Es ist leicht, kostengünstig, nahezu unbegrenzt anpassbar und besorgniserregend allgegenwärtig: Trotz all seiner Vorteile ist Plastik – und Plastikmüll – ein großes Problem. Im Gegensatz zu Glas, das unbegrenzt wiederverwertbar ist, ist das Kunststoffrecycling aufgrund der komplexen Molekularstruktur des Materials, die auf spezifische Bedürfnisse zugeschnitten ist, eine Herausforderung und teuer.
Weltweit werden jedes Jahr schätzungsweise 380 Millionen Tonnen Kunststoff produziert. Allerdings werden nur etwa 9 Prozent des gesamten Plastikmülls recycelt, etwa 12 Prozent verbrannt und der Rest auf Mülldeponien und in der Natur entsorgt.
Neue Forschungen aus dem Labor von Giannis Mpoumpakis, außerordentlicher Professor für Chemie- und Erdöltechnik an der University of Pittsburgh, konzentrieren sich auf die Optimierung einer vielversprechenden Technologie namens Pyrolyse, mit der Kunststoffabfälle chemisch in wertvollere Chemikalien recycelt werden können. Der Artikel wurde kürzlich veröffentlicht und war auf dem Cover der Zeitschrift abgebildet Zeitschrift für chemische Theorie und Berechnung.
„Pyrolyse ist relativ kostengünstig und kann hochwertige Produkte erzeugen, daher stellt sie eine attraktive, praktische Lösung dar“, sagte Mpourmpakis. „Es wurde bereits im kommerziellen Maßstab entwickelt. Die größte Herausforderung besteht nun darin, optimale Betriebsbedingungen angesichts der Ausgangs- und Endchemikalienprodukte zu finden, ohne sich stark auf Versuch-und-Irrtum-Experimente verlassen zu müssen.“
Um die Pyrolysebedingungen zu optimieren und die gewünschten Produkte herzustellen, verwenden Forscher typischerweise thermodynamische Berechnungen, die auf dem sogenannten Gibbs-Ansatz zur Minimierung der freien Energie basieren. Allerdings kann der Mangel an thermochemischen Daten die Genauigkeit dieser Berechnungen einschränken.
Während Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen (DFT) üblicherweise verwendet werden, um präzise thermochemische Daten für kleine Moleküle zu erhalten, wird ihre Anwendung für die großen, flexiblen Moleküle, aus denen Kunststoffabfälle bestehen, anspruchsvoll und rechenintensiv, insbesondere bei erhöhten Pyrolysetemperaturen.
In dieser Studie entwickelten Mpourmpakis und der ehemalige Postdoktorand Hyunguk Kwon, der jetzt Professor an der Seoul National University of Science and Technology ist, einen Rechenrahmen, um die temperaturabhängige Thermochemie großer und flexibler Moleküle genau zu berechnen.
Dieses Framework kombiniert Konformationssuche, DFT-Berechnungen, thermochemische Korrekturen und Boltzmann-Statistiken. Die resultierenden thermochemischen Daten werden verwendet, um die thermischen Zersetzungsprofile von Octadecan vorherzusagen, einer Modellverbindung, die Polyethylen darstellt.
Die vorgeschlagene rechnerische Analyse auf der Grundlage erster Prinzipien bietet einen erheblichen Fortschritt bei der Vorhersage temperaturabhängiger Produktverteilungen aus der Kunststoffpyrolyse. Es kann zukünftige experimentelle Bemühungen im Bereich des chemischen Kunststoffrecyclings leiten und es Forschern ermöglichen, die Pyrolysebedingungen zu optimieren und die Effizienz bei der Umwandlung von Kunststoffabfällen in wertvolle Chemikalien zu steigern.
„Die Produktion von Kunststoffen wird voraussichtlich weiter zunehmen. Daher ist es wichtig, dass wir Wege finden und perfektionieren, Kunststoffe zu recyceln und wiederzuverwenden, ohne die Umwelt zu schädigen“, sagte Mpourmpakis. „Diese Arbeit … trägt zur Entwicklung nachhaltiger Abfallmanagementstrategien und zur Reduzierung der Plastikverschmutzung bei und bietet potenzielle Vorteile sowohl für die Umwelt als auch für die Gesellschaft.“
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Hyunguk Kwon et al, Ab Initio Thermochemistry of Highly Flexible Molecules for Thermal Decomposition Analysis, Zeitschrift für chemische Theorie und Berechnung (2023). DOI: 10.1021/acs.jctc.3c00265