Hidrógeno y gas de síntesis a partir de residuos plásticos mediante plasma y catálisis
Rufino M. Navarro Yerga
Grupo de Energía y Química Sostenibles.
Instituto de catálisis y petroleoquímica (CSIC)
La valorización de los residuos plásticos constituye uno de los retos actuales en el desarrollo de una economía más circular y sostenible. En este contexto, una de las líneas de investigación del grupo de Energía y Química Sostenibles del Instituto de Catálisis y Petroleoquímica del CSIC aborda la transformación de residuos plásticos en productos de mayor valor, como el hidrógeno o el gas de síntesis (constituido fundamentalmente por monóxido de carbono e hidrógeno). El hidrógeno y el gas de síntesis son fundamentales en la industria química, especialmente para la síntesis de metanol y la producción de combustibles sintéticos.
La transformación de aceites de pirolisis de residuos plásticos, en concreto derivados de la descomposición térmica de residuos de polietileno de baja densidad (LDPE), en gas de síntesis se ha investigado mediante un proceso que combina plasma no térmico y catálisis. El residuo plástico se transforma en gas de síntesis mediante una reacción de oxidación parcial asistida por plasma no térmico, un estado de la materia donde los electrones alcanzan temperaturas muy elevadas mientras el gas se mantiene a temperatura moderada, combinada con catalizadores estructurados basados en rodio y óxido de cerio. Para activar estas corrientes de residuos, el proceso emplea plasma no térmico (NTP), un gas parcialmente ionizado generado mediante descargas pulsadas de alta frecuencia entre dos electrodos con una elevada diferencia de potencial. La clave de esta tecnología radica en que los electrones alcanzan temperaturas extremadamente altas (10.000 ºC), mientras que la temperatura global del gas permanece baja. Al interactuar el plasma con el oxígeno y las moléculas de hidrocarburos presentes en el residuo plástico, estos electrones de alta energía provocan la ruptura de enlaces químicos y la formación de radicales libres y especies excitadas, capaces de favorecer las reacciones de oxidación a temperaturas globales relativamente bajas. A continuación, la presencia del catalizador resulta crucial en el sistema post-plasma, ya que canaliza estas especies altamente reactivas e inestables hacia las rutas de reacción deseadas, garantizando una alta selectividad en la formación de hidrógeno y monóxido de carbono y evitando la formación de subproductos indeseados. El reactor utiliza una descarga de plasma de arco deslizante rotatorio (rotating gliding arc), que genera las especies altamente reactivas. El catalizador se incorpora inmediatamente después de la zona de plasma, de manera que ambos procesos actúan conjuntamente para favorecer la transformación del aceite de pirólisis del residuo plástico en una corriente rica en hidrógeno y monóxido de carbono.
Los resultados obtenidos muestran una conversión completa del aceite del residuo plástico. Dependiendo de la relación oxígeno/carbono, se alcanzaron eficiencias de extracción de hidrógeno de aproximadamente el 80%, con una formación muy limitada de hidrocarburos ligeros y sin detección de compuestos pesados. Además, el proceso mantuvo un elevado rendimiento a pesar de la presencia de impurezas de azufre y nitrógeno procedentes del residuo plástico.
Uno de los aspectos más relevantes del proceso es su reducido consumo energético. La energía eléctrica suministrada al plasma representó únicamente alrededor del 2% del contenido energético del residuo tratado, utilizando el aceite del residuo plástico a temperatura ambiente y sin necesidad de integración térmica adicional. Estos resultados ponen de manifiesto el potencial de combinar pirólisis, plasma no térmico y catálisis para transformar residuos plásticos, contribuyendo a su valorización mediante la producción de hidrógeno y monóxido de carbono como materias primas químicas. Aunque todavía es necesario avanzar en aspectos como la estabilidad a largo plazo, la operación con corrientes reales de residuos y la futura ampliación de escala, esta tecnología abre una vía interesante para el aprovechamiento de residuos plásticos difíciles de valorizar mediante las rutas convencionales.
