¿Qué es la hidrólisis de plásticos?

Los plásticos se degradan en el agua por hidrólisis. Las moléculas de agua pueden reaccionar con enlaces químicos específicos en las cadenas de polímeros para formar nuevas moléculas.

Estas nuevas moléculas suelen ser mucho más cortas. Este proceso ocurre en varias etapas, como se muestra en la figura a continuación.

Etapa de hidratación (etapa 1): El medio acuoso penetra en la matriz del polímero y altera las fuerzas secundarias. Esto provoca que el polímero se relaje y disminuya su temperatura de transición vítrea.

En esta etapa inicial, las moléculas de agua actúan como pequeñas cuñas que penetran gradualmente en la compleja estructura de red de la matriz del polímero. Las fuerzas secundarias como los enlaces de hidrógeno y las fuerzas de van der Waals que mantienen las cadenas de polímeros en un estado relativamente ordenado se debilitan por la intrusión del agua.

Al igual que una pila de cartas ordenada que se altera suavemente, las cadenas de polímeros comienzan a moverse con mayor libertad, lo que lleva a la relajación de la estructura del material.

Como resultado, la temperatura de transición vítrea (la temperatura a la cual el polímero cambia de un estado vítreo duro a un estado gomoso más flexible) se reduce. Esto hace que el polímero sea más susceptible a cambios químicos y físicos adicionales porque las cadenas de polímeros ahora son más móviles y más accesibles a otros reactivos.

Por ejemplo, en ambientes húmedos, los plásticos basados en poliamida se hidratan relativamente rápido, y se puede observar una disminución en su temperatura de transición vítrea en un corto período de tiempo, lo que a su vez cambia las propiedades mecánicas del material a temperatura ambiente.

Etapa inicial de degradación (etapa 2): En las áreas donde el polímero está hidratado, los enlaces covalentes en la columna vertebral del polímero comienzan a romperse.

Esto resulta en una disminución del peso molecular del polímero. A medida que avanza la hidrólisis, la reacción de hidrólisis dentro de la matriz del polímero es autocatalizada por un número creciente de grupos terminales carboxilo, lo que provoca que el peso molecular del polímero continúe disminuyendo.

A medida que disminuye el peso molecular, el polímero también pierde su resistencia mecánica, pero el polímero aún mantiene su integridad. Cuando los enlaces covalentes en la columna vertebral del polímero (como los enlaces éster, amida o carbonato) entran en contacto con moléculas de agua, ocurre una reacción química.

Las moléculas de agua se descomponen y un átomo de hidrógeno se une a una parte de la cadena del polímero y un grupo hidroxilo a otra parte, rompiendo efectivamente el enlace covalente.

Por ejemplo, en plásticos basados en poliéster como el tereftalato de polietileno (PET), los enlaces éster son particularmente susceptibles a la hidrólisis. A medida que estos enlaces se rompen, las largas cadenas de polímeros se dividen en cadenas más cortas y el peso molecular disminuye.

Los nuevos grupos terminales carboxilo formados catalizan más reacciones de hidrólisis. Este proceso autoacelerado significa que una vez que comienza la hidrólisis, su velocidad tiende a aumentar con el tiempo. A medida que disminuye el peso molecular, la capacidad del polímero para resistir fuerzas externas, como tensión o presión, disminuye. Sin embargo, el material aún conserva su forma general, aunque se vuelve más flexible y menos duradero.

Mayor degradación (Etapa 3): El peso molecular del polímero continúa disminuyendo hasta que se alcanza un umbral en el que el polímero ya no puede mantener su integridad y comienza a experimentar una pérdida de masa notable. A medida que la reacción de hidrólisis continúa y el peso molecular disminuye aún más, el polímero alcanza un punto crítico.

Las cadenas moleculares restantes se vuelven demasiado cortas y débiles para mantener la integridad estructural del material. Esto es como una cuerda que se ha desgastado y roto en tantos pequeños pedazos que ya no puede soportar ningún peso. En esta etapa, el polímero comienza a descomponerse en piezas más pequeñas.

Por ejemplo, una película plástica que está experimentando hidrólisis puede comenzar a desarrollar pequeños agujeros y los bordes pueden comenzar a desmoronarse. Estas piezas luego se descomponen aún más por otros factores ambientales, como el flujo de agua o los microorganismos, lo que resulta en una pérdida de masa notable.

El polímero, que una vez tuvo una forma y tamaño específicos, comienza a desintegrarse y a dispersarse más en el medio ambiente.

Fase de disolución o erosión (Fase 4): La masa del polímero se reduce y sus fragmentos se descomponen aún más en moléculas que son solubles en el medio. En esta fase final, los pequeños fragmentos del polímero se descomponen en moléculas aún más pequeñas y se disuelven en el agua.

Estas moléculas solubles son luego transportadas por el flujo de agua, haciendo que el plástico desaparezca de su ubicación original. Este proceso es similar a la disolución del azúcar en el agua.

Tomando los plásticos como ejemplo, sustancias como los oligómeros de ácido láctico que pueden formarse durante la hidrólisis del ácido poliláctico (PLA) son capaces de disolverse en agua y ser transportadas a otras partes del medio ambiente.

Esto no solo conduce a la desaparición completa del material plástico original, sino que también tiene un impacto en el ecosistema circundante.

Estas moléculas disueltas pueden ser absorbidas por organismos acuáticos, causando potencialmente daño a través de la bioacumulación o interfiriendo con procesos biológicos normales.

La velocidad y el alcance de la hidrólisis de los plásticos están afectados por muchos factores. La temperatura juega un papel clave, y generalmente, cuanto mayor es la temperatura, más energía se proporciona para la reacción química y más rápida es la reacción de hidrólisis.

El pH del agua también afecta el proceso de hidrólisis, y algunos plásticos se degradan más rápido en ambientes ácidos o alcalinos.

Además, la presencia de catalizadores naturales o sintéticos puede acelerar el proceso de hidrólisis. Comprender la hidrólisis de los plásticos es crucial para desarrollar estrategias de gestión de residuos plásticos en ambientes acuáticos, como diseñar plásticos más biodegradables o mejorar los procesos de tratamiento de residuos para prevenir la liberación de productos de degradación dañinos.

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