El Reciclaje: ¿Una Estrategia para la nanotecnología sostenible?

Blog original en inglés por Howard Fairbrother
Originalmente publicado el 17 de octubre de 2017
Traducido por Mariah Dooley y editado por Becky Rodriguez

Hoy en día, todos estamos familiarizados con el concepto de reciclaje. La mayoría de nosotros practicamos el ritual semanal de clasificar y colocar  materiales para reciclaje como botellas, latas y cajas de cartón en contenedores de color de gran tamaño ubicados frente a nuestras casas. Después de haber sido recogidos, estos materiales reciclables se transportan a los centros de recolección donde son clasificados, limpiados y convertidos a nuevos materiales.

Uno de los beneficios principales del reciclaje,  es la reducción del consumo de energía a través de la reutilización de materias crudas que, de otro modo, serían desechados como basura. El reciclaje también ayuda a conservar valiosos recursos naturales y reduce la cantidad de basura enviada a vertederos e instalaciones de incineración. Esto no solo reduce el costo, sino que también ayuda a proteger el medio ambiente, reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero de la incineración de plásticos o la lixiviación de productos químicos tóxicos de los vertederos. Pero, ¿podemos reciclar nanomateriales o convertir residuos  tradicionales en nanomateriales?

riciclar

Se pueden reciclar muchos materiales diferentes. (Imagen de Pixabay)

Los nanomateriales poseen propiedades químicas y físicas únicas que los hacen apropiados para usar en muchos productos de consumo. Esto ha causado un gran aumento en la cantidad de productos para el hogar que incorporan nanomateriales. Los ejemplos incluyen catalizadores de nanopartículas de oro y puntos cuánticos inorgánicos encontrados en las pantallas de televisión y computadoras. Una consecuencia inevitable del aumento en uso de nanomateriales es la contaminación de cuerpos de agua: ¡Cuanto más compramos, ¡más se desecha!

Hasta la fecha, solo se han desarrollado algunas estrategias de reciclaje y la reutilización de nanopartículas.1 Diseñar estas estrategias es desafiante, porque para que sean prácticas, tienen que ser relativamente simples,  económicas, rápidas y eficientes del punto de vista energético. El método de recuperación más utilizado hoy en día implica el uso de imanes para separar nanopartículas que contienen hierro de mezclas complejas, incluyendo aguas residuales.2, 3 También se han desarrollado varios métodos para la extracción, separación, y reutilización de las costosas nanopartículas de oro de diferentes líquidos.4

Una nueva variante sobre el concepto de reciclaje de nanopartículas que recientemente ha traido interés, es la idea de reutilizar materiales de desecho tradicionales para la producción de nanomateriales. Por ejemplo, las bolsas de plástico se han utilizado para crear puntos cuánticos  de carbono, que son pequeñas nanopartículas de carbono (de menos de 10 nm de tamaño) con propiedades ópticas interesantes y que se pueden usar en aplicaciones como agentes de formación de imágenes. Para hacer estos  puntos  cuánticos de carbono se utilizó un procedimiento sencillo:  se cortaron  bolsas de plástico en pequeños trozos y  se calentaron  en una solución  que contenía peróxido de hidrógeno y un blanqueador doméstico (lejía) que se puede encontrar en su armario de primeros auxilios.5 (Colegas del CSN publicaron recientemente un artículo en la Revista de Educación Química(Journal of Chemical Education) explicando cómo estudiantes en la escuela secundaria pueden hacer puntos cuánticos de carbono.)6

fluorescentes.png

Puntos cuánticos de carbono fluorescentes (imagen de Pham et al., 20176))

Otro de los desechos que se pueden reciclar para producir nanomateriales son los  discos compactos (CDS por sus siglas en inglés). El poder reusar los CDs es importante porque con el incremento de las urbanizaciones en el mundo, se estima que los desechos electrónicos como los CDs se acumularán tres veces más que la basura doméstica normal.7

El  método de reutilización de  este desperdicio consiste en calentar los discos compactos (CDs) desechados en un horno junto con arena para crear nanopartículas de carburo de silicio, un nanomaterial con excelentes propiedades térmicas, químicas, y mecánicas.

Además de los desechos electrónicos, el vidrio es otro producto doméstico común que se acumula en nuestros vertederos por toneladas (aunque es reciclable). Al igual que la arena, el vidrio está hecho de una mezcla de silicio y oxígeno conocida como sílice. Un grupo de investigación en UC Riverside ha ideado recientemente una forma de convertir este vidrio residual (sílice) en nanomateriales de silicio que se pueden usar para almacenar energía en baterías. 8El método es relativamente sencillo; las botellas de vidrio primero se trituran en trozos pequeños, se limpian con isopropanol (un ingrediente común en antisépticos, desinfectantes y detergentes) y se mezclan con sal. Esta mezcla luego se calienta en un horno en presencia de magnesio, produciendo nanopartículas de silicio. El magnesio permite que la sílice se convierta en silicio en el horno, mientras que la sal ayuda a absorber el calor producido en esta reacción química y evita que las nanopartículas de silicio se combinen en una pieza de silicio mucho más grande y menos útil. Las nanopartículas de silicio formadas en este proceso se pueden usar como un componente de almacenamiento de energía activo y efectivo en una batería de celda de combustible de iones de litio, un tipo de batería recargable y ligera cada vez más popular que reemplaza a las baterías de plomo ácido más tradicionales y voluminosas que se encuentran en la mayoría de los automóviles. (Consulte nuestras publicaciones anteriores sobre baterías de iones de litio y baterías de automóviles eléctricos).

reutilizar

Los desechos tradicionales  se pueden reutilizar en la fabricación de  nanomateriales útiles: botellas de vidrio, CDs y bolsas de plástico (imagen de mi cocina) pueden reutilizarse para crear nanopartículas como puntos  cuánticos de carbono (arriba, imagen cortesía de Bo Zhi) y nanopartículas de carburo de silicio (abajo, imagen de Li et al. al. 20178)

El valor intrínseco de las nanopartículas y la necesidad de recuperar y reutilizar estos materiales de alto valor han proporcionado la motivación para el reciclaje de nanopartículas y la reutilización de residuos tradicionales en la fabricacion de nanopartículas. Si tienen éxito, estas dos iniciativas de química ecológica ciertamente ayudarán a reducir el consumo de energía y minimizar la acumulación de desechos si pueden ser implementadas a una escala industrial. Por estas razones, el reciclaje de nanopartículas en sus diversas formas está ganando popularidad como tema de conversación en la comunidad científica, cuya importancia parece aumentar con seguridad en los próximos años.


REFERENCIAS (en inglés)

  1. Deep, A.; Kumar, K.; Kumar, P.; Kumar, P.; Sharma, A. L.; Gupta, B.; Bharadwaj, L. M., Recovery of Pure ZnO Nanoparticles from Spent Zn-MnO2 Alkaline Batteries. Environmental Science & Technology 2011, 45(24), 10551-10556. DOI: 10.1021/es201744t.
  2. Myakonkaya, O.; Guibert, C.; Eastoe, J.; Grillo, I., Recovery of Nanoparticles Made Easy. Langmuir 2010,26 (6), 3794-3797. DOI: 10.1021/la100111b.
  3. Myakonkaya, O.; Hu, Z. Y.; Nazar, M. F.; Eastoe, J., Recycling Functional Colloids and Nanoparticles. Chemistry-a European Journal 2010, 16 (39), 11784-11790.
  4. Pati, P.; McGinnis, S.; Vikesland, P. J., Waste not want not: life cycle implications of gold recovery and recycling from nanowaste. Environmental Science-Nano 2016, 3 (5), 1133-1143. DOI: 10.1039/C6EN00181E.
  5. Hu, Y. P.; Yang, J.; Tian, J. W.; Jia, L.; Yu, J. S., Green and size-controllable synthesis of photoluminescent carbon nanoparticles from waste plastic bags. Resource Advances 2014, 4 (88), 47169-47176. DOI: 10.1039/C4RA08306G.
  6. Pham, S.; Kuether, J.; Gallagher, M.; Tapia Hernandez, R.; Williams, D.; Zhi, B.; Mensch, A.; Hamers, R.; Rosenzweig, Z.; Fairbrother, H.; Krause, M.; Feng, Z.; Haynes, C. Carbon Dots: A Modular Activity To Teach Fluorescence and Nanotechnology at Multiple Levels. Journal of Chemical Education. 2017, 94 (8), 1143-1149. DOI10.1021/acs.jchemed.6b00995.
  7. Rajarao, R.; Ferreira, R.; Sadi, S. H. F.; Khanna, R.; Sahajwalla, V., Synthesis of silicon carbide nanoparticles by using electronic waste as a carbon source. Materials Letters 2014, 120, 65-68. DOI: 10.1016/j.matlet.2014.01.018.
  8. Li, C. L.; Liu, C.; Wang, W.; Mutlu, Z.; Bell, J.; Ahmed, K.; Ye, R.; Ozkan, M.; Ozkan, C. S., Silicon Derived from Glass Bottles as Anode Materials for Lithium Ion Full Cell Batteries. Scientific Reports 2017. DOI: 10.1038/s41598-017-01086-8.

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