Catálisis para el reciclaje de neumáticos de desecho
ELISA NUÑEZ ACOSTA
En el país se desechan anualmente 36 millones de neumáticos usados y se estima que se recicla sólo el 4%. Estos desechos se podrían reciclar a través de un proceso de desvulcanización realizado a través de catálisis química. El Dr. Juventino García Alejandre, desarrolló un proceso catalítico innovador que permite desvulcanizar llantas de desecho.
Generación de neumáticos usados
Cada año se generan 30 millones de toneladas de neumáticos de desecho alrededor del mundo. En México, se generan 36 millones de llantas de desecho anualmente, y sólo el 4% se recicla. El resto se dispone en el mar, tiraderos o quemándolos al aire libre, lo que impacta negativamente la salud y el medio ambiente. Y así, año tras año esta basura se va acumulando. El reciclaje sostenible de estos desperdicios representa una oportunidad de innovación científica.
Innovación científica para el reciclaje sostenible
El 41% de una llanta de un vehículo de pasajeros contiene caucho sintético y natural. Durante su manufactura, las llantas se vulcanizan para mejorar su elasticidad y resistencia. Esta vulcanización consiste en entrelazar las moléculas de caucho con sustancias azufradas formando enlaces de azufre-carbono entre las cadenas de polímeros que forman los neumáticos. Este procedimiento extiende la durabilidad de las llantas y las hace difícil de degradar al final de su vida útil. El proceso opuesto es la desvulcanización, a través de la cual se rompen los enlaces de azufre-carbono y se obtiene la materia prima a partir de la cual se crearon las llantas. Así, la desvulcanización ofrece un método de reciclaje a partir del cual se podrían crear llantas nuevas recicladas y el manejo de desechos podría ser más sostenible.
Los avances en el reciclado de caucho incluyen la pirólisis con la cual se obtienen nuevos materiales de valor comercial y la desvulcanización, la cual se puede realizar química, biológica o físicamente. Sin embargo, la desvulcanización química es uno de los procesos más eficientes en términos energéticos, de tiempo y sostenibilidad. En el laboratorio del Dr. García desarrollaron una catálisis homogénea aplicable al reciclaje de caucho de llantas usadas, la cual es una solución prometedora al manejo deficiente de estos desechos.
Trabajo inicial
El equipo del Dr. García comenzó realizando investigación básica, hace ya más de 20 años. Ellos iniciaron el diseño de un proceso químico por catálisis homogénea para eliminar las moléculas azufradas (dibenzotiofenos) encontradas en el petróleo crudo. Estas reacciones son relevantes, ya que algunas regulaciones internacionales limitan el número de partículas de azufre que puede contener el petróleo, con el propósito de reducir contaminantes derivados de su uso. Actualmente, los procesos industriales típicamente utilizados para eliminar el azufre del petróleo, como la hidrodesulfuración y la oxidesulfuración, son poco o medianamente eficientes, y esta última genera sulfonas contaminantes, indica el Dr. García. Por ejemplo, la oxidesulfuración usada para eliminar el azufre de 1000 barriles de petróleo crudo, que contienen 500 ppm de azufre, genera una tonelada de dichas sulfonas, comenta el investigador.
El desarrollo de la química verde ha guiado la investigación del Dr. García, por lo que diseñó una reacción más limpia que las convencionales.
Él utilizó compuestos de metales de transición, como el platino, los cuales abren los anillos azufrados del dibenzotiofeno y se insertan en ellos, rompiendo así, un primer enlace azufre-carbono. En investigaciones posteriores, hicieron reaccionar los compuestos obtenidos en esta primera reacción con una fuente de hidrógeno (un hidruro), rompiendo así el enlace azufre-carbono remanente y eliminando por completo el azufre presente en los dibenzotiofenos que se encuentran en el petróleo. Estas reacciones se ejemplifican en el esquema abajo.
Las ventajas de esta reacción son que no quedan restos de reactivos al final, es secuencial y permite recuperar el platino, describe el investigador. “Este trabajo fue el primero en usar platino para activar los enlaces azufre-carbono y se identificaron varios [compuestos] intermediarios de reacción clave, lo cual ayudó al diseño posterior de catalizadores más activos,” comenta el investigador.
El camino: remontando el diseño de catálisis química
Armados con sus resultados previos e inspirados en reacciones publicadas que usaban reactivos de Grignard en otro tipo de sustratos, el grupo del Dr. García innovó esta vez en el diseño de catálisis homogénea para eliminar el azufre del dibenzotiofeno. Ellos realizaron una reacción de acoplamiento cruzado y usaron níquel como metal de transición, el cual es considerablemente más barato y menos tóxico que el platino, para eliminar el azufre del dibenzotiofeno. Además, como fuente de hidrógeno esta vez usaron agua. La reacción se realizó en condiciones suaves, con lo que se obtuvo bifenilo libre de azufre como principal producto. Esta reacción fue más limpia que los procesos generalmente usados para remover el azufre de dibenzotiofenos, sin embargo, el rendimiento fue limitado a condiciones de laboratorio.
Pero esto no se quedó así, sus resultados los guiaron para realizar nuevas síntesis con rendimientos superiores. “Uno tiene que transcurrir en el diseño [de reacciones] con buenas ideas y a veces con resultados malos pero que inspiran para luego mejorarlos,” comentó García en su ponencia dictada en el Capítulo Estudiantil IIM-SMM.
El logro: catálisis homogénea aplicable al reciclaje sostenible de llantas usadas
Sustentados en los desarrollos aquí relatados y en posteriores investigaciones dedicadas al estudio de la ruptura de enlaces azufre-carbono en diferentes sustratos orgánicos, el Dr. García propuso una catálisis homogénea (desoxidesulfuración) verde y libre de agua como disolvente. Además, utilizaron níquel como catalizador, con lo que lograron una conversión de los diobenzotiofenos a moléculas sin azufre (tipo bifenilos) con muy buenos rendimientos.
Una posible y natural aplicación de las reacciones desarrolladas por el grupo del Dr. García, es la de descomponer los enlaces de azufre-carbón generados durante la vulcanización de las llantas. Es así es como García propuso desvulcanizar las llantas. Esto consistía en romper los enlaces azufre-carbono del caucho de los neumáticos de residuo para obtener las moléculas primigenias que fueron materia prima una vez. De hecho, este material se usó para crear nuevamente el polímero que forma las llantas, lo que constituyó su prueba de concepto. Así, el proceso de desvulcanización propuesto por el investigador podría usarse para crear llantas nuevas recicladas.
El Dr. García y sus colaboradores cuentan actualmente con dos patentes otorgadas, derivadas de su investigación básica con aplicación en la temática de desvulcanización de neumáticos. Una de ellas ganó el primer lugar del Programa de Fomento al Patentamiento y la Innovación, iniciativa de la Coordinación de Innovación y Desarrollo de la UNAM.