Neues Verfahren könnte effizienteres Kunststoffrecycling ermöglichen

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Die Ansammlung von Plastikmüll in den Ozeanen, im Boden und sogar in unserem Körper ist eines der größten Verschmutzungsprobleme der modernen Zeit. Bisher wurden über 5 Milliarden Tonnen Plastikmüll entsorgt. Trotz großer Bemühungen, Kunststoffprodukte zu recyceln, bleibt die tatsächliche Nutzung dieses bunten Materialmixes eine Herausforderung.

Ein Hauptproblem besteht darin, dass es Kunststoffe in so vielen verschiedenen Varianten gibt und dass die chemischen Prozesse, mit denen sie in eine Form zerlegt werden, die auf irgendeine Weise wiederverwendet werden kann, für jede Art von Kunststoff sehr spezifisch sind. Das Sortieren des Sammelsuriums an Abfallmaterial, von Limonadenflaschen über Waschmittelkrüge bis hin zu Plastikspielzeug, ist im großen Maßstab unpraktisch. Heutzutage landet ein Großteil des durch Recyclingprogramme gesammelten Kunststoffmaterials ohnehin auf Mülldeponien. Sicherlich gibt es einen besseren Weg.

Nach neuen Untersuchungen des MIT und anderswo scheint es, dass es tatsächlich einen viel besseren Weg gibt. Es wurde festgestellt, dass ein chemischer Prozess mit einem auf Kobalt basierenden Katalysator sehr effektiv ist, um eine Vielzahl von Kunststoffen wie Polyethylen (PET) und Polypropylen (PP), die beiden am häufigsten hergestellten Kunststoffformen, in ein einziges Produkt zu zerlegen. Propan. Propan kann dann als Brennstoff für Öfen, Heizgeräte und Fahrzeuge oder als Rohstoff für die Herstellung einer Vielzahl von Produkten – einschließlich neuer Kunststoffe – verwendet werden und bietet so möglicherweise ein zumindest teilweise geschlossenes Recyclingsystem.

Der Befund wird heute in der Open-Access-Zeitschrift JACS Au in einem Artikel des MIT-Professors für Chemieingenieurwesen Yuriy Román-Leshkov, des Postdocs Guido Zichitella und sieben weiteren Mitarbeitern am MIT, dem SLAC National Accelerator Laboratory und dem National Renewable Energy Laboratory beschrieben.

Das Recycling von Kunststoffen sei ein heikles Problem gewesen, erklärt Román-Leshkov, da die langkettigen Moleküle in Kunststoffen durch Kohlenstoffbindungen zusammengehalten würden, die „sehr stabil und schwer aufzubrechen“ seien. Bestehende Techniken zum Aufbrechen dieser Bindungen neigen dazu, eine zufällige Mischung verschiedener Moleküle zu erzeugen, die dann komplexe Veredelungsmethoden erfordern würden, um sie in verwendbare spezifische Verbindungen aufzutrennen. „Das Problem ist“, sagt er, „es gibt keine Möglichkeit zu kontrollieren, wo in der Kohlenstoffkette man das Molekül aufbricht.“

Doch zur Überraschung der Forscher kann ein Katalysator aus einem mikroporösen Material namens Zeolith, das Kobalt-Nanopartikel enthält, verschiedene Kunststoff-Polymermoleküle selektiv abbauen und mehr als 80 Prozent davon in Propan umwandeln.

Obwohl Zeolithe mit winzigen Poren von weniger als einem Nanometer Durchmesser (entsprechend der Breite der Polymerketten) durchsetzt sind, war eine logische Annahme, dass es überhaupt kaum Wechselwirkungen zwischen dem Zeolith und den Polymeren geben würde. Überraschenderweise war jedoch das Gegenteil der Fall: Die Polymerketten dringen nicht nur in die Poren ein, sondern die synergistische Arbeit zwischen Kobalt und den Säurezentren im Zeolith kann die Kette an derselben Stelle brechen. Es stellte sich heraus, dass diese Spaltungsstelle der Abspaltung genau eines Propanmoleküls entsprach, ohne unerwünschtes Methan zu erzeugen, sodass der Rest der längeren Kohlenwasserstoffe immer wieder für den Prozess bereit blieb.

„Sobald Sie diese eine Verbindung, Propan, haben, verringern Sie die Belastung für nachgeschaltete Trennungen“, sagt Román-Leshkov. „Das ist der Grund, warum wir das für sehr wichtig halten. Wir lösen nicht nur die Bindungen, sondern erzeugen im Wesentlichen ein einziges Produkt“, das für viele verschiedene Produkte und Prozesse verwendet werden kann.

Die für den Prozess benötigten Materialien, Zeolithe und Kobalt, „sind beide recht günstig“ und weit verbreitet, sagt er, obwohl heute das meiste Kobalt aus Krisengebieten in der Demokratischen Republik Kongo stammt. Einige neue Produktionen werden in Kanada, Kuba und anderen Orten entwickelt. Das andere für den Prozess benötigte Material ist Wasserstoff, der heute größtenteils aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird, aber auch leicht auf andere Weise hergestellt werden kann, einschließlich der Elektrolyse von Wasser mit kohlenstofffreiem Strom wie Solar- oder Windkraft.

Die Forscher testeten ihr System an einem realen Beispiel gemischten recycelten Kunststoffs und erzielten vielversprechende Ergebnisse. Es werden jedoch weitere Tests an einer größeren Vielfalt gemischter Abfallströme erforderlich sein, um festzustellen, wie stark die Verschmutzung durch verschiedene Verunreinigungen im Material erfolgt – wie z. B. Tinten, Klebstoffe und Etiketten, die an den Kunststoffbehältern angebracht sind, oder andere nicht aus Kunststoff bestehende Materialien, die mitgemischt werden mit dem Abfall – und wie sich das auf die Langzeitstabilität des Prozesses auswirkt.

Gemeinsam mit Mitarbeitern am NREL untersucht das MIT-Team außerdem weiterhin die Wirtschaftlichkeit des Systems und analysiert, wie es in heutige Systeme zur Handhabung von Kunststoff- und gemischten Abfallströmen passen kann. „Wir haben noch nicht alle Antworten“, sagt Román-Leshkov, aber die vorläufige Analyse sieht vielversprechend aus.

Zum Forschungsteam gehörten Amani Ebrahim und Simone Bare vom SLAC National Accelerator Laboratory; Jie Zhu, Anna Brenner, Griffin Drake und Julie Rorrer am MIT; und Greg Beckham vom National Renewable Energy Laboratory. Die Arbeit wurde im Rahmen des US-Energieministeriums (DoE), des Schweizerischen Nationalfonds sowie des Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, des Advanced Manufacturing Office (AMO) und des Bioenergy Technologies Office (BETO) des DoE unterstützt das BOTTLE-Konsortium (Bio-Optimized Technologies to Keep Thermoplastics Out from Landfills and the Environment).

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