Plásticos con nanopartículas para su desintegración por degradación

La contaminación de plásticos a escala mundial se ha incrementado en las últimas décadas, pues estos desempeñan funciones importantes en la sociedad actual, por lo que la cantidad de desechos plásticos es enorme y, en adición, se realiza una mala disposición de los mismos, que ocasiona un problema ecológico.

Por consiguiente, la contaminación por plásticos se considera uno de los principales problemas existentes en la actualidad; una de las áreas en la que se utiliza más el plástico es el envase y empacado de alimentos, que utilizan principalmente polietileno (PE), polipropileno (PP), poliestireno (PS), poli(cloruro de vinilo) (PVC) y polietilen tereftalato (PET), no biodegradables.

A pesar de que estos materiales son termoplásticos reciclables, existen pocas empresas de reciclado en comparación con la cantidad de plástico que se desecha hoy. Por eso se buscan alternativas para disminuir este problema, que termina por contaminar los mares, playas, bosques y ciudades, entre otros. Para disminuir la contaminación se considera desintegrar tales materiales, y se deben tomar en cuenta las siguientes estrategias de degradación de plásticos:

1. Degradación fotooxidativa.
2. Degradación catalítica.
3. Degradación térmica.
4. Degradación inducida por el ozono.
5. Degradación mecano-química.
6. Biodegradación.

Podemos considerar que los caminos más viables para la desintegración de los plásticos pueden realizarse más eficientemente tomando en consideración la situación y condiciones ambientales de los vertederos de desechos. De acuerdo con tales condiciones, las estrategias de degradación de los desechos plásticos con más viabilidad y futuro son la fotooxidación y biodegradación que actualmente tienen gran atención científica y tecnológica.

Aunque tales estrategias presentan velocidades de degradación bajas, se puede hacer uso de tecnologías más avanzadas, como la nanotecnología, para incrementar la degradación de los plásticos. Las nanopartículas poseen gran potencial en la degradación de los plásticos, ya que mejoran el proceso de degradación al influir en el crecimiento de los microorganismos y pueden actuar como catalizadores en el proceso de degradación ambiental. En este sentido, existen en la literatura trabajos de investigación que consideran nanopartículas como dióxido de titanio, TiO₂,^1,2 titanato de bario, BaTiO₃,² supermagnéticas de óxido de hierro, SION,^2,3 y fullereno 60.^2,3

La nanotecnología hace una importante aportación en la mitigación de la contaminación de los desechos plásticos, ya que se ha reportado que las nanopartículas pueden tener un sinfín de oportunidades para mejorar e incrementar las propiedades y, a su vez, buscar la degradación más rápida de los plásticos.

Nanopartículas de óxido de titanio (TiO₂)

Estudios realizados sobre el efecto del tamaño de las nanopartículas de TiO₂ en películas plásticas de nanocompuestos han encontrado que las partículas de 50 nm presentan propiedades fotocatalíticas mayores que las nanopartículas de mayores tamaños.² Se requiere una degradación eficiente de los plásticos, razón por la cual se han realizado investigaciones adicionales que incrementen aún más el efecto catalítico de las nanopartículas de TiO₂, mediante la mezcla de TiO₂ con óxido de grafeno reducido (rGO).¹

La utilización de nanopartículas de TiO₂-óxido de grafeno reducido (35-40 nm) en la degradación fotocatalítica del polipropileno (PP) mostró ser muy eficiente bajo radiación solar por tan solo 130 hr.¹ Se analizó la superficie de los nanocompuestos por microscopía electrónica de barrido y de transmisión (SEM, TEM) y espectroscopía FTIR, observando cómo la superficie presentaba a grandes magnificaciones un gran deterioro de la superficie, con cavidades de hasta 500 nm y la oxidación de la estructura del PP, señales claras de la degradación del material.¹

Nanopartículas de titanato de bario (BaTiO₃)

Las nanopartículas de titanato de bario (NBT) se obtienen de la combinación de óxidos de bario con titanio. Los estudios de tales NBT han indicado que pueden ser una alternativa para incrementar la degradación de los plásticos por microorganismos (biodegradación). Se ha encontrado que estas partículas pueden influir en el ciclo de crecimiento y nutrición de los consorcios bacterianos, que atacan al polietileno (PE) e incrementan su biodegradación.³ Las NBT de 38 nm en poliester han demostrado ser las de mayor eficiencia en consorcios bacterianos de Microbacterium cepa MK3,³ Bacterium Te68R cepa PN12³ y Pseudomonas putida cepa MK4.⁴

Uno de los estudios reporta que las muestras de PE sin y con NBT extraídas de un ambiente bacteriano, se analizaron por espectroscopia UV para determinar el efecto bacteriano. Los espectros UV indicaron que debido a los cambios estructurales que sufrió el PE en ausencia de NBT después de 4 días de exposición a las bacterias, se observa un desplazamiento a una longitud de onda de 209 nm a 225.3 nm. En cambio, los espectros UV del PE con NBT de 2 días de exposición a las bacterias muestran un desplazamiento a una longitud de onda de 209 nm a 224.1 nm. Esto señala un incremento de la degradación del PE por la presencia de las NBT.

Supermagnéticas de óxido de hierro (SION)

Estas nanopartículas han tenido una gran variedad de aplicaciones en el área de la medicina (suministro de fármacos magnéticos), fluidos magnéticos, almacenamiento de información de alta densidad y en dispositivos de microondas. Debido a sus propiedades magnéticas, algunos estudios han demostrado que pueden influir en el crecimiento bacteriano al interactuar con la polaridad electrónica de las bacterias.

Las investigaciones realizadas con estas SION (10.6 nm), similares a las realizadas con las NBT mencionadas antes, obtuvieron resultados en muestras de polietileno muy semejantes a los de las NBT por espectroscopía UV, donde la muestra de PE con SION registró un desplazamiento de la longitud de onda de 209 nm a 222.6 nm en un día de exposición bacteriana, y la PE sin SION mostró un desplazamiento de longitud de onda de 209 nm a 225 nm en 2 días, indicando un mayor cambio estructural de PE con la presencia de las SION. Por tal razón, las SION pueden ser consideradas como otra alternativa para la biodegradación de los plásticos por microorganismos.³

El uso de estas nanopartículas para incrementar la degradación del plástico puede ser una solución alternativa para la desintegración de tales materiales con el fin de disminuir la contaminación por desechos plásticos en todo el planeta.

Bibliografía

1 Rajni Verma, Sachchidanand Singh, M.K. Dalai, M. Saravanan, Ved V. Agrawal, Avanish Kumar Srivastava “Photocatalytic degradation of polypropylene film using TiO2-based nanomaterials under solar irradiation”, Materials and Design 133 (2017) 10–18.

2 De Muniswamy David, Lokeshkumar Prakash, Jeyabalan Sangeetha, Jarnain Naik, Devarajan Thangadurai, and Shivasharana Chandrabanda Thimmappa “Handbook of Nanomaterials and Nanocomposites for Energy and Environmental Applications” de O. V. Kharissova, Capítulo “Degradation of Plastics Using Nanomaterials”, Springer Nature Switzerland (2020), 1-13.

3 Mayuri Bhatia*, Amandeep Girdhar, Bina Chandrakar and Archana Tiwari

“Implicating Nanoparticles as Potential Biodegradation Enhancers: A Review” Nanomed Nanotechnol (2013), (4)4, DOI: 10.4172/2157-7439.1000175.

4 Scherer TM, Fuller RC, Lenz RW, Goodwin S “Hydrolase activity of an extracellular depolymerase from Aspergillus fumigatus with bacterial and synthetic polyesters”. Polymer Degradation and Stability (1999), 64: 267-275.