Die Limonadenflasche oder den Imbissbehälter in den Recyclingbehälter zu werfen, ist bei weitem keine Garantie dafür, dass daraus etwas Neues wird. Wissenschaftler der Rice University versuchen, dieses Problem anzugehen, indem sie den Prozess rentabel machen.
Laut der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung hat sich die weltweit produzierte Menge an Kunststoffabfällen in den letzten zwei Jahrzehnten verdoppelt – und die Kunststoffproduktion wird sich voraussichtlich bis 2050 verdreifachen –, wobei der größte Teil davon auf Mülldeponien landet, verbrannt oder anderweitig falsch verwaltet wird. Einige Schätzungen deuten darauf hin nur 5 % werden tatsächlich recycelt.
„Kunststoffabfälle werden selten recycelt, weil es viel Geld kostet, die Kunststoffe zu waschen, zu sortieren und einzuschmelzen, um sie in ein Material zu verwandeln, das von einer Fabrik verwendet werden kann“, sagte Kevin Wyss, ein Rice-Student und Hauptautor einer Studie, die in veröffentlicht wurde Fortgeschrittene Werkstoffe das beschreibt, wie er und Kollegen im Labor des Chemikers James Tour ihre Flash-Joule-Heiztechnik nutzten, um Kunststoff in wertvolle Kohlenstoffnanoröhren und hybride Nanomaterialien zu verwandeln.
„Wir konnten ein Hybrid-Kohlenstoff-Nanomaterial herstellen, das sowohl Graphen als auch kommerziell erhältliche Kohlenstoff-Nanoröhren übertraf“, sagte Wyss.
Graphen, Kohlenstoffnanoröhren und andere Nanomaterialien auf Kohlenstoffbasis sind im Allgemeinen fest und chemisch robust, haben eine geringe Dichte und eine große Oberfläche und besitzen Leitfähigkeit und breitbandige elektromagnetische Absorptionsfähigkeiten. Dies macht sie nützlich in einer Vielzahl von industriellen, medizinischen und elektronischen Anwendungen wie Verbundwerkstoffen, Beschichtungen, Sensoren, elektrochemischer Energiespeicherung und mehr.
„Was dieses Mal wirklich interessant an unseren Ergebnissen war, ist, dass wir diese Kohlenstoffnanoröhren mit Graphenstückchen an den Enden herstellen konnten“, sagte Wyss. „Sie können sich die Struktur dieses neuen Hybrid-Nanomaterials ähnlich wie Sojasprossen oder Lutscher vorstellen. Diese sind normalerweise sehr schwer herzustellen, und die Tatsache, dass wir sie aus Kunststoffabfällen herstellen konnten, ist wirklich etwas Besonderes.“
Die Struktur des neuen Hybrid-Kohlenstoff-Nanomaterials ist für seine verbesserte Leistungsfähigkeit verantwortlich.
„Nehmen wir an, ich habe versucht, einen Faden aus einem Pullover zu ziehen“, sagte Wyss. „Wenn die Saite gerade und glatt ist, kann sie manchmal ziemlich leicht herauskommen und das Gewebe ruinieren. Dasselbe gilt für die Kohlenstoffnanoröhren; diese Massen von Graphen an den Enden zu tragen, macht es viel schwieriger, sie zu entfernen, wodurch der Verbundstoff gestärkt wird .
„Man kann es sich auch so vorstellen: Wenn man einen Splitter bekommt, kann man ihn leicht herausnehmen. Aber wenn man von etwas gestochen wird, das am Ende eine Kurve hat, wie ein Angelhaken, ist es viel schwieriger, ihn herauszuziehen. “ er fügte hinzu.
Der Kunststoff, der nicht wie beim herkömmlichen Recycling sortiert oder gewaschen werden muss, wird bei Temperaturen über 3.100 Kelvin (ca. 5.120 Grad Fahrenheit) „geflasht“. „Alles, was wir tun, ist, das Material in kleine, konfettigroße Stücke zu mahlen, etwas Eisen hinzuzufügen und eine kleine Menge eines anderen Kohlenstoffs – sagen wir Holzkohle – für die Leitfähigkeit zu mischen“, sagte Wyss.
„Das Recyceln von Kunststoff kostet mehr als nur die Herstellung von neuem Kunststoff“, fügte er hinzu. „Es gibt sehr wenig wirtschaftliche Anreize, Plastik zu recyceln. Deshalb haben wir uns dem Upcycling zugewandt, also der Umwandlung von geringwertigen Abfallmaterialien in etwas mit einem höheren Geld- oder Gebrauchswert. Wenn wir Plastikabfälle in etwas Wertvolleres verwandeln können, dann können die Menschen Geld verdienen.“ weg vom verantwortungsvollen Umgang mit weggeworfenem Plastik.“
Eine Lebenszyklusanalyse des Produktionsprozesses ergab, dass die Flash-Joule-Erhitzung erheblich energieeffizienter und umweltfreundlicher war als bestehende Herstellungsverfahren für Nanoröhren.
„Im Vergleich zu kommerziellen Methoden zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren, die derzeit verwendet werden, verbraucht unsere etwa 90 % weniger Energie und erzeugt 90 bis 94 % weniger Kohlendioxid“, sagte Wyss.
Tour, Co-Autor der Studie, ist TT- und WF-Chao-Professor für Chemie und Professor für Materialwissenschaften und Nanotechnik an der George R. Brown School of Engineering von Rice.
Mehr Informationen:
Kevin M. Wyss et al, Upcycling von Kunststoffabfällen zu hybriden Kohlenstoff-Nanomaterialien, Fortgeschrittene Werkstoffe (2023). DOI: 10.1002/adma.202209621