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Limpiar los océanos: descomposición del plástico a través de la luz solar.



Uno de los inventos más significativos para la sociedad moderna es el plástico, es decir. polímeros sintéticos El bajo precio, la facilidad de fabricación y la variabilidad de la apariencia y las propiedades físicas permitieron que el plástico se extendiera por todo el mundo con una velocidad increíble. Hay muchos tipos de plástico, pero todos están presentes en un grado u otro en nuestra vida cada segundo, lo queramos o no: papelería, autopartes, electrodomésticos, equipos médicos, juguetes, empaques de comestibles y artículos para el hogar, etc. Naturalmente, una distribución tan amplia de este material milagroso conduce a la formación de una gran cantidad de basura plástica, que no tiene prisa por descomponerse, lo que lleva a un desastre ambiental tanto en tierra como en el agua. Para resolver este problema,Los científicos de la Universidad de Cornell (EE. UU.) En los últimos 15 años han desarrollado un nuevo tipo de plástico que cumplirá con todos los requisitos comerciales, pero con una exposición prolongada a la luz ultravioleta se descompondrá lo suficientemente rápido. ¿En qué consiste el nuevo polímero, cómo lo descompone la radiación UV, y puede esta invención salvar al Océano Mundial de la asfixia plástica? Las respuestas a estas preguntas nos esperan en el informe de los científicos. Vamos.

Base de estudio


Ya hemos discutido un estudio en el que los científicos calcularon la cantidad de desechos plásticos en los océanos basándose en datos de islas remotas y deshabitadas.

Sin embargo, no será superfluo recordarnos que en los últimos años la producción de plástico ha excedido las 350-400 millones de toneladas por año (según diversas estimaciones). Al mismo tiempo, una parte bastante impresionante de los desechos plásticos se encuentra en las aguas de los océanos. Los investigadores nos recuerdan un gran lugar de basura del Pacífico: una recolección de basura en el norte del Océano Pacífico, cuya área es de aproximadamente 1,6 millones de km 2. Esta isla de basura tiene 79 mil toneladas de plástico. Alguien puede sugerir "atrapar" esta isla y enviar basura para su reciclaje, pero está lejos de ser la única. Específicamente, este lugar de basura ocupa solo una pequeña fracción de aproximadamente 4-12 millones de toneladas de basura en los océanos y mares de todo el planeta. Mientras atraparemos una isla de basura, una nueva, o incluso dos, tendrá tiempo para formarse. Sin mencionar la complejidad de tal limpieza, debido a las condiciones climáticas.

El principio de "limpiar donde no arrojan basura" todavía no se puede llamar una característica definitoria de nuestra especie. Por lo tanto, los científicos decidieron crear un material a partir del cual la basura no durará tanto como el plástico común (una bolsa de plástico común se descompone en el suelo durante aproximadamente 100 años).

Los investigadores señalan que aproximadamente el 52% de los escombros en los océanos son redes de pesca de plástico y otros equipos (datos de 2015). Estos artículos no solo contribuyen al aumento de la acumulación de basura, sino que también conducen a la muerte de la vida marina.

Para convencer a la industria pesquera de que use algo más seguro que el plástico, la tarea es imposible. Las redes de plástico son baratas, no es una pena perderlas en el océano (desde un punto de vista económico), se pueden producir fácil y rápidamente, lo que significa que el plástico se utilizará en el futuro.


Esquema número 1: la forma ideal de descomponer el plástico.

Si no puede convencer, puede modificar el material existente para que sea igual de duradero y práctico, pero se descomponga mucho más rápido (diagrama de arriba).

El líder entre los polímeros en la industria pesquera es el polipropileno isotáctico (iPP del polipropileno isotáctico ), el polietileno de alta densidad (HDPE del polietileno de alta densidad ) y las poliamidas.

El polipropileno isotáctico es uno de los tipos de polipropileno en estructura molecular (los otros dos son sindiotácticos y atácticos). Isotactic tiene una alta densidad (910 kg / m 3 ), un alto punto de fusión (hasta 170 ° C) y una alta resistencia a diversos productos químicos. En otras palabras, este tipo de plástico es muy resistente, lo cual es una mala noticia para el medio ambiente.

El polietileno de alta densidad también tiene una alta resistencia específica a una densidad de aproximadamente 970 kg / m 3. Este indicador es ligeramente diferente del polietileno ordinario, pero el HDPE tiene enlaces intermoleculares más densos, lo que lo hace más fuerte. El punto de fusión del HDPE es 120 ° C.

La poliamida es un plástico con grupos amida –CONH– en su cadena principal. Este suplemento lo hace muy duradero, resistente, viscoso y resistente a factores externos. El punto de fusión y la densidad dependen del tipo particular de poliamida, que varía en el rango de 178 ° C y 1 010 kg / m 3 a 220 ° C y 1 084 kg / m 3 .

Uno de los métodos para acelerar la descomposición de los plásticos es la introducción de cualquier dopante (aditivo) en su composición. Sin embargo, la desventaja de esta técnica es la alta probabilidad de iniciación, es decir. cadenas de reacciones químicas indeseables secundarias.

Acelerar la descomposición plástica al aumentar su sensibilidad a la luz ultravioleta no es una idea nueva. Desarrollos similares han estado ocurriendo desde los años 50 del siglo pasado. El resultado fue plástico (copolímero de monóxido de etileno) utilizado en la fabricación de envases de bebidas. Sin embargo, dicho material no difiere en la alta resistencia requerida en aparejos de pesca. Sin embargo, la idea misma de usar UV tiene un gran potencial.

Los científicos llegaron a la conclusión de que el poli (óxido de propileno) isotáctico o iPPO puede encajar idealmente en el papel de la base de un nuevo plástico, ya que es estructuralmente muy similar al iPP normal. Un mayor nivel de tacto (cadenas estereoquímicas repetitivas idénticas) en el iPP aumenta su cristalinidad, lo que conduce a un aumento de la resistencia mecánica.

En consecuencia, también se puede lograr un alto tacto en PPO aumentando la fuerza. Además, la presencia de enlaces de éter proporcionará sensibilidad a la degradación fotoquímica debido a la radiación UV.

La producción comercial aPPO utiliza catalizadores de cianuro de metal dual en combinación con agentes de transferencia de cadena de alcohol (CTA) para producir polímeros de bajo peso molecular con baja dispersión (Đ). Sin embargo, mantener dicho control sobre la estructura y al mismo tiempo obtener un alto tacto es problemático para la síntesis de iPPO.

Por lo tanto, los científicos decidieron usar catalizadores enantioselectivos que polimerizan selectivamente un enantiómero mientras disuelven simultáneamente un epóxido menos reactivo. Como resultado, se obtuvieron varios niveles altos de catalizadores estereoselectivos de Co y Cr.estereoselectividad * (hasta> 99%).
Estereoselectividad * : cuando durante el curso de una reacción química la formación de un estereoisómero prevalece sobre otro.
El poli (óxido de propileno) altamente isotáctico puede sintetizarse a partir de óxido de propileno enantiomérico * mediante polimerización por transferencia de cadena ( A en el Esquema 2).


Esquema 2: síntesis de iPPO.
Enantiómeros * : un par de estereoisómeros, que son imágenes especulares entre sí, no compatibles en el espacio.

Los estereoisómeros son compuestos químicos que tienen la misma estructura, pero difieren en la disposición espacial de los átomos.
Para este tipo de síntesis, se requiere un catalizador que proporcione enriquecimiento mutuo, así como un enantiomonómero, lo que hace que sea prácticamente imposible la producción a gran escala.

La polimerización por transferencia de cadena enantioselectiva también puede dar como resultado un polímero altamente isotáctico, donde el tacto se determina únicamente por la selectividad del catalizador ( B en el Esquema 2).

La polimerización isoselectiva de la cadena proporciona una arquitectura de polímero única en la que ambos monómeros ( C en el Esquema 2) están incluidos en la configuración del bloque estéreo * (SB, es decir, polímero de bloque estereorregular).
Polímeros estereorregulares * : polímeros en las macromoléculas en los que está presente un átomo de carbono asimétrico.
A pesar de la variedad de opciones de síntesis de iPPO, se sabe poco sobre las propiedades mecánicas de este material. Por lo tanto, los científicos decidieron sintetizar diferentes variantes de iPPO altamente isotácticos y estudiar su resistencia mecánica y fotodegradación.

Resultados de la investigacion


En su forma enantiomérica y racémica, el complejo 1 se usó para polimerizar la PO enantiomérica y racémica para crear cada configuración estereorregular de iPPO (Tabla 1).


Tabla No. 1: síntesis de varias configuraciones estereorregulares de iPPO altamente isotáctico usando 1 y 1,6-hexanodiol.

El (S) -iPPO enriquecido con enantio se obtuvo de (S) -1 y (rac) -PO en presencia de 1,6-hexanodiol (1,6-HD) como CTA. Su forma enantiomérica se sintetizó a partir de (S) -PO utilizando (rac) -1 en condiciones de reacción similares. Enantiomeric ®-iPPO se obtuvo de la misma manera usando ®-PO. Finalmente, la mezcla de cantidades iguales de enantiomérico (S) - y ®-iPPO en solución proporcionó un altamente isotáctico (rac) -iPPO. Como se esperaba, todas las formas sintetizadas de iPPO tienen valores similares de Mn (peso molecular) y Đ (dispersión).


Imagen No. 1

Cada forma estereorregular de iPPO se sometió a un alargamiento uniaxial, seguido de la eliminación de PO no reactivo y dimetoxietano (DME).

Cada material exhibió una reacción elástica a un pico agudo en el rendimiento, seguido de una región plana, y luego un aumento de la tensión al fracaso.

Como se esperaba, los enantioméricos (S) y ®-iPPO tienen el mismo perfil de tracción con un módulo elástico de ~ 290 MPa, un límite elástico de ~ 12 MPa y una resistencia a la tracción (UTS) de 75 MPa ( 1A ).

A pesar de que enriquecido enantioméricamente (con más de un enantiómero) (S) -iPPO tiene errores menores debido a la inclusión insignificante de ®-PO, su respuesta elástica es comparable a la enantioméricamente pura (solo un enantiómero) (S) -iPPO en gran deformación ( 1B) Tiene un módulo de elasticidad ligeramente reducido y un límite elástico de 248 y 11 MPa, respectivamente. Las variantes de (rac) -iPPO y (SB) -iPPO mostraron las tasas más bajas de disminución de la fuerza (4 y 10 MPa, respectivamente) bajo tensión ( 1C ).

Una resistencia menor (SB) -iPPO puede deberse a su baja isotacticidad. Sin embargo, la estructura de sus tríadas isotácticas (mm) es similar a la de (S) -iPPO enriquecido enantioméricamente, que exhibe la misma resistencia a la tracción que el iPPO enantioméricamente puro.


Tríada isotáctica (mm) de una molécula de polipropileno. La fracción de masa de las tríadas isotácticas (mm) es una medida cuantitativa general de la evaluación del tacto.

El menor contenido de tríada mm observado en (SB) -iPPO es característico de su microestructura de bloque. Pero para (S) -iPPO enriquecido enantioméricamente, esto se debe a la inclusión aleatoria del enantiómero menos preferido.

(SB) -iPPO mantiene el límite elástico aproximado de todas las otras formas de iPPO, sin embargo, su comportamiento a la tracción diverge durante el endurecimiento por deformación. Con el alargamiento uniaxial continuo, las cadenas de polímeros semicristalinos a menudo se reconstruyen después de una deformación irreversible, lo que conduce a la cristalización, también llamada endurecimiento mecánico. Se descubrió que es este proceso el que conduce a una disminución en la resistencia a la tracción de (SB) -iPPO.

Los científicos señalan que en muchos polímeros se observan fluctuaciones en el estrés (deformación), que generalmente es inherente a los metales. Anteriormente, era bastante difícil establecer la causa de tales vibraciones, sin embargo, existe la teoría de que esto se debe a la formación de microgrietas y cavidades en la estructura del polímero.


Imagen No. 2

Estudios anteriores de fluctuaciones de estrés mostraron su dependencia de la temperatura, la tasa de deformación y la naturaleza del material. Sin embargo, debido al punto de fusión relativamente bajo de iPPO (68 ° C), no se estudió la dependencia de la temperatura de las vibraciones en este trabajo. En cambio, se estudió la dependencia de la velocidad de deformación de las vibraciones en el rango de deformación del 0,10% al 1000% (gráfico anterior).

Un aumento en la tasa de deformación por encima del 100% condujo a la atenuación y desaparición de la respuesta dentada (indicada por una línea punteada), pero también a una disminución en la resistencia a la tracción.

Para determinar el valor superior de la resistencia a la tracción iPPO, se sintetizaron diversas variantes de (S) -iPPO enriquecido enantioméricamente. Los polímeros se sintetizaron con pesos moleculares que varían de 49 a 206 kDa. Cada muestra mostró el mismo tacto aproximado y límite elástico (aproximadamente 12 MPa).


Imagen No. 3

Un aumento en el peso molecular por encima de 100 kDa condujo a una ligera mejora en la tensión. La aparición de una pérdida de resistencia a la tracción también se detectó cuando el peso molecular disminuyó por debajo de 104 kDa.

Después de determinar el valor límite de la resistencia máxima para iPPO, los científicos realizaron un análisis comparativo de este polímero con plásticos disponibles comercialmente (iPP, HDPE y nylon-6.6).


La imagen No. 4

iPPO mostró un límite elástico relativamente bajo, pero la resistencia a la tracción fue mayor que la de los polímeros comerciales (gráfico anterior).

El iPPO en estudio es lo suficientemente fuerte, lo cual es extremadamente importante para la industria pesquera. Queda por comprobar qué tan susceptible es a la luz solar. Naturalmente, la intensidad de la luz varía según la estación, las condiciones climáticas y la hora del día, pero para fines experimentales, se decidió utilizar radiación constante, pero menos intensa de lo que sería en condiciones naturales.

La muestra se expuso a la radiación UV (365 nm) durante 30 días a una intensidad de 250 mW / cm 2 . La descomposición se evaluó mediante cromatografía de permeación en gel (GPC) para cuantificar el cambio en el peso molecular del polímero.


Imagen No. 5 La

muestra comenzó a descomponerse después de 3 días, como lo demuestra una caída en el peso molecular de 9 kDa (gráfico anterior, marcadores azules). Después de 15 días, el peso molecular ya ha perdido 29 kDa. El resultado final del experimento (después de 30 días) mostró que el peso molecular del polímero disminuyó de 93 kDa a 21 kDa.

Paralelamente, se evaluó la descomposición del mismo polímero, pero sin radiación UV (gráfico anterior, marcadores rojos). Como se esperaba, después de 30 días completos, el peso molecular no ha cambiado, lo que indica la ausencia de degradación del material.

En este caso, el mecanismo principal de descomposición puede considerarse autooxidación. Los antioxidantes de bajo peso molecular se usan a menudo como estabilizadores de radicales en poliésteres y poliuretanos comerciales. Manipular estos aditivos le permitirá controlar la vida del polímero.

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos .

Epílogo


En este trabajo, los científicos pudieron desarrollar un nuevo polímero que exhibe características comparables a los polímeros comerciales, pero puede descomponerse bajo la influencia de la luz solar. Por supuesto, en el futuro está previsto realizar varios estudios más para obtener el control total sobre el proceso de descomposición, porque nadie necesita redes de pesca que se descompongan desde el primer día de uso.

La cantidad de plástico utilizada puede reducirse, pero esto puede generar otros problemas, tanto en la economía como en el medio ambiente. Los científicos creen que el problema debe considerarse desde un ángulo diferente: si no puede rechazar el plástico, debe cambiarlo para que el uso del plástico no dañe el medio ambiente.

Sin embargo, vale la pena señalar que la presencia de este tipo de investigación no significa que pueda ser descuidado en materia de residuos plásticos, su clasificación, etc. Es imposible confiar en los científicos, pensando que todos se "resolverán". De hecho, la creación de un nuevo súper plástico todavía está muy lejos, y las islas de basura en los océanos todavía están flotando. Por lo tanto, cada persona debe, en la medida de lo posible, contribuir a la causa común de preservar el medio ambiente. Si no somos capaces de corregir el daño ambiental causado por generaciones anteriores, al menos no deberíamos agravarlo.

Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana laboral, muchachos. :)

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