I ricercatori dell’ETH gettano le basi per un recupero chimico dei materiali plastici sempre più efficiente: la chiave è nella miscelazione

Il riciclo delle materie plastiche è un tema molto presente nella letteratura scientifica degli ultimi anni: gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando attivamente una soluzione all’enorme problema dell’inquinamento da plastica, studiando nuovi metodi di upcycling e mettendo a punto diverse tecniche per il riciclo chimico dei lunghi polimeri che costituiscono questi materiali.

In un nuovo studio del Politecnico di Zurigo, i ricercatori sono riusciti a scomporre il polietilene e il polipropilene in molecole che possono essere utilizzate come carburanti o lubrificanti. La ricerca però va molto più avanti, offrendo agli scienziati impegnati sul fronte del riciclo chimico della plastica uno strumento in più.

Gli studiosi dell’ETH, infatti, hanno dimostrato che l’efficienza del procedimento dipende essenzialmente dal processo di miscelazione e hanno sviluppato una formula matematica per descrivere l’intero processo di riciclo chimico con tutti i suoi parametri, realizzando quello che è

“il sogno di ogni ingegnere chimico”.

Riciclo chimico della plastica: focus sull’efficienza

I rifiuti in plastica che a centinaia di tonnellate asfissiano il pianeta possono essere riciclati chimicamente: si tratta di scomporre i lunghi polimeri che li costituiscono nei loro elementi costitutivi fondamentali, che poi possono essere impiegati per ottenere plastiche di alta qualità o altri composti.

Il riciclo chimico, questo è stato chiaro sin da subito, ha delle enormi potenzialità: diversi esperimenti hanno già dimostrato che determinati processi chimici permettono di riciclare la plastica in maniera molto più efficace ed efficiente rispetto ai tradizionali metodi meccanici. Questi ultimi, infatti, si limitano a fondere i rifiuti e ricompattarli in altra forma – in un processo, tra l’altro, che deteriora la qualità dei materiali ad ogni ciclo.

Le molecole a catena più corta ottenute tramite la scomposizione dei polimeri possono essere utilizzate come carburanti liquidi e lubrificanti oppure diventare l’ingrediente principale di un processo che punta a ricostruire il materiale plastico di partenza o produrre altri polimeri plastici.

I rifiuti in plastica possono così avere una seconda vita, ma anche una terza e una quarta. Tutto dipende dall’efficienza del processo di riciclo. In questo contesto, i ricercatori del Politecnico di Zurigo stanno gettando delle basi molto solide per il progresso di questo campo di ricerca così cruciale. Le acquisizioni dello studio appena pubblicato su “Nature Chemical Engineering”, infatti, includono nuovi strumenti che consentiranno all’intera comunità scientifica mondiale di impegnarsi nello sviluppo di tecniche sempre più efficaci e mirate.

Come l’efficienza dipende dalla miscelazione

I ricercatori del gruppo guidato da Javier Pérez-Ramírez, professore di ingegneria della catalisi, hanno studiato come scomporre il polietilene e il polipropilene tramite idrogenolisi. Anche in questo caso, il primo passo consiste nel fondere la plastica in un serbatoio di acciaio, per poi introdurre nella plastica fusa l‘idrogeno gassoso.

Un passaggio cruciale è quello in cui al composto si aggiunge un catalizzatore in polvere, contenente metalli come il rutenio. Selezionando con cura il catalizzatore adatto i ricercatori possono aumentare l’efficienza della reazione chimica, promuovendo la formazione di molecole con catene di lunghezza specifica e riducendo al minimo i sottoprodotti come metano o propano.

Come si legge nello studio, il concetto di “efficacia del catalizzatore” risale agli anni Trenta del secolo scorso, quando pionieri come Damköhler e Thiele idearono dei criteri quantitativi che permettevano di valutare questa efficienza in modo eterogeneo,

“integrando i concetti di progettazione di catalizzatori e ingegneria delle reazioni”.

Il riciclo chimico delle poliolefine (come il polietilene e il polipropilene), in questo senso, resta un’importante di sfida per gli ingegneri chimici contemporanei in termini di progettazione di catalizzatori e ingegneria delle reazioni. Le poliolefine hanno infatti le loro caratteristiche specifiche, in particolare una spiccata resistenza chimica e un’altissima viscosità, che le rendono molto complesse da riciclare.

Come spiegano gli scienziati dell’ETH,

“la presenza di fusioni di polimeri non newtoniani con viscosità superiori a quella del miele fino a tre ordini di grandezza può portare a una miscelazione altamente inefficace se non si utilizzano tecnologie con elevata potenza per unità di volume, come l’agitazione meccanica”.

L’efficienza dei processi, in sostanza, dipende anche dalla miscelazione.

Una formula per il riciclo chimico della plastica

“La plastica fusa è mille volte più viscosa del miele”,

spiega Antonio José Martín.

“La chiave è il modo in cui la si agita nel serbatoio per garantire che la polvere di catalizzatore e l’idrogeno si mescolino bene”.

Attraverso esperimenti e simulazioni al computer, il team di ricerca ha dimostrato che la plastica viene agitata al meglio utilizzando una girante con pale parallele all’asse. Rispetto a un’elica con pale inclinate o a un agitatore a turbina, spiegano gli scienziati, si ottiene una miscelazione più uniforme e meno vortici di flusso. Anche la velocità di agitazione è fondamentale. Non deve essere né troppo lenta né troppo veloce: quella ideale è vicina ai 1.000 giri al minuto.

I ricercatori hanno sviluppato con successo una formula matematica che permette di calcolare gli intervalli di velocità di agitazione ottimali per un determinato reattore e per la geometria dell’agitatore, considerando viscosità della massa fusa, diametro dell’agitatore e tutti gli altri parametri del processo di riciclo chimico.

“È il sogno di ogni ingegnere chimico avere a portata di mano una formula come questa per il proprio processo”,

afferma Pérez-Ramírez. Tutti gli scienziati nel campo della ricerca possono ora calcolare con precisione l’effetto della geometria e della velocità dell’agitatore.

Con questa formula, gli esperimenti futuri potranno concentrarsi sul confronto diretto tra diversi catalizzatori, tenendo sotto controllo l’influenza della miscelazione.

“Per il momento la nostra attenzione rimane concentrata sulla ricerca di catalizzatori migliori per il riciclo chimico della plastica”,

conclude Martín.

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