Obwohl viele Amerikaner ihren Plastikmüll jede Woche in den entsprechenden Behältern entsorgen, sind viele dieser Materialien, darunter flexible Folien, mehrschichtige Materialien und viele farbige Kunststoffe, mit herkömmlichen mechanischen Recyclingmethoden nicht recycelbar. Letztlich werden in den Vereinigten Staaten nur etwa 9 % des Kunststoffs jemals wiederverwendet, oft in minderwertigen Produkten. Mit einer neuen Technik verwandeln Chemieingenieure der University of Wisconsin-Madison jedoch minderwertigen Kunststoffabfall in hochwertige Produkte.
Die neue Methode, beschrieben in der Zeitschrift Wissenschaft, könnte die wirtschaftlichen Anreize für das Kunststoffrecycling erhöhen und die Tür zum Recycling neuer Kunststoffarten öffnen. Die Forscher schätzen, dass ihre Methoden auch die Treibhausgasemissionen aus der konventionellen Produktion dieser Industriechemikalien um etwa 60 % reduzieren könnten.
Die neue Technik basiert auf einigen bestehenden chemischen Verarbeitungstechniken. Die erste ist die Pyrolyse, bei der Kunststoffe in einer sauerstofffreien Umgebung auf hohe Temperaturen erhitzt werden.
Das Ergebnis ist Pyrolyseöl, ein flüssiges Gemisch aus verschiedenen Verbindungen. Pyrolyseöl enthält große Mengen an Olefinen – einer Klasse einfacher Kohlenwasserstoffe, die ein zentraler Baustein heutiger Chemikalien und Polymere sind, darunter verschiedene Arten von Polyestern, Tensiden, Alkoholen und Carbonsäuren.
In aktuellen energieintensiven Prozessen wie dem Dampfcracken produzieren Chemiehersteller Olefine, indem sie Erdöl extrem hoher Hitze und Druck aussetzen. In diesem neuen Verfahren gewinnt das Team der University of Wisconsin-Madison Olefine aus Pyrolyseöl zurück und verwendet sie in einem viel weniger energieintensiven chemischen Prozess namens homogene Hydroformylierungskatalyse. Dieser Prozess wandelt Olefine in Aldehyde um, die dann weiter zu wichtigen Industriealkoholen reduziert werden können.
„Diese Produkte können zur Herstellung einer breiten Palette hochwertigerer Materialien verwendet werden“, sagt George Huber, Professor für Chemie- und Biotechnik, der die Arbeit zusammen mit dem Postdoktoranden Houqian Li und Ph.D. leitete. Student Jiayang Wu.
Zu diesen höherwertigen Materialien gehören Inhaltsstoffe, die zur Herstellung von Seifen und Reinigungsmitteln verwendet werden, sowie andere nützlichere Polymere.
„Wir sind wirklich begeistert von den Auswirkungen dieser Technologie“, sagt Huber, der auch das Zentrum für chemisches Upcycling von Kunststoffabfällen leitet. „Es handelt sich um eine Plattformtechnologie zur Aufwertung von Kunststoffabfällen mithilfe der Hydroformylierungschemie.“
Die Recyclingindustrie könnte das Verfahren bald übernehmen; In den letzten Jahren haben mindestens zehn große Chemieunternehmen Anlagen zur Herstellung von Pyrolyseölen aus Kunststoffabfällen gebaut oder entsprechende Pläne angekündigt. Viele von ihnen lassen das Pyrolyseöl durch Steamcracker laufen, um minderwertige Verbindungen herzustellen. Die neue chemische Recyclingtechnik könnte eine nachhaltigere und lukrativere Möglichkeit zur Verwendung dieser Öle bieten.
„Derzeit haben diese Unternehmen keinen wirklich guten Ansatz, das Pyrolyseöl aufzuwerten“, sagt Li. „In diesem Fall können wir aus Kunststoffabfällen, die nur etwa 100 US-Dollar pro Tonne wert sind, hochwertige Alkohole im Wert von 1.200 bis 6.000 US-Dollar pro Tonne gewinnen. Darüber hinaus nutzt dieser Prozess vorhandene Technologien und Techniken. Er lässt sich relativ einfach skalieren.“
Die Studie sei eine Gemeinschaftsarbeit verschiedener Abteilungen der UW-Madison gewesen, sagt Huber. Clark Landis, Vorsitzender der Fakultät für Chemie und weltweiter Experte für Hydroformylierung, schlug die Möglichkeit vor, die Technik auf Pyrolyseöle anzuwenden.
Professor für Chemie- und Biotechnik, Manos Mavarikakis, nutzte fortschrittliche Modellierung, um Einblicke auf molekularer Ebene in die chemischen Prozesse zu gewinnen. Und Victor Zavala, Professor für Chemie- und Biotechnik, leistete Hilfe bei der Analyse der Wirtschaftlichkeit der Technik und des Lebenszyklus des Kunststoffabfalls.
Der nächste Schritt für das Team besteht darin, den Prozess zu optimieren und besser zu verstehen, welche recycelten Kunststoffe und Katalysatorkombinationen welche chemischen Endprodukte erzeugen.
„Es gibt so viele verschiedene Produkte und so viele Wege, die wir mit dieser Plattformtechnologie verfolgen können“, sagt Huber. „Es gibt einen riesigen Markt für die Produkte, die wir herstellen. Ich denke, dass dies die Kunststoffrecyclingindustrie wirklich verändern könnte.“
Mehr Informationen:
Houqian Li et al., Hydroformylierung von Pyrolyseölen zu Aldehyden und Alkoholen aus Polyolefinabfällen, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adh1853