Em uma nova pesquisa, químicos da Universidade Northwestern apresentaram um inédito processo de reciclagem de plástico que pode reduzir drasticamente — ou até mesmo eliminar — a tarefa árdua de pré-separar resíduos plásticos mistos.

O processo utiliza um novo catalisador à base de níquel, que é acessível e quebra seletivamente plásticos poliolefínicos compostos por polietileno e polipropileno – o tipo descartável que representa quase dois terços do consumo global de plástico. Isso significa que usuários industriais poderiam aplicar o catalisador em grandes volumes de resíduos poliolefínicos sem separação prévia.

Quando o catalisador degrada os poliolefínicos, os plásticos de baixo valor se transformam em óleos e ceras líquidas, que podem ser recicladas em produtos de maior valor, como lubrificantes, combustíveis e velas. Além de ser reutilizável várias vezes, o novo catalisador também consegue quebrar plásticos contaminados com policloreto de vinila (PVC), um polímero tóxico que costuma tornar os plásticos “não recicláveis.”

A pesquisa foi publicada em 2 de setembro na revista Nature Chemistry.

“Um dos maiores desafios da reciclagem de plástico sempre foi a necessidade de classificar meticulosamente os resíduos por tipo,” disse Tobin Marks, da Northwestern, autor principal do estudo. “Nosso novo catalisador poderia contornar essa etapa custosa e trabalhosa para os plásticos poliolefínicos comuns, tornando a reciclagem mais eficiente, prática e economicamente viável do que as estratégias atuais.”

“Quando as pessoas pensam em plástico, provavelmente estão pensando em poliolefínicos,” comentou Yosi Kratish, co-autor do artigo. “Basicamente, quase tudo na sua geladeira é baseado em poliolefina — garrafas para condimentos e molhos, garrafões de leite, filme plástico, sacos de lixo, utensílios descartáveis, caixas de suco e muito mais. Esses plásticos têm uma vida útil muito curta, sendo em sua maioria de uso único. Se não tivermos uma maneira eficiente de reciclá-los, eles acabam em aterros e no ambiente, onde podem levar décadas para se degradar em microplásticos nocivos.”

Um renomado especialista em catálise, Marks é o Professor Vladimir N. Ipatieff de Química Catalítica na Faculdade de Artes e Ciências de Weinberg da Northwestern e professor de engenharia química e biológica na Escola de Engenharia McCormick da Northwestern. Ele é também membro do corpo docente do Instituto Paula M. Trienens de Sustentabilidade e Energia. Kratish é professor assistente de pesquisa em seu grupo, também vinculado ao Instituto Trienens. Qingheng Lai, associado de pesquisa em seu grupo, é o autor principal do estudo. Marks, Kratish e Lai co-lideraram a pesquisa com Jeffrey Miller, professor de engenharia química na Universidade Purdue; Michael Wasielewski, Professor Clare Hamilton Hall de Química em Weinberg; e Takeshi Kobayashi, cientista pesquisador no Laboratório Nacional Ames.

O dilema da poliolefina

De copos de iogurte e embalagens de snacks a garrafas de shampoo e máscaras médicas, a maioria das pessoas interage com plásticos poliolefínicos diversas vezes ao dia. Devido à sua versatilidade, os poliolefínicos são os plásticos mais utilizados no mundo. Algumas estimativas indicam que a indústria produz mais de 220 milhões de toneladas de produtos poliolefínicos globalmente a cada ano. No entanto, de acordo com um relatório de 2023 na revista Nature, as taxas de reciclagem de plásticos poliolefínicos são alarmantemente baixas, variando de menos de 1% a 10% em todo o mundo.

A razão principal para essa taxa decepcionante de reciclagem é a composição resistente e teimosa dos poliolefínicos. Eles contêm pequenas moléculas interligadas por ligações carbono-carbono, que são notoriamente difíceis de romper.

“Quando projetamos catalisadores, buscamos pontos fracos,” afirmou Kratish. “Mas os poliolefínicos não apresentam ligações fracas. Cada ligação é incrivelmente forte e quimicamente inerte.”

Problemas com os processos atuais

Atualmente, existem apenas alguns processos menos do que ideais que podem reciclar poliolefínicos. Eles podem ser triturados em flocos, que são então derretidos e reciclados de forma degradada para formar pellets plásticos de baixa qualidade. Porém, como diferentes tipos de plásticos têm propriedades e pontos de fusão diferentes, o processo exige que os trabalhadores separem cuidadosamente os diversos tipos de plásticos. Mesmo pequenas quantidades de outros plásticos, resíduos de alimentos ou materiais não plásticos podem comprometer todo um lote. E esses lotes comprometidos vão diretamente para o aterro.

Outra opção envolve aquecer os plásticos a temperaturas extremamente altas, entre 400 e 700 graus Celsius. Embora esse processo degrade plásticos poliolefínicos em uma mistura útil de gases e líquidos, é extremamente intensivo em termos de energia.

“Tudo pode ser queimado, é claro,” disse Kratish. “Se você aplicar energia suficiente, pode converter qualquer coisa em dióxido de carbono e água. Mas queríamos encontrar uma maneira elegante de adicionar a menor quantidade de energia para obter o produto de maior valor.”

Engenharia de precisão

Para encontrar essa solução elegante, Marks, Kratish e sua equipe exploraram a hidrólise, um processo que utiliza gás hidrogênio e um catalisador para degradar plásticos poliolefínicos em hidrocarbonetos menores e úteis. Embora existam abordagens de hidrólise já estabelecidas, elas normalmente exigem temperaturas extremamente elevadas e catalisadores caros feitos de metais nobres como platina e paládio.

“A escala de produção de poliolefina é imensa, mas as reservas globais de metais nobres são muito limitadas,” disse Lai. “Não podemos usar todo o suprimento de metal para a química. E, mesmo se fizéssemos isso, ainda não haveria o suficiente para resolver o problema do plástico. É por isso que estamos interessados em metais abundantes na Terra.”

Para o seu catalisador de reciclagem de poliolefina, a equipe da Northwestern identificou níquel cationico, que é sintetizado a partir de um composto de níquel abundante e acessível comercialmente. Enquanto outros catalisadores baseados em nanopartículas de níquel possuem múltiplos sites de reação, a equipe projetou um catalisador molecular de local único.

O design de local único permite que o catalisador atue como um bisturi altamente especializado — cortando preferencialmente ligações carbono-carbono — em vez de um instrumento rompedor menos controlado que decompõe indiscriminadamente toda a estrutura do plástico. Como resultado, o catalisador permite a degradação seletiva de poliolefínicos ramificados (como o polipropileno isotático) quando misturados com poliolefínicos não ramificados — separando-os quimicamente.

“Comparado a outros catalisadores à base de níquel, nosso processo utiliza um catalisador de local único que opera a uma temperatura 100 graus mais baixa e a metade da pressão do gás hidrogênio,” disse Kratish. “Além disso, usamos 10 vezes menos carga de catalisador, e nossa atividade é 10 vezes maior. Portanto, estamos vencendo em todas as categorias.”

Acelerado pela contaminação

Com seu site ativo único, precisamente definido e isolado, o catalisador à base de níquel possui uma atividade e estabilidade sem precedentes. O catalisador é tão estável termica e quimicamente que mantém o controle mesmo quando exposto a contaminantes como o PVC. Usado em tubos, pisos e dispositivos médicos, o PVC é visualmente semelhante a outros tipos de plásticos, mas significativamente menos estável ao ser aquecido. Durante a decomposição, o PVC libera gás cloreto de hidrogênio, um subproduto altamente corrosivo que normalmente desativa catalisadores e interfere no processo de reciclagem.

Incrivelmente, o catalisador da Northwestern não apenas resistiu à contaminação por PVC, como essa própria contaminação acelerou sua atividade. Mesmo quando 25% do peso da mistura de resíduos é composto por PVC, os cientistas descobriram que seu catalisador ainda funcionava com desempenho aprimorado. Esse resultado inesperado sugere que o método da equipe pode superar um dos maiores obstáculos na reciclagem de plásticos mistos — degradar resíduos atualmente considerados “não recicláveis” devido à contaminação por PVC. O catalisador também pode ser regenerado em vários ciclos por meio de um tratamento simples com alquilalumínio acessível.

“Adicionar PVC a uma mistura de reciclagem sempre foi proibido,” disse Kratish. “Mas aparentemente, isso torna nosso processo ainda melhor. Isso é surpreendente. Definitivamente, não era algo que alguém esperava.”

A pesquisa, “Catalisador organo-Ni de site único estável preferencialmente hidrogenólise liga C-C poliolefínica ramificada,” foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA (número do prêmio DE-SC0024448) e pela The Dow Chemical Company.