Unser Planet erstickt an Plastik. Zu den schlimmsten Übeltätern, die Jahrzehnte brauchen, um auf Mülldeponien abgebaut zu werden, gehören Polypropylen – das für Dinge wie Lebensmittelverpackungen und Stoßstangen verwendet wird – und Polyethylen, das in Plastiktüten, Flaschen, Spielzeug und sogar Mulch enthalten ist.
Polypropylen und Polyethylen können recycelt werden, doch der Prozess ist schwierig und erzeugt häufig große Mengen des Treibhausgases Methan. Beide sind Polyolefine, also Produkte der Polymerisation von Ethylen und Propylen, Rohstoffen, die hauptsächlich aus fossilen Brennstoffen gewonnen werden. Die Bindungen von Polyolefinen sind außerdem bekanntermaßen schwer zu lösen.
Forscher der University of California in Berkeley haben nun eine Methode zum Recycling dieser Polymere entwickelt. Dabei kommen Katalysatoren zum Einsatz, die die Bindungen der Polymere leicht aufbrechen und sie in Propylen und Isobutylen umwandeln, die bei Raumtemperatur gasförmig sind. Diese Gase können dann zu neuen Kunststoffen recycelt werden.
„Weil Polypropylen und Polyethylen zu den Kunststoffen gehören, die in einem gemischten Abfallstrom am schwierigsten und teuersten voneinander zu trennen sind, ist es entscheidend, dass (ein Recycling-)Prozess für beide Polyolefine anwendbar ist“, sagte das Forschungsteam in einer Studie kürzlich in Science veröffentlicht.
Aufschlüsselung
Das von dem Team verwendete Recyclingverfahren ist als isomerisierende Ethenolyse bekannt und beruht auf einem Katalysator, der Olefinpolymerketten in ihre kleinen Moleküle zerlegt. Polyethylen- und Polypropylenbindungen sind gegenüber chemischen Reaktionen sehr widerstandsfähig, da beide Polyolefine lange Ketten aus Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einzelbindungen aufweisen. Die meisten Polymere weisen mindestens eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung auf, die viel leichter aufzubrechen ist.
Die gleichen Forscher hatten bereits zuvor versucht, Ethenolyse zu isomerisieren. Die bisherigen Katalysatoren waren jedoch teure Metalle, die nicht lange genug rein blieben, um den gesamten Kunststoff in Gas umzuwandeln. Die Verwendung von Natrium auf Aluminiumoxid, gefolgt von Wolframoxid auf Siliciumdioxid, erwies sich als wesentlich wirtschaftlicher und effektiver, auch wenn die für die Reaktion erforderlichen hohen Temperaturen die Kosten etwas erhöhten.
Bei beiden Kunststoffen zerbrach die Einwirkung von Natrium auf Aluminiumoxid jede Polymerkette in kürzere Polymerketten und erzeugte an den Enden brechbare Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Die Ketten brachen immer wieder. Beide durchliefen dann einen zweiten Prozess, der als Olefinmetathese bekannt ist. Sie wurden einem Strom von Ethylengas ausgesetzt, der in eine Reaktionskammer strömte, während sie Wolframoxid auf Siliciumdioxid zugeführt wurden, was zum Aufbrechen der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen führte.
Die Reaktion bricht alle Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Polyethylen und Polypropylen auf, wobei die beim Aufbrechen dieser Bindungen freigesetzten Kohlenstoffatome schließlich an Ethylenmoleküle gebunden werden. „Das Ethylen ist für diese Reaktion entscheidend, da es ein Co-Reaktant ist“, sagte Forscher RJ Conk, einer der Autoren der Studie, gegenüber Ars Technica. „Die aufgebrochenen Verbindungen reagieren dann mit Ethylen, das die Verbindungen aus der Kette entfernt. Ohne Ethylen kann die Reaktion nicht stattfinden.“
Die gesamte Kette wird katalysiert, bis Polyethylen vollständig in Propylen und Polypropylen in eine Mischung aus Propylen und Isobutylen umgewandelt ist.
Diese Methode ist hoch selektiv, das heißt, sie erzeugt eine große Menge des gewünschten Produkts. Das bedeutet, dass Propylen aus Polyethylen gewonnen wird und sowohl Propylen als auch Isobutylen aus Polypropylen. Beide Chemikalien sind sehr gefragt, da Propylen ein wichtiger Rohstoff für die chemische Industrie ist, während Isobutylen ein häufig verwendetes Monomer in vielen verschiedenen Polymeren ist, darunter synthetischer Kautschuk und ein Benzinzusatz.
Die Mischung macht’s
Da Kunststoffe in Recyclingzentren häufig gemischt werden, wollten die Forscher herausfinden, was passiert, wenn Polypropylen und Polyethylen gemeinsam einer isomerisierenden Ethenolyse unterzogen werden. Die Reaktion verlief erfolgreich und wandelte die Mischung in Propylen und Isobutylen um, wobei etwas mehr Propylen als Isobutylen entstand.
Gemische enthalten typischerweise auch Verunreinigungen in Form von zusätzlichen Kunststoffen. Das Team wollte also auch prüfen, ob die Reaktion auch dann funktioniert, wenn Verunreinigungen vorhanden sind. Daher experimentierten sie mit Kunststoffgegenständen, die sonst weggeworfen würden, darunter eine Zentrifuge und eine Brottüte, die beide neben Polypropylen und Polyethylen Spuren anderer Polymere enthielten. Die Reaktion ergab nur geringfügig weniger Propylen und Isobutylen als mit unverfälschten Versionen der Polyolefine.
Bei einem weiteren Test wurden Polypropylen und Polyethylen mit verschiedenen Kunststoffen wie PET und PVC vermischt, um zu sehen, ob sich dadurch etwas ändert. Tatsächlich verringerte sich die Ausbeute erheblich. Wenn dieser Ansatz erfolgreich sein soll, müssen alle bis auf die geringsten Spuren von Verunreinigungen aus den Polypropylen- und Polyethylenprodukten entfernt werden, bevor sie recycelt werden.
Diese Recyclingmethode klingt zwar so, als könnte sie tonnenweise Müll vermeiden, aber dafür muss sie enorm ausgeweitet werden. Als das Forschungsteam den Umfang des Experiments vergrößerte, war der Ertrag gleich, was für die Zukunft vielversprechend aussieht. Dennoch müssen wir eine beträchtliche Infrastruktur aufbauen, bevor wir damit unseren Plastikmüll eindämmen können.
„Wir hoffen, dass die beschriebene Arbeit zu praktischen Methoden für die Herstellung neuer Polymere führt“, sagten die Forscher im selben Studie„Auf diese Weise ließe sich der Bedarf für die Produktion dieser wichtigen Grundchemikalien aus fossilen Kohlenstoffquellen und die damit verbundenen Treibhausgasemissionen erheblich reduzieren.“
Wissenschaft, 2024. DOI: 10.1126/science.adq731
