Katalytischer Prozess verdampft Plastiktüten und -flaschen und erzeugt Gase zur Herstellung neuer, recycelter Kunststoffe

Ein neues chemisches Verfahren kann Kunststoffe, die heute den Abfallstrom dominieren, im Wesentlichen verdampfen und sie in Kohlenwasserstoffbausteine ​​für neue Kunststoffe umwandeln.

Das an der University of California in Berkeley entwickelte katalytische Verfahren funktioniert gleichermaßen gut mit den beiden vorherrschenden Arten von Kunststoffabfällen aus Verbraucherprodukten: Polyethylen, aus dem die meisten Einweg-Plastiktüten bestehen, und Polypropylen, aus dem Hartplastik hergestellt wird, das von Mikrowellengeschirr bis zu Reisegepäck reicht. Es zersetzt auch effizient eine Mischung dieser Kunststoffarten.

Wird dieser Prozess in großem Maßstab angewandt, könnte er dazu beitragen, eine Kreislaufwirtschaft für viele Wegwerfkunststoffe zu schaffen. Der Kunststoffabfall wird wieder in Monomere umgewandelt, die zur Herstellung von Polymeren verwendet werden. Dadurch wird der Einsatz fossiler Brennstoffe zur Herstellung neuer Kunststoffe reduziert. Klare Plastikwasserflaschen aus Polyethylentetraphthalat (PET), einem Polyester, wurden in den 1980er Jahren für das Recycling auf diese Weise entwickelt. Doch das Volumen von Polyesterkunststoffen ist im Vergleich zu dem von Polyethylen- und Polypropylenkunststoffen, den sogenannten Polyolefinen, winzig.

„Wir haben enorme Mengen an Polyethylen und Polypropylen in Alltagsgegenständen, von Lunchtüten über Waschmittelflaschen bis hin zu Milchkannen – so vieles, was uns umgibt, besteht aus diesen Polyolefinen“, sagte John Hartwig, ein Chemieprofessor an der UC Berkeley, der die Forschung leitete.

„Was wir jetzt im Prinzip tun können, ist, diese Objekte zu nehmen und sie durch von uns entwickelte chemische Reaktionen, die die normalerweise stabilen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen spalten, wieder zum Ausgangsmonomer zurückzuführen. Auf diese Weise sind wir näher dran als jeder andere, Polyethylen und Polypropylen dieselbe Art von Zirkularität zu verleihen, die man bei Polyestern in Wasserflaschen hat.“

Hartwig, Doktorand Richard J. „RJ“ Conk, Chemieingenieur Alexis Bell, Professor der Graduate School der UC Berkeley, und ihre Kollegen werden veröffentlichen die Details des katalytischen Prozesses in der Zeitschrift Wissenschaft.

Eine Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe

Polyethylen- und Polypropylen-Kunststoffe machen weltweit etwa zwei Drittel des Kunststoffabfalls aus. Etwa 80 % davon landen auf Mülldeponien, werden verbrannt oder einfach auf die Straße geworfen und enden oft als Mikroplastik in Flüssen und im Meer. Der Rest wird als minderwertiger Kunststoff recycelt und zu Terrassenbelägen, Blumentöpfen und Göffeln verarbeitet.

Um diesen Abfall zu reduzieren, suchen Forscher nach Möglichkeiten, die Kunststoffe in etwas Wertvolleres umzuwandeln, beispielsweise in Monomere, die polymerisiert werden, um neue Kunststoffe herzustellen. Dies würde eine Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe schaffen und die Notwendigkeit verringern, neue Kunststoffe aus Erdöl herzustellen, das Treibhausgase erzeugt.

Vor zwei Jahren entwickelten Hartwig und sein Team an der UC Berkeley ein Verfahren, mit dem sich Plastiktüten aus Polyethylen in das Monomer Propylen – auch Propen genannt – zerlegen lassen, das dann zur Herstellung von Polypropylen-Kunststoff wiederverwendet werden kann.

Bei diesem chemischen Verfahren kamen drei verschiedene Schwermetallkatalysatoren zum Einsatz: einer, um dem Polyethylenpolymer eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung hinzuzufügen, und die beiden anderen, um die Kette an dieser Doppelbindung zu brechen und wiederholt ein Kohlenstoffatom abzutrennen und mit Ethylen Propylenmoleküle (C3H6) zu bilden, bis das Polymer verschwand. Die Katalysatoren lösten sich jedoch in der Flüssigkeitsreaktion auf und waren kurzlebig, sodass es schwierig war, sie in aktiver Form zurückzugewinnen.

Bei dem neuen Verfahren wurden die teuren, löslichen Metallkatalysatoren durch billigere feste Katalysatoren ersetzt, die in der chemischen Industrie üblicherweise für kontinuierliche Durchflussprozesse verwendet werden, bei denen der Katalysator wiederverwendet wird. Kontinuierliche Durchflussprozesse können hochskaliert werden, um große Materialmengen zu verarbeiten.

Conk experimentierte erstmals mit diesen Katalysatoren, nachdem er Bell, einen Experten für heterogene Katalysatoren in der Abteilung für chemische und biomolekulare Verfahrenstechnik, konsultiert hatte.

Conk synthetisierte einen Katalysator aus Natrium auf Aluminiumoxid und stellte fest, dass dieser verschiedene Arten von Polyolefin-Polymerketten effizient aufbrach oder knackte, wobei eines der beiden Stücke am Ende eine reaktive Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung aufwies. Ein zweiter Katalysator, Wolframoxid auf Siliciumdioxid, fügte das Kohlenstoffatom am Ende der Kette dem Ethylengas hinzu, das ständig durch die Reaktionskammer strömte, um ein Propylenmolekül zu bilden. Der letztgenannte Prozess, Olefinmetathese genannt, hinterlässt eine Doppelbindung, auf die der Katalysator immer wieder zugreifen kann, bis die gesamte Kette in Propylen umgewandelt wurde.

Die gleiche Reaktion findet bei Polypropylen statt und es entsteht eine Kombination aus Propen und einem Kohlenwasserstoff namens Isobutylen. Isobutylen wird in der chemischen Industrie zur Herstellung von Polymeren für Produkte von Fußbällen bis hin zu Kosmetika und zur Herstellung hochoktaniger Benzinzusätze verwendet.

Überraschenderweise war der Wolframkatalysator beim Aufbrechen von Polypropylenketten sogar wirksamer als der Natriumkatalysator.

„Viel billiger als Natrium geht es nicht“, sagte Hartwig. „Und Wolfram ist ein auf der Erde reichlich vorhandenes Metall, das in der chemischen Industrie in großem Maßstab verwendet wird, im Gegensatz zu unseren Rutheniummetallkatalysatoren, die empfindlicher und teurer waren. Diese Kombination aus Wolframoxid auf Siliciumdioxid und Natrium auf Aluminiumoxid ist, als würde man zwei verschiedene Arten von Schmutz nehmen und sie zusammen die gesamte Polymerkette zerlegen, um noch höhere Erträge an Propen aus Ethylen und eine Kombination aus Propen und Isobutylen aus Polypropylen zu erzielen, als wir es mit diesen komplexeren, teureren Katalysatoren getan haben.“

Wie eine Perlenkette

Ein wesentlicher Vorteil der neuen Katalysatoren besteht darin, dass sie die Entfernung von Wasserstoff zur Bildung einer brechbaren Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung im Polymer vermeiden, was ein Merkmal des früheren Verfahrens der Forscher zur Dekonstruktion von Polyethylen war. Solche Doppelbindungen sind eine Achillesferse eines Polymers, genauso wie die reaktiven Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen in Polyester oder PET das Recycling des Kunststoffs erleichtern. Polyethylen und Polypropylen haben diese Achillesferse nicht – ihre langen Ketten aus Kohlenstoff-Einzelbindungen sind sehr stark.

„Stellen Sie sich das Polyolefinpolymer wie eine Perlenkette vor“, sagte Hartwig. „Die Verschlüsse am Ende verhindern, dass die Perlen herausfallen. Wenn Sie die Kette jedoch in der Mitte abschneiden, können Sie nun jeweils eine Perle herausnehmen.“

Gemeinsam wandelten die beiden Katalysatoren eine nahezu gleichmäßige Mischung aus Polyethylen und Polypropylen mit einer Effizienz von fast 90 % in Propylen und Isobutylen um – beides Gase bei Raumtemperatur. Bei Polyethylen oder Polypropylen allein war die Ausbeute sogar noch höher.

Conk fügte der Reaktionskammer Kunststoffzusätze und verschiedene Kunststoffarten hinzu, um zu sehen, wie die katalytischen Reaktionen durch Verunreinigungen beeinflusst wurden. Kleine Mengen dieser Verunreinigungen beeinträchtigten die Umwandlungseffizienz kaum, aber kleine Mengen von PET und Polyvinylchlorid (PVC) verringerten die Effizienz deutlich. Dies ist jedoch möglicherweise kein Problem, da Recyclingmethoden Kunststoffe bereits nach Art trennen.

Hartwig wies darauf hin, dass zwar viele Forscher darauf hofften, Kunststoffe von Grund auf neu zu gestalten, damit sie leichter wiederverwendet werden könnten, die heute schwer recycelbaren Kunststoffe jedoch noch Jahrzehnte lang ein Problem darstellen würden.

„Man könnte argumentieren, dass wir auf Polyethylen und Polypropylen verzichten und nur neue Kreislaufmaterialien verwenden sollten. Aber das wird die Welt noch Jahrzehnte lang nicht tun. Polyolefine sind billig und haben gute Eigenschaften, also verwendet sie jeder“, sagte Hartwig. „Die Leute sagen, wenn wir einen Weg finden könnten, sie kreislauffähig zu machen, wäre das eine große Sache, und genau das haben wir getan. Man kann sich eine kommerzielle Anlage vorstellen, die das tun würde.“

Weitere Co-Autoren des Papiers sind die Doktoranden Jules Stahler, Jake Shi, Natalie Lefton und John Brunn von der UC Berkeley sowie Ji Yang vom Lawrence Berkeley National Laboratory. Shi, Hartwig und Bell sind ebenfalls mit dem Berkeley Lab verbunden.