad, pero a la larga se transforma en su peor enemigo. Son materiales tan duraderos que una vez que ha finalizado el ciclo de vida útil del producto, no son fácilmente asimilables por la naturaleza. Esto es, tardan tanto en degradarse que acaban convirtiéndose en un residuo persistente.

El uso de microplásticos en la industria de los cosméticos o el propio proceso de degradación de un plástico, que aunque lento, puede generar microplásticos que acaban en las aguas de los océanos y ríos entrando a formar parte de la cadena trófica y en el sistema alimenticio humano. Pero el principal problema de los plásticos es que, una vez finalizado su ciclo de vida útil, persiste en la naturaleza sin degradarse, y puede llegar a tardar entre 400 y 1000 años en desintegrarse.

El gobierno chino compraba todos los residuos plásticos a muchos de los países industrializados, hasta el 2018, año en que se prohibió esta práctica. ¿Por qué? Porque estos residuos tienen un valor muy elevado, tanto material como energético. Los polímeros provienen del petróleo, y este valor del petróleo permanece en cualquier producto plástico procesado. Por ejemplo, si tenemos una botella de plástico, podemos revertir el proceso y volver a transformarla en petróleo o en cualquier otra fracción de combustible. El resultado es que, desde 2018, tenemos una acumulación mayor de residuos plásticos en la mayoría de los países que requiere una solución urgente.

Los residuos plásticos son el nuevo oro. Podemos transformarlos en combustibles o en nuevos productos con valor añadido. Son por tanto una materia prima muy útil y estamos obligados a extraer su valor tanto material como energético.

Colaboras con el MIT en el proyecto “Plastic waste to alternative fuels”. ¿En qué consiste ese proyecto?

La idea que nosotros proponíamos era un tanto disruptiva y arriesgada porque intentaba unificar dos campos científicos muy diferentes el reciclado de plásticos y el electromagnetismo. Por un lado, proponíamos utilizar nanopartículas magnéticas que bajo la acción de campos electromagnéticos alternos de alta frecuencia generasen calor, y, por otro lado, utilizar ese calor en los procesos de craqueo o descomposición de plásticos.

La idea era utilizar esta gran cantidad de energía liberada por estas nanopartículas magnéticas bajo campos de radiofrecuencia para romper los enlaces de los plásticos y transformarlos en diferentes fracciones de combustibles. Esta idea llamó la atención de Alan Hatton director del departamento de Ingeniería Química del MIT y nos concedieron una beca de colaboración en enero de 2019, comenzando un programa de intercambio de estudiantes y profesores entre el MIT y la Universidad Rey Juan Carlos.

La tecnología propuesta también ha resultado atractiva a empresas como Cepsa y además han participado dos investigadores post doctorales becados por la Unión Europea con becas Marie Curie.

Actualmente, nos han concedido un proyecto de Investigación en la convocatoria de Transición Ecológica y Digital 2021, coordinado con el Instituto de Magnetismo Aplicado, con el que pretendemos pasar de la escala de laboratorio a la escala semi industrial. Este proyecto proporcionará la financiación para avanzar en esta innovadora tecnología y permitiendo su escalado, ya que se ha probado que es una tecnología que funciona y es eficiente a pequeña escala, y puede ser una buena alternativa en estos momentos actuales de transición ecológica.

¿El objetivo final de esta investigación es lograr sustituir el combustible fósil?

El objetivo de este proyecto es sustituir los combustibles fósiles de manera gradual, no se puede erradicar de la noche a la mañana el uso de este tipo de combustibles. El objetivo es transformar los residuos plásticos en combustibles, minimizando y eliminando la acumulación de este tipo de residuos y disminuyendo la actual dependencia del petróleo. Pero los plásticos también se pueden transformar en nuevos productos que sirvan de materias primas para otros procesos. Para entenderlo bien hay que profundizar un poco más en el concepto de reciclaje de residuos plásticos.

Existen dos tipos de reciclaje de plásticos. Por una parte, el reciclado físico, en el que se funden aquellos polímeros que sean reciclables, los termoplásticos, y se les da una nueva forma y un nuevo ciclo de vida. Por ejemplo, fundiendo una botella de plástico podemos convertirla en una lona y ésta a su vez cuando finalice su ciclo de vida útil, se puede transformar en una manguera, y así sucesivamente. En este tipo de enlace se realizan únicamente operaciones de naturaleza física.

Por otra parte, el reciclaje químico, que es la tecnología que estamos trabajando, está basado en ruptura y formación de nuevos enlaces a través de reacciones químicas, alterando por tanto la naturaleza de la materia. Acortando las largas cadenas de polímero podemos volver a la materia prima inicial o a nuevos bloques constructivos para fabricar nuevos productos.

Si el reciclaje químico rompe las cadenas poliméricas en cadenas muy cortas, tenemos fracciones del petróleo muy ligeras obteniendo metano, etano, propano o butano, fracciones gaseosas, formadas por pocos átomos de carbono. Si cortamos los polímeros en fracciones un poco más pesadas, obtenemos las gasolinas, en torno a 8 átomos de carbono de ahí el término de octanaje. Si se fracciona en cadenas algo mayores obtenemos diesel o queroseno.

Así pues, básicamente este reciclado químico consiste en cortar las largas cadenas de polímeros en cadenas más cortas para obtener distintas fracciones del petróleo o nuevas materias primas. Para hacerlo necesitamos unos catalizadores que gobiernen el mecanismo por el cual va a producirse esta ruptura de las moléculas, con unas condiciones de presión y temperatura determinadas, y con un aporte de energía muy elevado. Es en este aporte energético donde reside la innovación del proyecto. En lugar de recurrir a los métodos tradicionales de calentamiento basado en calentamiento resistivo con energía eléctrica, proponemos utilizar un nuevo sistema de calentamiento basado en la inducción magnética para realizar este reciclado químico de plásticos utilizando campos de radiofrecuencia y nanopartículas magnéticas.

Estos dos tipos de reciclaje, tanto el físico como el químico, son complementarios. Primero hay que utilizar el reciclaje físico para maximizar la vida material del plástico y una vez agotada esta vía material, hay que pasar al reciclaje químico, para agotar su valor material y extraer y valorizar su contenido energético.

¿Crees que llegaremos a sustituir por completo los combustibles fósiles por combustibles alternativos?

Me gustaría pensar que sí, aunque se requiere una acción conjunta a nivel global de todos los países, tanto los industrializados como los que están en vías de industrialización. Tenemos que unificar las políticas a nivel mundial y ayudar a estos países menos industrializados para que sean capaces de gestionar correctamente sus residuos.

Las políticas de residuos que hay en Europa no tienen nada que ver con las de los países asiáticos, por ejemplo. En Europa los residuos plásticos se recolectan, se clasifican y se tratan y gestionan de manera correcta, mientras que en muchos otros países del mundo no hay ni siquiera políticas de recolección de residuos, y mucho menos aún tecnologías para su tratamiento.

Hace falta una visión más global del problema, se necesitan normativas a nivel internacional y colaboración entre todos los países por igual.

¿Cuáles son las claves para acabar con el cambio climático?

Las políticas son fundamentales, pero también es clave invertir en investigación, tanto básica como aplicada, a través de colaboraciones entre universidades y empresas, entre el sector público y privado y entre distintos países. Hace falta financiación para investigar y encontrar soluciones a esta problemática.

También hay que apostar por la divulgación científica, comunicar y transmitir a la sociedad lo que se está investigando en las universidades y los centros de investigación. Es necesario además concienciar a la población del papel clave tan importante que tienen los propios ciudadanos en la lucha contra el cambio climático. Cada uno de nosotros, desde nuestros domicilios y centros de trabajo, podemos contribuir de manera decisiva.

Para que el reciclaje se realice de manera correcta, somos nosotros los ciudadanos quienes iniciamos todo el proceso en nuestros hogares, clasificando y catalogando los diferentes flujos de residuos y depositándolos en los distintos contenedores habilitados, permitiendo así iniciar su tratamiento más adecuado.

Además, hay muchas pequeñas acciones que podemos hacer para ser más ecológicos, desde reutilizar envases, el papel de aluminio, reciclar aceite usado transformándolo en jabones naturales hechos por nosotros, … Hay muchas medidas que podemos iniciar como ciudadanos y es necesario concienciar a la sociedad de ese papel tan importante que tiene.

Es vital también recuperar la figura del reparador en nuestra sociedad. Hoy en día no reparamos los productos dañados. Es más fácil desecharlo y comprar uno nuevo, aunque cada vez dure menos, ya que los productos cada vez tienen ciclos de vida más cortos. Entramos así en una rueda de consumismo, de compra y desecho de productos imparable. Es preciso abandonar esta filosofía de linealidad del “usar y tirar” para aproximarnos a la circularidad esto es “usar y reciclar”. Aunque no lleguemos a cerrar el círculo, debemos tender a conseguir al menos una espiral que se asemeje…