Forscher entwickeln Methode zum Upcycling von Plastikmüll zu Seife

Ein von Forschern der Virginia Tech geleitetes Team hat eine neue Methode zum Upcycling von Kunststoffen in hochwertige Chemikalien, sogenannte Tenside, entwickelt, die zur Herstellung von Seife, Waschmitteln und mehr verwendet werden. Die Arbeit wurde veröffentlicht in Wissenschaft.

Kunststoffe und Seifen haben in der Regel wenig gemeinsam, was die Textur, das Aussehen und vor allem die Art und Weise ihrer Verwendung betrifft. Auf molekularer Ebene besteht jedoch ein überraschender Zusammenhang zwischen beiden: Die chemische Struktur von Polyethylen – einem der heute weltweit am häufigsten verwendeten Kunststoffe – ähnelt auffallend der einer Fettsäure, die als chemische Vorstufe verwendet wird Seife. Beide Materialien bestehen aus langen Kohlenstoffketten, aber Fettsäuren haben eine zusätzliche Atomgruppe am Ende der Kette.

Guoliang „Greg“ Liu, außerordentlicher Professor für Chemie am Virginia Tech College of Science, war schon lange der Ansicht, dass diese Ähnlichkeit impliziere, dass es möglich sein sollte, Polyethylen in Fettsäuren umzuwandeln – und mit ein paar zusätzlichen Verfahrensschritten – Seife herzustellen. Die Herausforderung bestand darin, eine lange Polyethylenkette in viele kurze – aber nicht zu kurze – Ketten aufzuteilen und dies effizient zu bewerkstelligen. Liu glaubte, dass es das Potenzial für eine neue Upcycling-Methode gibt, die minderwertigen Kunststoffabfall in einen hochwertigen, nützlichen Rohstoff verwandeln könnte.

Nachdem Liu einige Zeit über die Frage nachgedacht hatte, kam ihm plötzlich die Inspiration, als er einen Winterabend am Kaminfeuer genoss. Er beobachtete, wie der Rauch aus dem Feuer aufstieg und dachte darüber nach, wie der Rauch aus winzigen Partikeln bestand, die bei der Verbrennung des Holzes entstanden. Obwohl Kunststoffe aus Sicherheits- und Umweltgründen niemals in einem Kamin verbrannt werden sollten, begann Liu sich zu fragen, was passieren würde, wenn Polyethylen in einer sicheren Laborumgebung verbrannt werden könnte.

Würde die unvollständige Verbrennung von Polyethylen „Rauch“ erzeugen, genau wie das Verbrennen von Holz? Wenn jemand diesen Rauch einfangen würde, woraus würde er bestehen?

„Brennholz besteht größtenteils aus Polymeren wie Zellulose. Bei der Verbrennung von Brennholz werden diese Polymere in kurze Ketten und dann in kleine gasförmige Moleküle zerlegt, bevor sie vollständig zu Kohlendioxid oxidiert werden“, sagte Liu, Inhaber des Blackwood Junior Faculty Fellowship of Life Sciences in der Fachbereich Chemie. „Wenn wir die synthetischen Polyethylenmoleküle auf ähnliche Weise abbauen, den Prozess aber stoppen, bevor sie vollständig in kleine gasförmige Moleküle zerfallen, dann sollten wir kurzkettige, polyethylenähnliche Moleküle erhalten.“

Mit der Hilfe von Zhen Xu und Eric Munyaneza, zwei Ph.D. Als Chemiestudent in Lius Labor baute Liu einen kleinen, ofenähnlichen Reaktor, in dem sie Polyethylen in einem Prozess namens Temperaturgradienten-Thermolyse erhitzen konnten.

Unten ist die Temperatur des Ofens hoch genug, um die Polymerketten aufzubrechen, und oben wird der Ofen auf eine Temperatur abgekühlt, die niedrig genug ist, um einen weiteren Abbau zu verhindern. Nach der Thermolyse sammelten sie die Rückstände ein – ähnlich wie beim Reinigen von Ruß aus einem Schornstein – und stellten fest, dass Lius Vermutung richtig gewesen war: Es bestand aus „kurzkettigem Polyethylen“, genauer gesagt aus Wachsen.

Dies sei der erste Schritt bei der Entwicklung einer Methode zum Upcycling von Kunststoffen zu Seife, sagte Liu. Nach einigen weiteren Schritten, einschließlich der Verseifung, stellte das Team die weltweit erste Seife aus Kunststoff her. Um den Prozess fortzusetzen, nahm das Team die Hilfe von Experten für Computermodellierung, Wirtschaftsanalyse und mehr in Anspruch.

Einige dieser Experten wurden dem Team durch Verbindungen zum Macromolecules Innovation Institute an der Virginia Tech vorgestellt. Gemeinsam dokumentierte und verfeinerte die Gruppe den Upcycling-Prozess, bis er bereit war, mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft geteilt zu werden.

„Unsere Forschung zeigt einen neuen Weg für das Kunststoff-Upcycling auf, ohne neuartige Katalysatoren oder komplexe Verfahren einzusetzen. In dieser Arbeit haben wir das Potenzial einer Tandem-Strategie für das Kunststoff-Recycling gezeigt“, sagte Xu, Hauptautor des Papiers. „Dies wird die Menschen dazu anregen, in Zukunft kreativere Designs für Upcycling-Verfahren zu entwickeln.“

Obwohl Polyethylen der Kunststoff war, der dieses Projekt inspirierte, kann die Upcycling-Methode auch bei einer anderen Kunststoffart namens Polypropylen funktionieren. Diese beiden Materialien machen einen Großteil des Plastiks aus, dem Verbraucher täglich begegnen, von Produktverpackungen über Lebensmittelbehälter bis hin zu Stoffen. Eine der aufregenden Eigenschaften von Lius neuer Upcycling-Methode besteht darin, dass sie für beide Kunststoffe gleichzeitig verwendet werden kann, was bedeutet, dass es nicht notwendig ist, die beiden voneinander zu trennen. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber einigen heute verwendeten Recyclingmethoden, die eine sorgfältige Sortierung der Kunststoffe erfordern, um Kontaminationen zu vermeiden. Dieser Sortiervorgang kann aufgrund der Ähnlichkeit der beiden Kunststoffe recht schwierig sein.

Ein weiterer Vorteil der Upcycling-Technik besteht darin, dass sie sehr einfache Anforderungen stellt: Kunststoff und Hitze. Obwohl die späteren Schritte des Prozesses einige zusätzliche Zutaten erfordern, um die Wachsmoleküle in Fettsäuren und Seife umzuwandeln, ist die anfängliche Umwandlung des Kunststoffs eine unkomplizierte Reaktion. Dies trägt zur Wirtschaftlichkeit der Methode sowie zu ihrer vergleichsweise geringen Umweltbelastung bei.

Damit Upcycling in großem Maßstab wirksam ist, muss das Endprodukt wertvoll genug sein, um die Kosten des Prozesses zu decken und es wirtschaftlich attraktiver als alternative Recyclingmöglichkeiten zu machen.

Obwohl Seifen auf den ersten Blick nicht wie ein besonders teures Gut erscheinen, können sie im Vergleich zum Gewicht tatsächlich das Doppelte oder Dreifache des Preises von Kunststoffen wert sein. Derzeit beträgt der durchschnittliche Preis für Seife und Waschmittel etwa 3.550 US-Dollar pro Tonne, für Polyethylen etwa 1.150 US-Dollar pro Tonne. Darüber hinaus ist die Nachfrage nach Seifen und verwandten Produkten vergleichbar mit der Nachfrage nach Kunststoffen.

Diese Forschung lege den Grundstein für eine neue Möglichkeit, Abfall zu reduzieren, indem gebrauchte Kunststoffe für die Produktion anderer nützlicher Materialien verwendet werden, sagte Liu. Er hofft, dass Recyclinganlagen auf der ganzen Welt mit der Zeit beginnen werden, diese Technik umzusetzen. Wenn ja, dann können Verbraucher damit rechnen, eines Tages die Möglichkeit zu haben, revolutionäre nachhaltige Seifenprodukte zu kaufen, die auch zu weniger Plastikmüll auf Mülldeponien führen.

Aus diesem Grund könne die Umwandlung von Kunststoffen in Seifen nachweislich wirtschaftlich sinnvoll sein, fügte Liu hinzu, der auch angegliedertes Fakultätsmitglied des Nanowissenschaftsprogramms ist, das Teil der Academy of Integrated Science des College of Science sowie der Abteilung für Materialwissenschaften ist Ingenieurwissenschaften am Virginia Tech College of Engineering.

„Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die Plastikverschmutzung eher eine globale Herausforderung als ein Problem einiger weniger Mainstream-Länder ist. Im Vergleich zu einem hochentwickelten Prozess und einem komplexen Katalysator oder Reagenz könnte ein einfacher Prozess für viele andere Länder weltweit zugänglicher sein“, sagte Xu. „Ich hoffe, dass dies ein guter Anfang für den Kampf gegen die Plastikverschmutzung sein kann.“

An diesem Projekt und der daraus resultierenden Forschungsarbeit waren auch Forscher der Fakultät für Chemieingenieurwesen beteiligt.