Como Transformámos Resíduos Plásticos em Vinagre: Um Avanço Alimentado pela Luz Solar

(MENAFN- The Conversation) O plástico é um dos materiais mais duradouros alguma vez criados pela humanidade. Essa durabilidade tornou-o indispensável na medicina, no embalamento dos alimentos e no transporte. Mas também criou um dos problemas ambientais mais marcantes que enfrentámos.

Todos os anos, são produzidas globalmente centenas de milhões de toneladas de plástico. Grande parte acaba em aterros, incineradoras ou no ambiente natural, onde pode persistir durante séculos.

As abordagens que temos para eliminar a poluição por plástico têm os seus inconvenientes. Colocá-lo em aterros significa que os químicos e os microplásticos podem infiltrar-se no ambiente circundante.

Queimá-lo liberta fumos e toxinas prejudiciais. A reciclagem mecânica muitas vezes reduz a categoria dos plásticos para produtos de menor valor, enquanto a reciclagem química normalmente requer temperaturas elevadas, pressões elevadas e grandes quantidades de energia.

Colegas meus e eu publicámos recentemente uma investigação que explora uma possibilidade muito diferente: usar a luz solar e um catalisador à base de ferro para converter diretamente resíduos comuns de plástico em ácido acético - o componente-chave do vinagre e um importante químico industrial.

Em vez de tratar o plástico apenas como resíduo, a nossa investigação mostra que ele pode ser transformado em algo útil em condições amenas.

Aprender com um fungo que apodrece madeira

A inspiração para a nossa investigação veio da natureza. O fungo da podridão-branca (Phanerochaete chrysosporium) é famoso pela sua capacidade de decompor a lignina, um dos polímeros mais resistentes encontrados na madeira. Ele faz isso usando enzimas que geram espécies químicas altamente reativas capazes de desmontar estruturas complexas de carbono.

Perguntámo-nos se um material sintético poderia imitar esta estratégia.

O catalisador que concebermos é nitreto de carbono dopado com ferro, um semicondutor que absorve luz visível. Em seguida, fixámos átomos individuais de ferro, criando aquilo a que os cientistas chamam um catalisador de átomo único.

Em vez de formar nanopartículas, cada átomo de ferro fica isolado e incorporado na estrutura do nitreto de carbono. Esta precisão atómica é crucial. Cada átomo de ferro comporta-se como um sítio ativo numa enzima natural, maximizando a eficiência enquanto mantém a estabilidade.

Uma reação em dois passos impulsionada pela luz

O sistema funciona através de uma cascata de reações impulsionadas pela luz.

Sob luz solar e na presença de peróxido de hidrogénio, os sítios de ferro ativam o peróxido para gerar radicais hidroxilo altamente reativos. Um radical é um átomo, molécula ou ião que tem pelo menos um eletrão não emparelhado. Isso torna-os altamente reativos do ponto de vista químico.

Estes radicais atacam as longas cadeias de carbono que constituem os plásticos, como o polietileno (usado em sacos de plástico), o polipropileno (recipientes para alimentos), o PET (garrafas de bebida) e até o PVC (tubos e embalagens).

Os polímeros são progressivamente oxidados e decompostos em moléculas menores, acabando por formar dióxido de carbono (CO2).

Em vez de permitir que este CO2 escape, o mesmo catalisador faz então uma segunda tarefa: usa a luz solar para reduzir o CO2 a ácido acético. Por outras palavras, o carbono dos resíduos de plástico é primeiro oxidado e depois reestruturado numa nova molécula valiosa.

Em essência, esta abordagem decompõe o plástico e converte o carbono resultante num químico de valor comercial num único sistema. Isto distingue-a da maioria das tecnologias de reciclagem existentes.

Porquê ácido acético?

O ácido acético é mais conhecido como o componente ácido do vinagre, mas também é uma importante matéria-prima industrial. É usado para produzir adesivos, revestimentos, solventes, fibras sintéticas e produtos farmacêuticos.

A procura global atinge milhões de toneladas por ano, representando um mercado de vários milhares de milhões de dólares.

Atualmente, a maior parte do ácido acético é produzida através de processos intensivos em energia, num processo chamado carbonilação do metanol, em que o metanol reage com monóxido de carbono a altas temperaturas.

Converter plástico residual em ácido acético oferece uma potencial via circular: em vez de extrair carbono novo, reutilizamos o carbono já presente em materiais descartados.

Nos nossos ensaios, o sistema produziu ácido acético a ritmos comparavelmente favoráveis com outros métodos de conversão de plástico impulsionados pela luz já reportados. Quando melhorámos a utilização da luz dentro do reator, a taxa de produção aumentou substancialmente.

Importante: a reação ocorreu à temperatura ambiente e com pressão atmosférica normal. Isto contrasta com muitos métodos de reciclagem química que exigem aquecer os plásticos a várias centenas de graus Celsius.

Lidar com plástico do mundo real

Os estudos em laboratório muitas vezes focam-se em tipos puros e únicos de plástico. Mas os resíduos reais têm fluxos mistos e contaminados. Por isso, testámos diferentes plásticos comuns individualmente, bem como misturas.

O nosso catalisador foi capaz de converter vários dos principais plásticos de uso geral. Curiosamente, o PVC apresentou um desempenho particularmente forte. Cremos que o cloro libertado durante a sua decomposição pode gerar radicais reativos adicionais, acelerando a degradação.

Os átomos de ferro permaneceram dispersos ao nível atómico após usos repetidos, indicando boa estabilidade. Isto importa porque a degradação do catalisador ou a lixiviação do metal podem minar tanto o desempenho como a segurança ambiental.

O sistema depende de peróxido de hidrogénio adicionado, que é consumido durante a reação. Embora o peróxido de hidrogénio se decomponha em água e oxigénio e seja considerado relativamente benigno, o trabalho futuro terá de abordar como é que ele pode ser fornecido de forma sustentável à escala.

Do conceito à prática

Aumentar à escala qualquer novo processo químico apresenta desafios. A penetração da luz, o desenho do reator e a variabilidade das matérias-primas de resíduos de plástico afetam a eficiência. Aditivos em plásticos comerciais - como estabilizadores, pigmentos e plastificantes - também podem influenciar os resultados da reação.

Para explorar a viabilidade, realizámos uma avaliação preliminar techno-económica. É uma forma de analisar os potenciais benefícios económicos de um processo ou produto industrial.

Embora seja necessária mais otimização, a nossa análise sugere que combinar a limpeza de resíduos com a produção de um químico valioso pode ajudar a compensar custos - especialmente quando os benefícios ambientais são tidos em conta.

De forma mais ampla, este trabalho ilustra o poder dos catalisadores de átomo único e do design inspirado na biologia. Ao imitar a forma como as enzimas controlam a reatividade em centros metálicos precisos, podemos alcançar transformações químicas complexas em condições amenas usando a luz solar como fonte de energia.

Reequacionar o ciclo de vida do plástico

O problema da poluição por plástico não será resolvido por uma única tecnologia. Reduzir o uso desnecessário de plástico, melhorar o design dos produtos e reforçar os sistemas de reciclagem são todos essenciais.

Transformar resíduos de plástico em químicos úteis oferece uma estratégia complementar. Reenquadra o plástico não apenas como um encargo ambiental, mas também como um recurso de carbono.

Se conseguirmos aproveitar a luz solar para impulsionar estas transformações de forma eficiente e à escala, a embalagem descartada de ontem poderia tornar-se a matéria-prima industrial de amanhã.

O desafio agora é traduzir os nossos avanços em laboratório para sistemas robustos e escaláveis. Se tiver sucesso, marcará um passo em direção a uma economia mais circular - uma em que o desperdício não é o fim da história, mas o início de uma nova.

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