Investigadores crean un proceso que transforma residuos industriales en grafeno mediante fuego

Las opciones actuales para el reciclaje de fibra de carbono no son ideales. La trituración mecánica permite reutilizar el material como relleno, pero en aplicaciones de bajo valor. Por otro lado, los métodos químicos recuperan fibras casi como nuevas, aunque dependen de reactivos tóxicos y procesos lentos. Los tratamientos térmicos requieren varias horas a temperaturas que oscilan entre 400 y 1.000 grados, lo que implica un alto consumo de energía y una pérdida de calidad en la fibra reciclada. En resumen, reciclamos, sí, pero a menudo para obtener algo peor que lo original, lo que desincentiva a la industria.

Cómo funciona la “llama sólida”

Un trabajo publicado en la revista Nature Communications describe un protocolo que se basa en una técnica conocida como síntesis de alta temperatura auto propagada. Esta técnica consiste en una reacción que, una vez encendida, se alimenta sola a través de los sólidos que reaccionan entre sí.

El proceso se divide en cuatro pasos básicos. Primero, se mezclan los residuos de fibra de carbono con polvos de magnesio y carbonato cálcico. Esta mezcla se introduce en un crisol de grafito dentro de un recipiente al vacío. Luego, se aplica un único impulso eléctrico que es suficiente para iniciar la reacción. A partir de este momento, la combustión se propaga por la mezcla en forma de “llama sólida”, alcanzando temperaturas del orden de miles de grados durante microsegundos.

La reacción principal entre magnesio y carbonato cálcico genera óxidos de magnesio y calcio, así como carbono en forma de grafeno. Al mismo tiempo, el magnesio ayuda a romper los enlaces entre carbono y oxígeno de la resina epoxi, facilitando que los átomos de carbono se vuelvan a unir. Parte de este carbono crece como escamas de grafeno adheridas directamente a la superficie de la fibra, mientras que el resto se organiza en polvos de grafeno de pocas capas.

Tras la combustión, un baño ácido elimina los óxidos metálicos y un tamizado separa las fibras injertadas con grafeno de los polvos de grafeno. Todo este proceso de suprarreciclaje sucede en segundos, con una energía de ignición de aproximadamente 0,009 kilojulios por gramo, una cifra muy por debajo de otros métodos eléctricos intensivos.

Menos energía, menos CO₂ y productos de alto valor

El análisis de ciclo de vida realizado por el equipo de investigación compara tres escenarios para gestionar un kilo de residuo de fibra de carbono con un contenido medio de resina del 25%: suprarreciclaje mediante llamas sólidas, reciclaje térmico e incineración. En términos de energía acumulada, fabricar fibra de carbono virgen requiere entre 183 y 286 megajulios por kilo, mientras que el nuevo proceso necesita solo aproximadamente 10,8 megajulios por kilo de residuo tratado. Respecto al potencial de calentamiento global, el suprarreciclaje mediante llamas sólidas se sitúa en unos 2,1 kilos de CO₂ equivalente por kilo de residuo, en comparación con 3,4 kilos de CO₂ equivalente por kilo en los escenarios de reciclaje térmico e incineración.

Los autores también comparan la producción de grafeno mediante llamas sólidas con métodos convencionales, como el proceso de Hummers o la deposición química en fase de vapor. Sus cálculos indican que esta ruta tiene un menor impacto tanto en energía como en emisiones de gases de efecto invernadero. Además, las salmueras residuales que contienen cloruros de magnesio y calcio se pueden reciclar en otros procesos industriales, lo que reduce aún más la carga ambiental.

Desde un punto de vista económico, el estudio estima que, si solo se produce grafeno con esta técnica, el costo ronda los 17,11 dólares por kilo. Sin embargo, cuando se incorporan residuos de fibra de carbono y se obtienen a la vez fibras injertadas y grafeno, el costo conjunto baja a unos 8,68 dólares por kilo de producto. Si las fibras injertadas se venden a precios similares a los de la fibra reciclada, alrededor de 15 dólares por kilo, el grafeno podría ser rentable incluso con un precio de venta de unos 11,62 dólares por kilo, compitiendo así con algunos polvos de grafito comerciales.

Para qué sirven esas nuevas fibras y ese grafeno

Los investigadores no se quedan en la teoría. Utilizan las fibras injertadas para reforzar materiales de grafito. Con una fracción del 10% en peso, la resistencia a flexión del compuesto resultante pasa de unos 25 megapascales en el grafito sin refuerzo a alrededor de 107 megapascales, un incremento que multiplica por más de cuatro la capacidad de soporte de carga.

Paralelamente, caracterizan los polvos de grafeno, que presentan una alta conductividad eléctrica y una estructura porosa con una superficie específica de aproximadamente 130 metros cuadrados por gramo. Cuando se compactan en una placa, esta es capaz de bloquear más del 99,95% de la radiación electromagnética en ciertas frecuencias de microondas, lo que representa un comportamiento prometedor para aplicaciones de apantallamiento frente a interferencias electromagnéticas.

Qué significa esto en la práctica

Por el momento, no veremos plantas municipales aplicando “llamas sólidas” sobre los residuos. Se trata de una prueba de concepto avanzada, diseñada para el ámbito industrial, que aún debe escalarse y adaptarse a normativas de seguridad y gestión de residuos. No obstante, el mensaje subyacente es claro: es posible tratar un residuo complejo como la fibra de carbono mezclada con resina epoxi de una manera que ahorra energía, reduce emisiones en comparación con las opciones habituales y genera productos que tienen un mercado real en sectores como los materiales avanzados y la electrónica.

En un contexto donde la aviación y la energía eólica se presentan como pilares de la transición ecológica, cerrar el círculo de sus propios residuos no es un tema menor. Es un avance significativo.

El estudio completo ha sido publicado en la revista Nature Communications.