ORNL-Wissenschaftler schließen den Kreislauf beim Recycling gemischter Kunststoffe

Nur wenig der gemischten Verbraucherkunststoffe, die weggeworfen oder in den Papierkorb gegeben werden, werden tatsächlich recycelt. Fast 90 % werden auf Mülldeponien vergraben oder in kommerziellen Anlagen verbrannt, die Treibhausgase und Giftstoffe in der Luft erzeugen. Keines der Ergebnisse ist ideal für die Umwelt.

Warum werden nicht mehr gemischte Kunststoffe recycelt? Normalerweise ist es einfacher und kostengünstiger, neue Kunststoffprodukte herzustellen, als gebrauchte Produkte zurückzugewinnen, zu sortieren und zu recyceln. Konventionelles Recycling gemischter Kunststoffe erforderte bisher eine manuelle oder maschinelle Trennung der Kunststoffe nach ihren Polymerbestandteilen.

Um dieses Problem anzugehen, nutzten Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums sorgfältig geplantes chemisches Design, Neutronenstreuung und Hochleistungsrechnen, um bei der Entwicklung eines neuen katalytischen Recyclingverfahrens zu helfen. Der Katalysator zerlegt mehrere Polymere in gemischten Kunststoffen selektiv und nacheinander in reine Monomere – Moleküle, die mit anderen Monomermolekülen reagieren, um ein Polymer zu bilden. Das Verfahren bietet eine vielversprechende Strategie zur Bekämpfung des weltweiten Plastikmülls wie Flaschen, Verpackungen, Schaumstoffe und Teppiche.

Die Analyse der Forscher, veröffentlicht in Materialhorizonte, verglichen die Verwendung des neuen Mehrzweckkatalysators mit der Verwendung einzelner Katalysatoren für jede Kunststoffart. Der neue Katalysator würde bis zu 95 % weniger Treibhausgase erzeugen, bis zu 94 % weniger Energieeinsatz erfordern und zu einer Reduzierung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe um bis zu 96 % führen.

„Unser Ansatz besteht aus einem maßgeschneiderten Kunststoff Organokatalysator – eine Verbindung aus kleinen organischen Molekülen, die organische chemische Umwandlungen erleichtert. Der Organokatalysator kann Chargen gemischter Kunststoffabfälle in wertvolle Monomere umwandeln, die bei der Herstellung von Kunststoffen in kommerzieller Qualität und anderen wertvollen Materialien wiederverwendet werden können“, sagte Tomonori Saito, Chemiker für synthetische Polymere am ORNL und korrespondierender Autor. „Dieser außerordentlich effiziente chemische Prozess kann dazu beitragen, den Kreislauf für das Recycling gemischter Kunststoffe zu schließen, indem die Monomere der Erstverwendung durch recycelte Monomere ersetzt werden.“

„Heutzutage werden fast alle Kunststoffe aus fossilen Brennstoffen unter Verwendung von Erstverwendungsmonomeren hergestellt, die in energieintensiven Prozessen hergestellt werden. „Die Etablierung dieser Art von geschlossenem Recycling könnte, wenn sie weltweit eingesetzt wird, den jährlichen Energieverbrauch um etwa 3,5 Milliarden Barrel Öl senken“, fügte Saito hinzu.

Eine Recyclinglösung für über 30 % aller Kunststoffe

Der neue Organokatalysator kann nachweislich mehrere Polymere effizient und schnell abbauen – in etwa zwei Stunden. Zu diesen Polymeren gehören solche, die in Materialien wie Schutzbrillen (Polycarbonate), Schäumen (Polyurethanen), Wasserflaschen (Polyethylenterephthalaten) und Seilen oder Fischernetzen (Polyamiden) verwendet werden, die zusammen mehr als 30 % der weltweiten Kunststoffproduktion ausmachen. Bisher konnte kein einziger Katalysator nachgewiesen werden, der bei allen vier dieser Polymere wirksam ist.

Das Verfahren bietet viele Vorteile für die Umwelt, indem es aggressive Chemikalien zum Abbau von Polymeren ersetzt und außerdem eine gute Selektivität, thermische Stabilität, Nichtflüchtigkeit und geringe Entflammbarkeit bietet. Aufgrund seiner Wirksamkeit gegen mehrere Polymere eignet es sich auch zum Abbau der zunehmenden Mengen an Mehrkomponentenkunststoffen wie Verbundwerkstoffen und mehrschichtigen Verpackungen.

Kleinwinkel-Neutronenstreuung an der Spallations-Neutronenquelle des ORNL wurde verwendet, um die Bildung dekonstruierter Monomere aus den Kunststoffabfällen zu bestätigen. Die Methode streut Neutronen in kleinen Winkeln, um die Struktur auf verschiedenen Detailebenen von Nanometern bis zu Bruchteilen eines Mikrometers zu charakterisieren.

Umwandlung gemischter Kunststoffpolymere in echte recycelte Kunststoffe

Der Organokatalysator baut die Kunststoffe bei unterschiedlichen Temperaturen ab, wodurch die einzelnen Monomere nacheinander getrennt und in wiederverwendbarer Form zurückgewonnen werden können. Polycarbonate zerfallen bei 130 °C, Polyurethane bei 160 °C, Polyethylenterephthalate bei 180 °C und Polyamide bei 210 °C. Andere Kunststoffe, Zusatzstoffe und Begleitmaterialien wie Baumwolle und Plastiktüten bleiben aufgrund der unterschiedlichen Reaktivität intakt und können anschließend zurückgewonnen werden.

„Die dekonstruierten Monomere und der Organokatalysator sind wasserlöslich, sodass wir sie in Wasser überführen können, wo etwaige Verunreinigungen wie Pigmente durch Filtration entfernt werden können“, sagte Md. Arifuzzaman, Hauptautor der Studie und ehemaliger Postdoktorand für synthetische organische Chemie am ORNL. Heute ist er Innovation Crossroads Fellow sowie CEO und Gründer der Re-Du Company. „Die nahezu reinen Monomere werden dann extrahiert, zurück bleibt der Katalysator, der durch die Verdampfung des Wassers fast vollständig zurückgewonnen wird und direkt für mehrere Abbauzyklen wiederverwendet werden kann.“

An der Studie beteiligten sich Forscher der Abteilung für chemische Wissenschaften des ORNL und des Zentrums für Nanophasen-Materialwissenschaften innerhalb der Direktion für Physikalische Wissenschaften, der Direktion für Neutronenwissenschaften und der Abteilung für Chemieingenieurwesen der University of Virginia, Charlottesville.

CNMS und SNS sind Benutzereinrichtungen des Department of Energy Office of Science. UT-Battelle verwaltet ORNL für das Office of Science des DOE, den größten Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten. Das Office of Science arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science.

Ursprünglich veröffentlicht am Website des Oak Ridge National Laboratory. Forscher: Tomonori Saito, Arif Arifuzzaman, Changwoo Do