Recyclingstudie zeigt neue Möglichkeiten für eine Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe auf, die auf erneuerbaren Energien basiert

Trotz der weltweiten Bemühungen, eine Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe zu schaffen, landen immer noch mehr als drei Viertel der 400 Tonnen Kunststoff, die jedes Jahr weltweit produziert werden, als Abfall.

Eine Gruppe von Forschern an der University of Illinois Urbana-Champaign demonstrierte eine Möglichkeit, die erneuerbare Energiequelle Strom zu nutzen, um eine Form von Kunststoff zu recyceln, der immer häufiger verwendet wird, aber schwieriger zu recyceln ist als andere beliebte Kunststoffformen.

In ihrer kürzlich veröffentlichten Studie in Naturkommunikationstellen sie ihren innovativen Prozess vor, der das Potenzial für die Nutzung erneuerbarer Energiequellen im Rahmen der Umstellung auf eine Kreislaufwirtschaft für Kunststoffe zeigt.

„Wir wollten dieses Konzept der Zusammenführung erneuerbarer Energien und einer Kreislaufkunststoffwirtschaft demonstrieren“, sagte Yuting Zhou, ein Postdoktorand und Co-Autor, der an dieser bahnbrechenden Forschung mit zwei Chemieprofessoren in Illinois, dem Polymerexperten Jeffrey Moore und, arbeitete Elektrochemie-Experte Joaquín Rodríguez-López.

Das Projekt wurde von Moore konzipiert, der Erfahrung im Umgang mit Poly(phthalaldehyd), einer Form von Polyacetal, hatte. Polyoxymethylen (POM), ein Hochleistungs-Acetalharz, das in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt wird, darunter in der Automobil- und Elektronikbranche. Da es sich um einen Thermoplast handelt, lässt es sich beim Erhitzen formen und formen und härtet beim Abkühlen mit einem hohen Maß an Festigkeit und Steifigkeit aus, was es in einigen Anwendungen, wie etwa bei mechanischen Zahnrädern in Automobilen, zu einer attraktiven, leichteren Alternative zu Metall macht. Es wird von verschiedenen Chemieunternehmen mit leicht unterschiedlichen Formeln und Namen hergestellt, darunter Delrin von DuPont.

Beim Recycling erschweren die hochkristallinen Eigenschaften von POM den Abbau. Es kann geschmolzen und erneut geformt werden, allerdings gehen die ursprünglichen Materialeigenschaften von POM verloren, was die Nützlichkeit des recycelten Materials einschränkt.

„Als das Polymer als Produkt verwendet wurde, handelte es sich nicht um ein reines Polymer. Es enthält auch andere Chemikalien wie Farbzusätze und Antioxidantien. Wenn man es also einfach schmilzt und wieder formt, gehen die Materialeigenschaften immer verloren“, erklärte Zhou .

Die Methode des Forscherteams aus Illinois nutzt Strom, der aus erneuerbaren Quellen bezogen werden kann, und erfolgt bei Raumtemperatur.

Dieser elektrovermittelte Prozess zerlegt das Polymer und zerlegt es in Monomere – die Moleküle, die an andere identische Moleküle gebunden werden, um Polymere zu bilden.

Bei allgemein bekannten synthetischen Kunststoffen wie PE, PET und PS wurden in den letzten fünf Jahren bedeutende Durchbrüche bei der chemischen Wiederverwendung erzielt.

Allerdings gab es nur begrenzte Experimente mit dem anspruchsvolleren POM, insbesondere mit Elektrizität als Treiber des Prozesses.

In der Studie demonstrieren die Forscher ihre Methoden mit Delrin. Sie lösen zunächst kleine Polymerkügelchen in einer Flüssigkeit auf, um die Bindungen in der Polymerkette zu lösen. In der nächsten Phase der Elektrokatalyse werden die Delrin-Polymerketten in Monomerform zerlegt.

Der Schlüssel, sagte Zhou, sei das organische Lösungsmittel, das den Kunststoff auflöste. Sie testete viele organische Lösungsmittel, angefangen mit Reinigungsalkohol, entdeckte aber nur ein organisches Lösungsmittel, das funktionierte: Hexafluorisopropanol, allgemein als HFIP abgekürzt.

„Es ist nicht sofort. Es musste mehrere Stunden ruhen“, sagte Zhou, der erklärte, dass sie herausgefunden hätten, dass das HFIP nicht nur das Polymer auflöst, sondern wahrscheinlich auch eine Schlüsselrolle bei der Depolymerisation in der Elektrokatalysephase spielt. „Es fungiert auch als Protonendonor (Katalysator) mit angelegtem Potenzial.“

Grundsätzlich erzeugt das HFIP während der Elektrolyse Säure, und die Säure ist nach Ansicht der Forscher das, was das Polymer in Monomere zerlegt.

„Das ist es, was wir vermuten“, sagte sie. „Möglicherweise gibt es andere potenzielle Depolymerisationsmechanismen. Aber mit all den experimentellen Beweisen, die wir gesammelt haben, deutet es eher auf einen elektrovermittelten Säure-Depolymerisationsprozess hin.“

Nachdem sie ihr Verfahren erfolgreich an kleinen Perlen aus reinem POM demonstriert hatten, wollten sie ein kommerzielles Produkt aus Delrin ausprobieren, um ihre Methode weiter zu testen. Deshalb verwendeten sie Keck-Clip-Schuppen, die üblicherweise in Chemielabors verwendet werden und aus Delrin bestehen. Und wieder hat der Prozess funktioniert.

„Zumindest für mich persönlich ist diese Arbeit eher eine Ermutigung dafür, dass man es nicht für verrückt hält, Elektrizität zum Abbau von Plastik zu verwenden. Es ist möglich. Es ist eine große Herausforderung. Es gibt Einschränkungen. Es gibt viele Mauern, die wir überwinden müssen.“ wird treffen. Aber es ist möglich“, sagte Zhou. „Wir können Elektrizität nutzen, um ein real hergestelltes Produkt zu zerlegen.“

Zhou sagte, sie wollen die Leistungsfähigkeit der Elektrokatalyse bei der Kunststoffdekonstruktion weiter erforschen, indem sie mit anspruchsvolleren Kunststoffarten experimentieren, das selektive Upcycling von POM zu Ameisensäure ins Visier nehmen und diese Methode in ein Fließsystem übernehmen.

„Wir hoffen auch, dass diese Arbeit andere Ingenieure und Synthesechemiker sowie die Branche dazu inspirieren kann, die Verwendung von Elektrizität zur Dekonstruktion von synthetischem Kunststoff zu erforschen und darüber nachzudenken“, sagte Zhou.

Der Artikel „Heterogenous Electromediated Depolymerization of Highly Crystalline Polyoxymethylen“ ist veröffentlicht in Naturkommunikation.