Despolimerización térmica

Despolimerización térmica (TDP) es el proceso de convertir un polímero en un monómero o una mezcla de monómeros, predominantemente por medios térmicos. Puede ser catalizado o no catalizado y es distinto de otras formas de despolimerización que pueden basarse en el uso de productos químicos o 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 genera una mezcla de compuestos volátiles. Los materiales pueden despolimerizarse de esta manera durante la gestión de residuos, y los componentes volátiles producidos se queman 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 proporciona 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.

Despolimerización desordenada

Para la mayoría de los materiales poliméricos, la despolimerización térmica se produce de forma desordenada, con una escisión aleatoria de la cadena que da lugar a una mezcla de compuestos volátiles. El resultado es muy similar a la pirólisis, aunque a temperaturas más altas tiene lugar la gasificación. Estas reacciones se pueden ver durante la gestión de residuos, con los productos quemados como combustible sintético en un proceso de conversión de residuos en energía. En comparación con la simple incineración del polímero de partida, la despolimerización genera un material con un poder calorífico superior que se puede quemar de manera más eficiente y que también se puede vender. La incineración también puede producir dioxinas dañinas y compuestos similares a las dioxinas y requiere reactores y sistemas de control de emisiones especialmente diseñados para poder llevarse a cabo de manera segura. Como el paso de despolimerización requiere calor, consume energía, por lo que el equilibrio final de la eficiencia energética en comparación con la incineración directa puede ser muy ajustado y ha sido objeto de críticas.

Biomasa

Muchos desechos agrícolas y animales se pueden procesar, pero a menudo ya se usan como fertilizante, alimento para animales y, en algunos casos, como materia prima para las fábricas de papel o como combustible de caldera de baja calidad. La despolimerización térmica puede convertirlos en materiales económicamente más valiosos. Se han desarrollado numerosas tecnologías de biomasa a líquido. En general, los bioquímicos contienen átomos de oxígeno que son retenidos durante la pirólisis, dando productos líquidos ricos en fenoles y furanos. Estos pueden verse como 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. De manera similar, la gasificación produce hidrógeno, un combustible de muy alta energía.

Plásticos

Los desechos plásticos consisten principalmente en plásticos comerciales y pueden separarse activamente de los desechos municipales. La pirólisis de plásticos mixtos puede generar una mezcla bastante amplia de productos químicos (entre 1 y 15 átomos de carbono), incluidos gases y líquidos aromáticos. Los catalizadores pueden dar un producto mejor definido con un valor más alto. Asimismo, se puede emplear el hidrocraqueo para dar productos LPG. La presencia de PVC puede ser problemática, ya que su despolimerización térmica genera grandes cantidades de HCl, que pueden corroer los equipos y provocar una cloración indeseable de los productos. Debe excluirse o compensarse mediante la instalación de tecnologías de decloración. 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. Históricamente, las tecnologías de plástico a combustible han luchado por ser económicamente viables debido a los costos de recolección y clasificación del plástico y al valor relativamente bajo del combustible producido. Las plantas grandes se consideran más económicas que las más pequeñas, pero requieren una mayor inversión para su construcción.

Sin embargo, el enfoque puede conducir a una leve disminución neta de las emisiones de gases de efecto invernadero, 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 mostró entonces que cuando se contabilizan todos los costos de energía desde la cuna hasta la tumba, la quema en un horno de cemento era muy superior. El combustible para hornos de cemento obtuvo una puntuación de -61,1 kg CO₂ equivalentes en comparación con +905 kg CO₂ eq. También le fue mucho peor en términos de reducción de vertederos en comparación con el combustible del horno. Otros estudios han confirmado que los programas de pirólisis de plásticos para combustible también consumen más energía.

En la gestión de residuos de neumáticos, la pirólisis de neumáticos también es una opción. El aceite derivado de la pirólisis del caucho de los neumáticos contiene un alto contenido de azufre, lo que le otorga un alto potencial como contaminante y requiere hidrodesulfuración antes de su uso. El área enfrenta obstáculos legislativos, económicos y de mercadeo. En la mayoría de los casos, los neumáticos simplemente se incineran como combustible derivado de neumáticos.

Residuos municipales

El tratamiento térmico de los residuos municipales puede implicar la despolimerización de una amplia gama de compuestos, incluidos los plásticos y la biomasa. Las tecnologías pueden incluir la incineración simple, así como la pirólisis, la gasificación y la gasificación por plasma. Todos estos son capaces de acomodar materias primas mezcladas y contaminadas. La principal ventaja es la reducción del volumen de los residuos, particularmente en áreas 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.

Despolimerización ordenada

Algunos materiales se descomponen térmicamente de forma ordenada para dar lugar a una gama de productos única o limitada. En virtud de ser materiales puros, suelen ser más valiosos que las mezclas producidas por despolimerización térmica desordenada. Para los plásticos, este suele ser el monómero de partida y, cuando se recicla de nuevo en polímero nuevo, se denomina reciclaje de materia prima. En la práctica, no todas las reacciones de despolimerización son completamente eficientes ya menudo se observa alguna pirólisis competitiva.

Biomasa

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 ha estado en funcionamiento durante más de un siglo. La lignina ha sido objeto de importantes investigaciones para la producción potencial de BTX y otros compuestos aromáticos, aunque dichos procesos aún no se han comercializado con éxito duradero.

Plásticos

Ciertos polímeros como PTFE, Nylon 6, poliestireno y PMMA se despolimerizan para dar sus monómeros iniciales. Estos se pueden volver a convertir en plástico nuevo, un proceso llamado reciclaje químico o de materia prima. En teoría, esto ofrece una capacidad de reciclaje 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, aún produce un producto inferior a costos de energía más altos que la producción de polímeros vírgenes en el mundo real debido a la contaminación.

Procesos relacionados

Aunque rara vez se emplea en la actualidad, históricamente la gasificación del carbón se ha realizado a gran escala. La despolimerización térmica es similar a otros procesos que utilizan agua sobrecalentada como paso principal para producir combustibles, como la licuefacción hidrotermal directa. 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 suele aplicar a la producción de combustible por pirólisis. 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 aceite. La despolimerización térmica difiere en que contiene un proceso hidratado seguido de un proceso de craqueo/destilación anhidro.

Los polímeros de condensación que contienen grupos escindibles, como los ésteres y las amidas, también pueden despolimerizarse por completo mediante hidrólisis o solvólisis, lo que puede ser un proceso puramente químico, pero también puede ser promovido por enzimas. Estas tecnologías están menos desarrolladas que las de despolimerización térmica, pero tienen el potencial de reducir los costos de energía. Hasta ahora, el tereftalato de polietileno ha sido el polímero más estudiado. Se ha sugerido que los desechos plásticos podrían convertirse en otros productos químicos valiosos (no necesariamente monómeros) mediante la acción microbiana; dicha tecnología aún está en pañales.