Una svolta nel riciclaggio dei siliconi
Annunci
I siliconi sono ampiamente utilizzati nell’industria, in medicina e nei prodotti di uso quotidiano grazie alla loro straordinaria stabilità termica e chimica. Tuttavia, proprio a causa di queste caratteristiche, il riciclaggio dei siliconi è stato finora considerato estremamente problematico. I ricercatori dell’Istituto di Chimica del Politecnico di Berlino sono ora riusciti a scindere le catene polimeriche delle molecole di silicone fino al loro elemento costitutivo fondamentale. Il dimetildiclorsilano così ottenuto può poi essere riutilizzato come materia prima per la produzione di nuovi composti siliconici.
Il processo è già stato depositato per il brevetto e si basa su una complessa interazione di diversi cicli di reazione chimica. I ricercatori guidati dal Prof. Dr. Martin Oestreich lo hanno testato con successo su vari prodotti in silicone usati di uso quotidiano. Data la grande importanza per la chimica verde e l’economia circolare, l’articolo è stato selezionato dalla rinomata rivista specializzata *Nature* come pubblicazione online «Fast Track». Martin Oestreich è anche membro del cluster di eccellenza sulla catalisi UniSysCat del Politecnico di Berlino.
Il mercato dei prodotti in silicone è enorme: nel 2025 ammontava a oltre 21 miliardi di euro e gli analisti lo stimano a oltre 33 miliardi di euro nel 2033. Oltre alla loro stabilità termica e chimica, i siliconi si distinguono anche per le eccellenti proprietà meccaniche. Inoltre, il materiale respinge l’acqua in modo affidabile e allo stesso tempo è permeabile all’ossigeno. I siliconi sono presenti in numerosi prodotti di uso quotidiano: dagli stampi da forno e dalle tettarelle per biberon alle guarnizioni, fino ai tubi medici. «A causa delle sue caratteristiche di robustezza, il riciclaggio del silicone usato è molto difficile», afferma il Prof. Dr. Martin Oestreich, Professore Einstein, direttore del dipartimento di «Chimica organica/Sintesi e catalisi» e membro del cluster di eccellenza UniSysCat presso il Politecnico di Berlino. «Finora il silicone di scarto veniva per lo più incenerito o smaltito in discarica. Nel processo di riciclaggio, il materiale viene spesso trattato meccanicamente o scomposto chimicamente in silossani più piccoli e di forma anulare, dai quali è possibile produrre nuovamente siliconi. Questi nuovi siliconi sono però per lo più di qualità inferiore rispetto a quelli originali».
La produzione di siliconi richiede un consumo energetico estremamente elevato – il riciclaggio è quindi molto sensato
Da un lato, un riciclaggio completo dei siliconi sarebbe auspicabile, poiché si moltiplicano le prove che indicano che i siliconi smaltiti in discarica possono essere dannosi per l’ambiente e la salute. Dall’altro lato, la produzione di siliconi richiede enormi quantità di energia. Il silicio elementare necessario a tal fine deve infatti essere estratto dalla sabbia di quarzo a temperature di 2000 gradi Celsius. Con il silicio viene poi prodotto, tramite un processo speciale, il dimetildiclorsilano, il mattone fondamentale della chimica dei siliconi. «Questa molecola può essere concatenata in lunghe catene, sostituendo il cloro in essa contenuto con l’ossigeno», spiega Oestreich. Analogamente alla chimica del carbonio, in questo caso non sono gli atomi di carbonio, bensì i legami tra silicio (Si) e ossigeno (O) a costituire l’«asse» dei polimeri che si formano (Si–O–Si–O–Si). Per regolare le proprietà dei diversi siliconi, è possibile variare la lunghezza delle catene e legare ai lati delle catene diverse altre molecole.
La chiave per rompere le catene di silicone: lo ione sililium come catalizzatore e il fosgene
Un processo di riciclaggio ideale dovrebbe consentire di produrre, a partire da siliconi esausti di un determinato tipo, nuovi siliconi con proprietà diverse. «Per raggiungere questo obiettivo, è indispensabile che alla fine del processo di riciclaggio si ottenga la molecola di base dimetildiclorosilano», afferma Martin Oestreich. A tal fine, le catene Si–O–Si dei siliconi devono essere completamente spezzate. «Rompere i legami silicio-ossigeno è estremamente difficile. È proprio per questo che il silicone è un materiale così stabile». I ricercatori ci sono ora riusciti soprattutto grazie all’impiego di due molecole: uno «ione sililio» come catalizzatore e il gas fosgene. Con il termine «ione sililium» si indicano i composti chimici che contengono un atomo di silicio con carica positiva. In una complessa interazione di diversi cicli di reazione, lo ione sililium rimuove uno ione cloruro (Cl⁻) dal fosgene (COCl₂). Ciò che rimane è il composto COCl⁺. «Questa molecola possiede quindi la capacità chimica di rompere un legame silicio-ossigeno», spiega Oestreich. Un ulteriore vantaggio del processo: l’ossigeno proveniente dalle catene Si–O–Si rotte fuoriesce immediatamente sotto forma di anidride carbonica (CO₂). «L’ossigeno viene quindi legato in un composto stabile e immediatamente espulso come gas. In questo modo non è più disponibile per altre reazioni».
Il fosgene è tossico, ma viene utilizzato industrialmente in grandi quantità
Il fosgene è un gas tossico; per questo motivo i ricercatori non lo hanno utilizzato direttamente, ma, per motivi di sicurezza, hanno impiegato il trifosgene, una sostanza solida più facile da maneggiare, che rilascia il fosgene solo nel corso del ciclo di reazione. Anche questa trasformazione è catalizzata dallo ione sililio, che svolge così una doppia funzione. «L’uso del fosgene nell’industria chimica non è però affatto insolito. Ad esempio, importanti composti di partenza per i poliuretani, da cui sono costituiti schiume e materiali isolanti, vengono prodotti con l’ausilio del fosgene», spiega Martin Oestreich. Ciononostante, il suo gruppo di lavoro si sta già dedicando alla ricerca di alternative al fosgene. Inoltre, si intendono sviluppare processi per purificare il dimetildiclorsilano ottenuto nel processo di riciclaggio dai residui di fosgene, anche minimi.
Test con prodotti di uso quotidiano: resa molto elevata nel riciclaggio
Con temperature di 80 gradi, le condizioni di reazione sono moderate e il processo può quindi essere condotto senza un grande dispendio energetico. I ricercatori lo hanno già testato su stampi in silicone per cupcake, tettarelle per biberon, coperchi in silicone e altri prodotti in silicone. I risultati sono stati promettenti: per alcuni prodotti, la resa di dimetildiclorsilano recuperato dopo 24 ore ha raggiunto il 99 per cento. Una miscela di diversi prodotti in silicone usati ha prodotto una resa dell’86 per cento.
La ricerca di base dà i suoi frutti – Presentata la domanda di brevetto per il procedimento
«Il nostro successo dimostra che la ricerca di base può, prima o poi, tradursi in applicazioni concrete a cui nessuno aveva pensato prima», afferma Martin Oestreich. «Sono ormai 15 anni che conduciamo ricerche sugli ioni sililium e solo da circa cinque anni, con il riciclaggio dei siliconi, abbiamo improvvisamente davanti agli occhi un importante obiettivo applicativo di queste ricerche». Il processo è già stato depositato per il brevetto.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Altre notizie dal dipartimento scienza
